Регенеративный цикл паросиловой установки.

Регенерация тепла в ПСУ позволяет уменьшить необратимость процессов теплообмена в цикле на участке подогрева питательной воды.

При наличии двух источников тепла с температурами Т ₁ и Т ₂ в цикле Ренкина, осуществляемом во влажном паре, на участке подогрева питательной воды 3-4 (рис. 1) будет иметь место необратимый переход тепла при конечной разности температур от верхнего источника с температурой Т ₁ к рабочему телу с температурой Т.

Если процесс расширения пара вести не по адиабате 1-2, а по политропе 1-2¢, эквивидистантной кривой 3-4 с отводом тепла, то, осуществляя при этом регенерацию тепла, то есть обратимый переход тепла с участка 1-2¢ на участок 3-4, получим обратимый обобщенный цикл Карно, кпд которого равен кпд наивыгоднейшего обратимого цикла Карно.

Подобный регенеративный цикл можно было бы приближенно осуществить по схеме, представленной на рис. 2, которая включает три ступени турбины ПТ-I, ПТ-II, ПТ-III и две ступени регенератора Р-I и Р-II.

Рис. 2.

Пар после первой ступени ПТ-I турбины поступает на первую ступень регенератора Р-I, отдавая часть теплоты питательной воде, направляемой в водяной экономайзер. После регенератора первой ступени пар поступает во вторую ступень турбины ПТ-II. Отработав на лопатках второй ступени турбины, пар направляется во вторую ступень регенератора Р-II, где отдает питательной воде еще одну часть теплоты. Затем пар поступает в третью ступень турбины и после нее — в конденсатор К.

Соответствующий этой схеме регенеративный цикл изображен на рис. 3. Рассмотрим процессы цикла. ¾ адиабатное расширение пара на лопатках первой ступени турбины; ¾ изотермический отвод теплоты от пара к питательной воде в регенераторе первой ступени; ¾ адиабатное расширение пара на лопатках второй ступени турбины; ¾ изотермический отвод теплоты от пара во второй ступени регенератора; ¾ адиабатное расширение пара на лопатках третьей ступени турбины; ¾ конденсация пара в конденсаторе; 3-4 — подогрев питательной воды в регенераторах, водяном экономайзере и котле; - превращение воды в пар в котле ПК.

Рис. 3.

С увеличением числа ступеней турбины и регенератора ломаная линия будет приближаться к прямой линии, эквидистантной линии 3-4, а в целом цикл будет приближаться к обобщенному термодинамическому циклу Карно. Однако на практике из-за конструктивных и эксплуатационных трудностей подобная схема регенерации не применяется. В частности, влажность пара ( ) в точке при такой схеме оказалась бы недопустимо высокой.

Регенеративный цикл, широко применяемый в ПСУ, осуществляется путем последовательного отвода из турбины части пара для регенеративного подогрева питательной воды. При таком способе состояние оставшегося основного потока пара в турбине остается таким же, как и в цикле без регенерации.

Различают две основные схемы регенеративного подогрева:

Смешивающая (содержит в качестве регенераторов подогреватели смешивающего типа).

Каскадная (содержит поверхностные подогреватели).

Простейшая смешивающая схема регенеративного подогрева питательной воды с двумя отборами пара из турбины и соответствующий ей цикл в is - диаграмме выглядят следующим образом (рис. 4, 5). Участок m - n -2 изображен условно, т.к. здесь расширяется не весь поступивший в турбину пар.

Работа цикла l равна работе 1 кг пара при полном его расширении за минусом недовыработанной работы g ₁ и g ₂ кг пара, ушедшего в отборы:

.

Количество подведенного в цикле тепла , где - энтальпия, соответствующая температуре конца регенеративного подогрева t _рег.

Термический кпд регенеративного цикла

.

 

Рис. 4.

56ЦИКЛЫ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК. Бинарный цикл

В парогазовых установках используют два рабочих тела - горячий газ (продукты сгорания топлива) в газотурбинных двигателях и водяной пар в паровых турбинах. Эти установки являются типичными бинарными установ­ками с коэффициентом заполнения, приближающимся к единице. Под коэф­фициентом заполнения в данном случае понимается отношение площади данного цикла в Ts- диаграмме к площади цикла Карно, выполняемого в том же интервале температур.

Применение парогазовых циклов позволяет значительно повысить кпд установки и снизить капитальные затраты на ее содержание. Важнейшим фактором повышения кпд является использование продуктов сгорания топ­лива как рабочего тела в области высоких температур (в газовой турбине) и водяного пара в области низких температур (в паровой турбине).

Идеальный парогазовый цикл, в котором температуры рабочих тел при подводе и отводе теплоты постоянны и равны температурам соответствую­щих теплоисточников изображен на рис. 11.21.

Этот цикл соответствует обратному циклу Карно. Здесь площадь 1-2-5-4-1 изображает количество полезной теплоты, используемой в газовой части цикла, а площадь 3-4-5 - количество теплоты паровой части. В процес­се 4-5 происходит передача теплоты от газовой части к паровой. Например, при температурах t1=800°C и t₂^=:10⁰С термический кпд цикла Карно _t = 0,74. Однако в реальных условиях цикл Карно неосуществим и можно создать ус­тановки лишь в той или иной степени приближающиеся к этому циклу.

Существуют две основных схемы парогазовых установок. В первом типе установок газообразные продукты сгорания и водяные пары смешиваются друг с другом и затем поступают в турбину.

Во втором типе рабочие тела, каждое в отдельности, направляются соот­ветственно в газовую и паровую части установки.

Схема парогазовой установки с раздельными потоками продуктов сгора­ния и водяного пара представлена на рис. 11.22. На этом рисунке; 1-парогенератор; 2-пароперегреватель; 3-паровая турбина; 4 -электрический генератор, соединенный с паровой турбиной; 5-конденсатор; б-питательный насос; 7-газоводяной подогреватель; 8-компрессор для подачи сжатого воз­духа в парогенератор; 9-газовая турбина; 10-электрогенератор, соединенный с газовой турбиной.

Рис. 11.22

В этой установке воздух после сжатия в компрессоре подается в высоко­напорный парогенератор, работающий на газовом или жидком топливе при постоянном давлении. Теплота продуктов сгорания частично расходуется на парообразование и перегрев пара в парогенераторе. Продукты сгорания с по­ниженной температурой направляются в газовую турбину и после нее в газо­водяной подогреватель для подогрева питательной воды, направляемой в па­рогенератор.

Цикл такой установки в t-s-диаграмме изображен на рис. 11 23.

Здесь 1-2-3-4-5-6-1 - пароводяной цикл и 1^’-2'-3'-4' - газовый. Количество теплоты, подведенное в парогенераторе, изображается площадью а-4'-5'-е-а. Из этого количества теплоты в паровой части подводится теплота, численно равная площади с-1'-5'-е-с, и в газовой части - а-4'-1'-с-а. В процессе 4 -5 происходит передача теплоты от газов к питательной воде в газоводяном по­догревателе (регенеративный подогрев).

Рис. 11.23

Удельная полезная работа пароводяного цикла

И газового цикла

Где соответственно относительные внутренние кпд паровой турбины, газовой турбины, насоса и компрессора.

Удельное количество теплоты, полученное обоими рабочими телами в теоретическом цикле

Отсюда термический кпд парогазового цикла будет

Эффективными парогазовыми установками являются установки со сбро­сом уходящих газов газовых турбин в парогенераторы. Применение в этом случае паровой и газовой регенерации значительно повышает кпд всей уста­новки, который может достигать значений 0,4 - 0,45.

БИНАРНЫЕ (ДВОЙНЫЕ) ЦИКЛЫ

В бинарных циклах в качестве рабочих используются два тела вместо од­ного. Применение двух рабочих тел обосновывается тем, что пар воды как рабочее тело вместе с положительными имеет и отрицательные свойства, ко­торые наиболее проявляются в области высоких температур.

Для выяснения причин плохого использования верхнего температурного предела в паросиловых установках рассмотрим цикл Ренкина 123451 в Ts- координатах (рис. 11.18), который протекает в интервале температур Т₁–Т₂. Работа l_ц 1 кг пара в цикле численно равна площади 123451. В цикле Карно 1234 '1 для того же перепада температур работа l_ц^k определяется площадью 1234'l, которая значительно больше, чем площадь 123451. Степень прибли­жения цикла Ренкина к циклу Карно характеризуется коэффициентом заполняемости

Рис. 11.18

Чем больше к_з тем выше термодинамическое совершенство цикла. Применение бинарных циклов позволяет существенно увеличить к₃.

Недостатки водяного пара как рабочего тела заключаются в том, что вода при сравнительно невысокой критической температуре (t_K - 374,15 °С) имеет высокое критическое давление (22,115 МПа). В связи с чем для повышения кпд цикла Ренкина приходится повышать начальную температуру пара, ко­торая в сочетании с высоким давлением неблагоприятно влияет на материал оборудования тепловой станции.

 

Если бы удалось найти рабочее тело с более высокой критической темпе­ратурой, чем у воды, при достаточно низком критическим давлении, то кпд цикла Ренкина можно было бы повысить. В то же время это рабочее тело должно иметь низкую температуру насыщения при низких давлениях, близ­кую к температуре охлаждающей воды. Кроме того, жидкость должна иметь малую теплоемкость, а перегретый пар жидкости - большую теплоемкость.

В природе до сих пор не найдено рабочего тела с такими свойствами. На­пример, вода удовлетворяет лишь одному из этих свойств - температура на­сыщения при малых давлениях (при давлениях вакуума в конденсаторе) дос­таточно мала и незначительно отличается от температуры охлаждающей воды. В связи с чем теплообмен в конденсаторе протекает при небольшой разности температур между паром и охлаждающей водой.

Для того чтобы приблизиться к тем условиям протекания процессов а ПСУ, которые должны выполняться при использовании рабочего тела с пе­речисленными выше положительными свойствами, был создан цикл с двумя рабочими телами. В таком цикле одно из рабочих тел имеет высокую крити­ческую температуру при достаточно низком давлении насыщения. Оно ис­пользуется в цикле, реализуемом в области высоких температур. Второе ра­бочее тело должно иметь низкую температуру насыщения, сопоставимую с температурой окружающей среды при давлениях вакуума (давление в кон­денсаторе).

В качестве первого рабочего тела используется ртуть. В области низких температур в качестве рабочего тела используется вода.

Принципиальная схема ртутно-водяной бинарной установки представлена на рис. 11.19. На рисунке введены следующие обозначения: РК - ртутный котел; ПП - пароперегреватель водяного пара; РТ - ртутная турбина; КИ -конденсатор-испаритель; ПТ - паровая турбина; КВП - конденсатор водяно пара; H1, H2 - насосы ртутный и водяной соответственно.

Цикл бинарной установки в Гл-координатах представлена на рис. 11.20.

Рассмотрим процессы цикла: 1-2 - адиабатный процесс расширения водяного пара на лопатках паровой турбины; 2-3 - конденсация пара в конденсаторе водяного пара; 3-4 - процесс сжатия воды в насосе Н2 и подогрев водь, до температуры кипения в конденсаторе ртутного пара; 4-5 - кипение воды в конденсаторе-испарителе; 5-1 - перегрев водяного пара в пароперегревателе ПП от теплоты уходящих из ртутного котла газов.

Выше был рассмотрен пароводяной цикл. Рассмотрим ртутный 6789. Процесс 6-7 - адиабатное расширение ртутного пара на лопатках ртутной турбины; 7-8 - конденсация пара в конденсаторе-испарителе; 8-9 - сжатие жидкой ртути в насосе HI и подогрев ее до температуры кипения в ртутном котле; 9-6 - парообразование в ртутном котле.

Так как энтальпия ртутного пара значительно меньше энтальпии водяно­го пара, то за одинаковые отрезки времени через конденсатор-испаритель должно пройти водяного пара в 10-12 раз меньше, чем ртутного. В связи с чем, на Ts -диаграмме цикл 123451 выполнен для 1 кг водяного пара, а цикл 6789 для М кг ртутного пара.

Вводится понятие кратности циркуляции ртути т, которая равна отноше­нию массы ртути к массе воды в цикле. Она может быть найдена также из теплового баланса конденсатора-испарителя

m=

Термический кпд бинарного цикла находится по формуле

где - работа М кг ртутного пара; - работа 1 кг водяного пара; Q 1 - коли­чество теплоты, подведенной в ртутном котле.

Термический кпд бинарного цикла достигает 0,8-0,85 от значения кпд цикла Карно, работающего в тех же температурных пределах.

Для повышения кпд бинарной установки можно применять регенератив­ный подогрев питательной воды. Термический кпд бинарного цикла при t₆ =500° С и t₂ =30° С составляет КПД с индексом t= 0,57.

 

⇐ Предыдущая1234

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: