 |
Циклы паротурбинных установок. Цикл ренкина
|
|
|
|
Лекция 5
ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК. ЦИКЛ РЕНКИНА
Цикл Карно насыщенного пара можно было бы осуществить следующим образом (рисунок 4. 1). Теплота от горячего источника подводится при постоянной температуре Т1 по линии 5-1, в результате чего вода с параметрами точки 5 превращается в сухой насыщенный пар с параметрами точки 1. Пар адиабатно расширяется в турбине до температуры Т2, совершая техническую работу и превращаясь во влажный пар с параметрами точки 2.
Рисунок 4. 1. Циклы Карно и Ренкина насыщенного водяного пара в Т, S-диаграмме
Влажный пар поступает в конденсатор, где отдает теплоту холодному источнику (холодной воде), в результате чего его степень сухости уменьшается от X2 до X2´. Влажный пар с параметрами точки 2´ сжимается в компрессоре по линии 2/ –5, превращаясь в воду с температурой кипения.
На практике этот цикл не осуществляется, потому что на привод ком-прессора затрачивалась бы большая часть мощности, вырабатываемой турби-ной. Значительно удобнее и экономичнее в реальном цикле конденсировать пар до конца по линии 2-3, а затем наcосом увеличивать давление воды от Р2 до Р1 по линии 3-4. Поскольку вода несжимаема, точки 3 и 4 почти совпадают и затрачиваемая на привод насоса мощность оказывается ничтожной по сравнению с мощностью турбины (несколько процентов).
Такой цикл был предложен шотландским инженером У. Ренкиным в 50-х годах XIX века.
Схема теплосиловой установки, в которой осуществляется этот цикл, представлена на рисунке 4. 2 (на этой схеме показана также возможность пере-грева пара в пароперегревателе 6-1, которая в цикле насыщенного пара не реа-лизуется).
|
|
|
Рисунок 4. 2. Схема паросиловой установки: ПК - паровой котел; Т-паровая турбина; ЭГ- электрогенератор; К- конденсатор; Н - насос
Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор К, где конденсируется по линии 2-3, отдавая теплоту конденсации холодному источнику (охлаждающей воде). Конденсат забирается насосом Н и подается снова в котел (линия 3, 4 на рисунке 4. 1).
К сожалению, цикл насыщенного водяного пара обладает весьма низким КПД из-за невысокой температуры насыщения (Т1 ). На практике широко применяется регенеративный подогрев воды, который позволяет существенно увеличить КПД реального цикла. Цикл Ренкина насыщенного пара (регенеративный) применяется в основном в атомной энергетике, где перегрев пара выше температуры насыщения связан с определенными трудностями.
В паросиловой установке, работающей по регенеративному циклу, часть пара отбирается в середине рабочего процесса турбины и направляется в специальный теплообменник, где смешивается с конденсатом и таким образом повышает температуру смеси, подаваемой в котел.
Рисунок 4. 3. Цикл Ренкина на перегретом паре:
а – в Р, - диаграмме; б – в Т, s – диаграмме
Термический КПД паросиловой установки возрастает с увеличением температуры пара перед турбиной. Повышение параметров пара определяется уровнем развития металлургии, поставляющей металлы для котлов и турбин. Между тем металлы, которыми располагает современное машиностроение, позволяют перегревать пар до 550 – 600 оС. Это позволяет повысить термический КПД процесса.
Если точка 1 будет находиться значительно правее, в области перегретого пара, то цикл приобретет вид в Р, и Т, s- диаграмме (рисунок 4. 3), он называется циклом Ренкина на перегретом паре. Максимальная температура цикла ограничена. Этот цикл отличается от цикла Ренкина насыщенного пара (рисунок 4. 1) только наличием дополнительного перегрева по линии 6-1. Он осуществляется в пароперегревателе, являющемся элементом парового котла.
|
|
|
Максимальная температура цикла ограничена стойкостью паропровода, по которому пар поступает от парового котла в турбину. Благодаря примене-нию низколегированных сталей стало возможно получение пара с температу-рой 535-565 оС, а применение сталей высоколегированных дает возможность получить пар с температурой 600-650 оС.
Перегрев пара увеличивает КПД цикла. Суммарный КПД цикла составля-ет 40%, без перегрева пара – 38%. Перегрев пара не только увеличивает терми-ческий КПД, но также помогает бороться с паровой эрозией - основной про-блемой эксплуатации паровых турбин.
Пароводяная смесь в хвостовой части турбины обладает сильным эрозий-ным свойством, что вызывает разрушение лопаток и трубопроводов. Одновре-менно с повышением температуры перегрева пара необходимо повышать и его давление перед турбиной, чтобы поддерживать влажность выходящего из тур-бины пара в заданных пределах.
Пар, частично расширившийся в турбине, возвращают в котел и снова перегревают (уже при меньшем давлении), осуществляя так называемый вто-ричный (а иногда и третичный) регенеративный подогрев. Одновременно это повышает термический КПД.
Термический КПД цикла Ренкина, естественно, меньше t цикла Карно при тех же температурах Т1 и Т2, поскольку средняя температура подвода теп-лоты уменьшается при неизменной теплоте отвода.
Перегрев пара дает возможность уменьшить потери при передаче тепло-ты от продуктов сгорания к рабочему телу и тем самым увеличить эффектив-ность цикла. Кроме того, перегрев пара уменьшает потери на трение при его те-чении в проточной части турбины. Все без исключения тепловые электрические станции на органическом топливе работают сейчас на перегретом паре, а иногда пар на станции перегревают дважды и даже трижды.
Итак, для прохождения цикла паросиловой установки необходимо сооб-щить воде тепло, получить из нее перегретый пар (этот процесс совершается в паровом котле при постоянном давлении), затем, за счет расширения получен-ного пара в паровом двигателе (паровой турбине), получить механическую ра-боту и далее отвести тепло к холодному источнику – конденсатору, где отрабо-танный пар охлаждается холодной водой, превращаясь в конденсат. Круговой
|
|
|
процесс замыкается при сжатии конденсата с помощью насоса до давления в котле.
В отличие от цикла Карно, в идеальном цикле Ренкина подвод тепла от источника и отвод тепла происходит не при постоянной температуре, а при постоянном давлении (p = const). Второй особенностью цикла Ренкина является то, что в процессе отвода тепла от теплоносителя его состояние доводится до полной конденсации в жидкость.
Термический КПД цикла Ренкина повышается с увеличением давления и температуры пара (р1и Т1) перед турбиной и с уменьшением давления за турби-
ной (р2).
Чем выше температура пара, поступающего из котла в турбину, тем меньше влажность отработанного пара. Однако повышение начальной температуры пара лимитируется качеством современных сталей и другими конструктивными факторами. В связи с этим в паросиловых установках высокого давления применяется так называемый промежуточный перегрев пара, происходящий обычно в том же котельном агрегате. Промежуточный перегрев дает возможность заметно улучшить термический КПД парового цикла и повысить срок службы последних ступеней паровых турбин.
Экономичность современных паросиловых установок можно повысить путем подогрева питательной воды за счет частично отработавшего пара, отби-раемого из турбины. Этот процесс, называемый регенеративным, позволяет снизить потери тепла с отработавшим паром.
|
|
|
