Методика расчета цикла простой ПТУ

ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

 

Паровые тепловые машины были первыми тепловыми двигателями, монопольно обеспечившими развитие промышленности XVIII века.Все это были поршневые паровые машины.

Паровая поршневая машина имеет ограничение по мощности, поскольку мощность поршневой машины пропорциональна объему ее цилиндра. Первая паровая турбина появилась в Англии в 1885 году, это была турбина Персонса мощностью в 6 лошадиных сил (4,5 кВт). Данный тип двигателя оказался настолько удачен, что успешно используется человеком в большой и малой энергетике уже третий век. Мощность паротурбинного двигателя не имеет технического ограничения, связанного с его размерами. Уже в 1913 году была построена в Англии паровая турбина в 34000 л.с. (25000 кВт). В Р. паровая турбина построена в 1904 году на Петербур. Современные энергетические паровые турбины достигают мощности 3000 МВт. Рассмотрим и проанализируем термодинамическую эффективность современных циклов паротурбинных установок (ПТУ).

 

Анализ возможности практической реализации цикла Карно в области влажного насыщенного водяного пара

 

Паротурбинный цикл Карно (схема установки на рис. 7.1) теоретически можно реализовать в области влажного насыщенного пара. В этой области изотермы водяного пара одновременно являются изобарами (рис. 7.2). Значение нижней температуры Т₂ в цикле ПТУ близко к температуре окружающей среды (Т₂=Т_ос) поскольку охлаждение рабочего тела в ПТУ осуществляется водой рек, прудов охладителей и т.п. Следовательно термический КПД данного цикла в основном определяется температурой горячего источника теплоты Т₁.

.

Максимальное значение Т₁=Т_кр, т.к. при больших значениях Т₁ практически осуществить изотермический подвод теплоты к водяному пару технически очень сложно.

При критическом значении температуры Т₁=646 К и Т₂=293 К КПД цикла Карно равен 54,7%. Это большое значение КПД, по сравнению с современными ПТУ. Однако в этом случае получается парадокс – при большом КПД работа цикла равна нулю, а цикл Карно в Т,s- диаграмме вырождается в вертикальную прямую. В таком цикле работа расширения пара в турбине равна работе сжатия пара в компрессоре и КПД цикла не может отражать его экономичность. При меньших значениях температуры Т₁<Т_кр работа цикла Карно больше нуля, однако и в этом случае имеется ограничение по температуре Т₁, вызванное необходимостью иметь влажность пара на выходе из паровой турбины не более 12 % (х_к.доп=0,88). При больших влажностях пара происходит быстрое разрушение последних ступеней турбины. Если выполнить это ограничение по Т₁=Т_1доп, КПД цикла Карно будет иметь значение 24 %. Это очень низкое значение КПД для современных энергетических установок. Однако практическая реализация и такого цикла Карно в области влажного пара невозможна по причине сложности технической реализации адиабатного сжатия пара в компрессоре с одновременным фазовым переходом пара в жидкость. При переходе пара в жидкость в таком процессе происходит резкое уменьшение объема воды, что приведет к гидравлическим ударам в компрессоре и его разрушению.

Исходя из вышеприведенного анализа следует, что практическая реализация цикла Карно в области влажного насыщенного пара технически невозможна и нецелесообразна.

 

Цикл ПТУ на перегретом паре и сжатии рабочего тела

В области жидкости

 

Проблемы практической реализации цикла ПТУ были решены в пятидесятых годах XIX века Шотладским инженером У.Ренкиным и немецким ученым Р.Клаузиусом. Они предложили цикл ПТУ на перегретом водяном паре и сжатии рабочего тела в жидкой фазе. Схема такой ПТУ представлена на рис.7.3, а ее цикл в P,v-, T,s- и h,s- диаграммах представлены на рис.7.4, 7.5, 7.6. Сжатие рабочего тела в жидкой фазе позволило не только избежать проблем, связанных со сжатием паровой фазы воды (см. разд. 7.1), но и значительно снизить затраты работы на привод насоса по сравнению с затратами на привод парового компрессора. Использование перегретого пара в этом цикле ПТУ сместило процесс паровой турбины в область допустимой конечной влажности пара. В результате этих нововведений практическая реализация такого цикла стала технически осуществима.

Термический КПД такой ПТУ, естественно, меньше термического КПД цикла Карно при Т₁=Т_о и Т₂=Т_ос, поскольку температуры холодных источников теплоты у обоих циклов одинаковы и близки к температуре окружающей среды, а средне-термодинамическая температура подвода теплоты к рабочему телу у цикла Ренкина намного меньше Т_о. Однако если сравнить КПД аналогичных необратимых циклов, то окажется, что внутренний абсолютный КПД цикла Ренкина будет больше, чем внутренний абсолютный КПД цикла Карно. Такой неожиданный результат сравнения КПД объясняется тем, что влияние необратимости в процессе адиабатного сжатия воды в цикле Карно значительно больше, чем в цикле Ренкина. Например, при Т₁=Т_о=673 К и Т₂=Т_ос=305 К h_t^к=0,547>h_t^р=0,41, а h_oi^к=0,01<h_oi^р=0,364, при этом затраты работ на привод насосов соответствующих циклов составят: l_н^к=1200 кДж/кг и l_нi^к=1510 кДж/кг, l_н^р=10 кДж/кг и l_нi^р=12,5 кДж/кг.

Назначение основных элементов ПТУ (рис.7.3) следующее:

· Паровой котел ПК – предназначен для изобарного подвода теплоты к рабочему телу (вода) за счет охлаждения продуктов сгорания органического топлива;

· Паровая турбина ПТ – предназначена для преобразования тепловой энергии в техническую работу, что достигается последовательным преобразованием работы изменения давления в потоке в кинетическую энергию потка в сопловых каналах турбины, а на рабочих лопатках турбины кинетическая и тепловая энергия потока преобразуется в механическую работу вращения вала турбины;

· Конденсатор паровой турбины К – предназначен для изобарного отвода теплоты от рабочего тела во внешнюю среду посредством циркулирующей по трубам воды, взятой из внешнего водоема. В результате конденсации пара в конденсаторе турбины удельный объем рабочего тела значительно уменьшается и создается вакуум, что и позволяет получить техническую работу (работу изменения давления в потоке) в турбине за счет наличия разности давлений потока на входе и выходе из турбины;

· Питательный насос Н – предназначен для создания необходимого давления рабочего тела в паровом котле и для транспорта его по контуру ПТУ. На привод питательного насоса затрачивается техническая работа.

На рис.7.3 паровой котел представлен в виде трех основных элементов подвода теплоты к рабочему телу: экономайзера, здесь вода нагревается до состояния насыщения, испарительной поверхности, где вода переводится из жидкой фазы в паровую в состоянии насыщения, и пароперегревателя, здесь получается пар с температурой выше температуры насыщения.

В данной схеме ПТУ изображение всех элементов ПК выполнено в целях наглядного показа распределения теплоты, подведенной к рабочему телу, между ЭК, ИСП и ПП. В дальнейшем на схемах ПТУ экономайзер изображаться не будет, а сама такая ПТУ будет называться простой ПТУ (современные ПТУ имеют более сложную схему, о чем будет сказано в последующих разделах).

Основные параметры, характеризующие простой цикл ПТУ, имеют обозначения: Р_о и t_o – давление и температура пара перед турбиной, Р_к – давление в конденсаторе турбины. Эти три параметра определяют конфигурацию цикла ПТУ.

Цикл простой ПТУ состоит из четырех процессов: 12 – адиабатное расширение пара в турбине; 23 – изобарный отвод теплоты от рабочего тела в конденсаторе турбины, в результате чего пар превращается в жидкость в состоянии насыщения; 34 – адиабатное сжатие воды в насосе от Р_к до Р_о; 41 – изобарный подвод теплоты к рабочему телу в паровом котле от t_пв до t_o.

Для обратимого цикла ПТУ адиабатные процессы 12 и 34 есть изоэнтропы, которые в T,s- и h,s- диаграммах представлены вертикальными прямыми. Обратимый процесс адиабатного сжатия воды в насосе 12 благодаря несжимаемости жидкой фазы воды (v_к’=v_o) одновременно является изохорным, который в P,v- диаграмме представлен вертикальной прямой (рис.7.4).

В цикле ПТУ приняты следующие обозначения энтальпий: h_о – энтальпия пара перед турбиной; h_к - энтальпии пара на выходе из турбины при обратимом процессе его расширения; ct_к’ – энтальпия воды в состоянии насыщения на выходе из конденсатора; ct_пв – энтальпия в конце обратимого процесса сжатия воды в насосе. Введение обозначения “ct” для энтальпии жидкой фазы воды сделано теплоэнергетиками в цельях отличия энтальпии жидкой фазы воды от паровой. Индекс “пв” относится к параметрам воды на входе в паровой котел, в теплоэнергетике такая вода называется питательной.

 

Методика расчета цикла простой ПТУ

123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: