 |
Циклы паросиловых установок. Паросиловая установка. Цикл Ренкина
|
|
|
|
Циклы паросиловых установок
Паросиловая установка. Цикл Ренкина
В паросиловых установках в качестве рабочего тела используются пары различных жидкостей (вода, ртуть и т. п. ), но чаще всего водяной пар.
В паровом котле паросиловой установки (1) за счет подвода теплоты Q1, получаемой за счет сгорания топлива в топке, образуется пар при постоянном давлении р1 (рис. 4). В пароперегревателе (2) он дополнительно нагревается и переходит в состояние перегретого пара. Из пароперегревателя пар поступает в паровой двигатель (3) (например, в паровую турбину), где полностью или частично расширяется до давления р1 с получением полезной работы L1. Отработанный пар направляется в холодильник-конденсатор (4), где он полностью или частично конденсируется при постоянном давлении р2. Конденсация пара происходит в результате теплообмена между отработавшим паром и охлаждающей жидкостью, протекающей через холодильник-конденсатор (4).
| Рис. 4. Схема простейшей паросиловой установки |
После холодильника сконденсированный пар поступает на вход насоса (5), в котором давление жидкости повышается с величины р2 до первоначального значения р1 после чего жидкость поступает в паровой котел (1). Цикл установки замыкается. Если в холодильнике (4) происходит частичная конденсация отработавшего пара, то в паросиловой установке вместо насоса (5) используется компрессор, где давление пароводяной смеси также повышается с р2 до р1. Однако для того, чтобы уменьшить работу на сжатие, целесообразно полностью сконденсировать пар в конденсаторе и затем сжимать не пароводяную смесь, а выходящую из конденсатора воду.
Описанный цикл паросиловой установки называется циклом Ренкина (рис. 5).
|
|
|
Рис. 5. Цикл Ренкина в координатах p-v (а) и Т-s (б)
Цикл Ренкина состоит из изобары (4–1), где подводится теплота в нагревателе, адиабаты (1–2) расширения пара в паровой турбине, изобары (2–3) отвода теплоты в холодильнике-конденсаторе и изохоры (3–4) повышения давления воды в насосе. Линия (4–а) на изобаре соответствует процессу повышения температуры жидкости после насоса до температуры кипения 
при давлении р1. Участок (a–b) соответствует превращению кипящей жидкости в сухой насыщенный пар, а участок (b–1) – процессу подвода теплоты в пароперегревателе для превращения сухого насыщенного пара в перегретый.
Работа, совершаемая паром в турбине, равна разности энтальпий пара до и после турбины
. (9)
Работа, затраченная на сжатие воды в насосе, определяется так же по разности энтальпии рабочего тела в точках (4) и (3).
В координатах р-v эта работа определяется площадью e-3-4-f (рис. 5a). Эта работа весьма мала по сравнению с работой турбины.
Полезная работа цикла равна работе турбины за вычетом работы, затрачиваемой на привод насоса wН
. (10)
Удельное количество теплоты q1, подведенной в котле и пароперегревателе, определяется из первого начала термодинамики (работа при этом не совершается) как разность энтальпий рабочего тела в процессе подвода теплоты
, , (11)
где h4 – энтальпия горячей воды на входе в паровой котел при давлении р2 практически равна по величине энтальпии кипящей воды в точке (3),
т. е. h4 @ h3.
Сопоставляя соотношения, можно определить термический КПД цикла Ренкина как отношение полезно полученной работы в цикле к количеству подведенной теплоты
|
|
|
. (12)
Другая важная характеристика паросиловой установки – удельный расход пара d, который характеризует количество пара, необходимого для выработки 1 кВт·ч энергии (3600 Дж), и измеряется в 
.
Удельный расход пара в цикле Ренкина равен
. (13)
Удельный расход пара определяет размеры агрегатов: чем он больше, тем больше пара приходится вырабатывать для получения той же мощности.
Пути повышения экономичности паросиловых установок
Термический КПД цикла Ренкина даже в установках с высокими параметрами пара не превышает 50 %. В реальных установках из-за наличия внутренних потерь в двигателе значение КПД еще меньше.
Существуют два пути повышения экономичности паросиловых установок: повышение параметров пара перед турбиной и усложнение схем паросиловых установок.
Эффективность использования паросиловой установки можно значительно повысить за счет использования теплоты отработавшего пара для отопления, горячего водоснабжения, сушки материалов и т. д. С этой целью охлаждающую воду, нагретую в конденсаторе (4) (рис. 6), не выбрасывают в водоем, а прокачивают через отопительные установки теплового потребителя (6).
В таких установках станция вырабатывает механическую энергию в виде полезной работы L1 на валу турбины (3) и теплоту Qт. п для отопления. Такие станции называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии – один из основных методов повышения эффективности тепловых установок.
Повысить КПД паросиловой установки по сравнению с циклом Ренкина можно за счет применения так называемого регенеративного цикла
(рис. 7). В этой схеме питательная вода, поступающая в котел (1), нагревается паром, частично отбираемым из турбины (3). По этой схеме пар, полученный в котле (1)и перегретый в пароперегревателе (2), направляется в турбину (3), где происходит его расширение до давления в конденсаторе (4). Однако часть пара после совершения им работы из турбины и направляется в регенеративный подогреватель (6), где в результате конденсации он подогревает питательную воду, подаваемую насосом (5) в котел (1).
| Рис. 6. Схема установки для совместной выработки механической энергии и теплоты |
| Рис. 7. Схема паросиловой установки с регенеративным подогревом питательной воды |
|
|
|
1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина;
4 – конденсатор; 5 – питательный насос; 6 – тепловой потребитель
Первое направление приводит к увеличению теплоперепада в процессе расширения пара на турбине (h1 - h2) и, как следствие, к увеличению удельной работы и КПД цикла. При этом теплоперепад по турбине h1-h2 можно дополнительно увеличить, снижая противодавление в конденсаторе установки, т. е. уменьшая давление р2. Повышение экономичности паросиловых установок этим путем связано с решением ряда трудных технических задач, в частности, использования высоколегированных, жаропрочных материалов для изготовления турбины.
Сам конденсат после регенеративного подогревателя поступает на вход насоса (5) или в конденсатор 4, где он смешивается с конденсатом пара, прошедшего через все ступени турбины. Таким образом, в котел поступает такое же количество питательной воды, какое и выходит из него в виде пара. Из диаграмм (рис. 8) видно, что каждый килограмм пара, входящий в турбину, расширяется от давления р1 до давления р2, совершая работу w1=h1-h2. Пар в количестве (1 - g) долей килограмма расширяется до конечного давления p3, совершая работу w2=h2-h3. Суммарная работа 1 кг пара в регенеративном цикле будет
, (14)
где 
– доля пара отбираемого из турбины и подаваемого в регенератор.
Рис. 8. График адиабатного расширения пара в турбине с промежуточным отбором (а) и изменения количества пара (б)
Уравнение показывает, что использование регенерации теплоты приводит к уменьшению удельной работы расширения по сравнению с циклом Ренкина с теми же параметрами пара. Однако расчеты показывают, что работа в регенеративном цикле уменьшается медленнее, чем расход теплоты на получение пара при наличии регенерации, поэтому КПД паросиловой установки с регенеративным подогревом в итоге выше КПД обычного цикла.
Применение пара высоких и сверхвысоких давлений с целью повышения КПД установок наталкивается на серьезное затруднение: влажность его на последних ступенях турбины получается настолько высокой, что заметно снижает КПД турбины, вызывает эрозию лопаток, может служить причиной выхода их из строя. Поэтому в установках с высокими параметрами пара приходится применять так называемый промежуточный перегрев пара, что также ведет к повышению КПД установки (рис. 9).
|
|
|
Рис. 9. Схема паросиловой установки с промежуточным перегревом пара:
1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина высокого давления (ТВД); 4 – турбина низкого давления (ТНД); 5 – конденсатор; 6 – питательный насос; 7 – промежуточный пароперегреватель; 8 – потребитель
В паросиловой установке с промежуточным перегревом пара, после расширения в турбине высокого давления (3)пар отводится в специальный пароперегреватель (7), где он вторично подогревается при давлении ррп до температуры 
, которая обычно несколько ниже, чем температура t1. Перегретый пар поступает в турбину низкого давления (4), расширяется в ней до конечного давления р2 и уходит в конденсатор (5) (рис. 10).
Рис. 10. Процесс расширения пара в установке с промежуточным перегревом
Влажность пара после турбины при наличии перегрева пара значительно меньше, чем она была бы без него (x1> x2) (рис. 18). Применение промежуточного перегрева в реальных условиях дает повышение КПД приблизительно на 4 %. Этот выигрыш получается не только за счет повышения относительного КПД турбины низкого давления, но и за счет повышения суммарной работы расширения пара по турбине низкого и высокого давлений. Дело в том, что сумма отрезков 
и 
, характеризующих работу соответственно турбин высокого и низкого давлений, больше отрезка 1 – e, характеризующего работу расширения в турбине установки, в которой не применяется промежуточного перегрева пара.
|
|
|
