Циклы основных тепловых машин и установок

Цикл паросиловой установки — цикл Ренкина

Общие положения. На современных тепловых электростанциях большой мощности превращение теплоты в работу производится в циклах, в которых в качестве основного рабочего тела используется водяной пар высокого давления и температуры. Водяной пар производят в парогенераторах (паровых котлах), в топках которых сжигают различные виды органического топлива: уголь, мазут, газ и др.

Термодинамический цикл преобразования теплоты в работу с помощью водяного пара был предложен в середине XIX в. инженером и физиком У. Ренкиным. Принципиальная тепловая схема электростанции, работающая по циклу Ренкина, показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Принципиальная тепловая схема ТЭС, работающая по циклу Ренкина:

1 — парогенератор; 2 — турбина; 3 — электрогенератор; 4 — конденсатор; 5 — насос Вода нагнетается в парогенератор 1 насосом 5 и за счет теплоты сжигаемого топлива превращается в водяной пар, который затем поступает в турбину 2, вращающую электрогенератор 3. Тепловая энергия пара преобразуется в турбине в механическую работу, которая, в свою очередь, преобразуется в генераторе в электроэнергию. Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор 4. В конденсаторе пар превращается в воду (конденсируется), которая с помощью насоса 5 вновь подается в парогенератор. Таким образом цикл замыкается.

На рис. 2.2 показан цикл Ренкина на перегретом паре в р, v- и Т, 5-диаграммах, состоящий из следующих процессов:

изобара 4—5—6—] — нагрев, испарение воды и перегрев пара в парогенераторе за счет подводимой теплоты сгорания топлива.

Рис. 2.2. Цикл Ренкина на перегретом паре: а — в р, v-диаграмме; б — в Т, s-диаграмме адиабата 1—2 — расширение пара в турбине с совершением полезной внешней работы II;

изобара 2—3 — конденсация отработанного пара с отводом теплоты <7₂ охлаждающей водой;

адиабата 3—4 — сжатие конденсата питательным насосом до первоначального давления в парогенераторе с затратой подводимой извне работы /_а^н.

В соответствии со вторым законом термодинамики полезная работа за цикл равна разности подведенной и отведенной в цикле теплоты:

Термический КПД цикла Ренкина определяется, как обычно, по уравнению.

Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что его эффективность в большой степени зависит от величин начальных и конечных параметров пара (давления и температуры).

Как уже отмечалось ранее, энергию пара (рабочего тела) при изменении его состояния удобно оценивать величиной энтальпии. Так, количество теплоты, подводимой в изобарном процессе 4—5—6—1 (см. рис. 2.2) при нагреве воды, парообразовании и перегреве (Дж/кг), q_x = /₍ — i₂, где i₂ — энтальпия конденсата, подаваемого в котел. Количество теплоты, отдаваемой в изобарном процессе 2—3 при конденсации пара, q₂ = i₂ — i₂. Полезная работа, совершаемая в турбине.

Термический КПД цикла Ренкина в этом случае.

Количество пара, которое требуется пропустить через турбину, чтобы получить 1 кВт ч (3600 Дж) энергии, т. е. теоретический удельный расход пара.

Тогда полный расход пара при мощности N (кВт) можно определить по формуле.

Исследование выражений (2.1) и (2.2) показывает, что ц, увеличивается, a d уменьшается с увеличением /, и уменьшением /₂, т. е. с увеличением начальных параметров пара р_х и /, и уменьшением конечных р₂ и t₂. Конечные параметры пара связаны между собой, так как пар в этой области влажный, поэтому уменьшение их сводится к уменьшению р₂, т. е. давления в конденсаторе.

Увеличение /, ограничивается жаропрочностью материалов, увеличение д, — допустимой степенью влажности пара в конце расширения. Повышенная влажность (х > 0,80…0,86) приводит к эрозии деталей турбины.

В настоящее время на электростанциях в основном используются следующие параметры пара: д, = 23,5 МПа (240 кгс/см²) и t_x = 565 °C. На опытных установках применяются и сверхкритические параметры: р_х = 29,4 МПа (300 кгс/см²) и /| = 600…650°С.

Понижение давления в конденсаторе ниже значения р₂ = 3,5… 4 кПа (0,035…0,040 кгс/м²), чему соответствует температура насыщения 1₂ = 26,2…28,6°С, ограничивается прежде всего температурой охлаждающей воды /_охл, колеблющейся в зависимости от климатических условий от 0 до 30 °C. При малой разности 1₂ — /_охл интенсивность теплообмена падает, а размеры конденсатора растут. Кроме того, с понижением р₂ становится все большим удельный объем пара, что ведет к увеличению размера конденсатора, а также последних ступеней турбины. На рис. 2.3 и 2.4 графически показан характер влияния повышения д, и /| и понижения р_г на термический КПД.

Регенеративный цикл. Для повышения экономичности работы паротурбинных установок, помимо повышения параметров пара, применяют так называемый регенеративный цикл, в котором питательная вода до ее поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагреву паром, отбираемым из промежуточных ступеней паровой турбины. На рис. 2.5 представлена принципиальная схема паросиловой установки с регенеративным подогревом питательной воды, где а.|, а₂ и а₃ — доли отбираемого пара из турбины. Изображение в Г, 5-диаграмме носит условный характер, так как количество пара (рабочего тела) меняется по длине проточной части турбины, а диаграмма строится для постоянного количества.

Рис. 2.3. Влияние повышения начальных давлений и температуры пара на экономичность цикла Ренкина.

Следует отметить, что поскольку питательной воде передается теплота отобранного пара, включая теплоту парообразования, а при получении работы используется лишь часть теплоты пара, не включающая теплоту парообразования, то потеря работы в результате отборов будет значительно меньше, чем увеличение энтальпии питательной воды. Поэтому в целом КПД цикла возрастает. Однако возрастет и удельный расход пара, так как отобранная часть пара не полностью участвует в совершении работы и для получения заданной мощности его расход следует увеличить. Правда, это обстоятельство облегчает конструкцию последних ступеней турбин, позволяя уменьшить длину их лопаток.

Применение регенеративного подогрева позволяет при необходимости исключить экономайзер подогрева питательной воды уходящими газами, использовав теплоту уходящих газов для подогрева поступающего в топку воздуха.

Рис. 2.4. Влияние понижения давления в конденсаторе на влажность пара в конце расширения (а) и экономичность цикла Ренкина (б).

Рис. 2.5. Регенеративный подогрев питательной воды в цикле Ренкина:

а — схема установки: 1 — котел; 2 — пароперегреватель; 3 — паровая турбина с промежуточными отборами пара; 4 — электрогенератор; 5 — регенеративные подогреватели; 6 — насосы; 7 — конденсатор; 6 — изображение (условное) процесса в Г, 5-координатах: /…7— точки диаграммы Увеличение КПД при применении регенерации составляет.

10… 15%. При этом экономия теплоты в цикле возрастает с повышением начального давления пара р_х. Это связано с тем, что с повышением р_х увеличивается температура кипения воды, а следовательно, повышается количество теплоты, которое можно подвести к воде при подогреве ее отобранным паром. В настоящее время регенеративный подогрев применяется на всех крупных электростанциях.

Цикл с промежуточным (вторичным) перегревом пара. Из анализа регенеративного цикла следует, что при применении пара высокого давления влажность его в турбине в конце процесса расширения становится значительной даже при очень высокой начальной температуре. Между тем работа турбин на влажном паре недопустима, так как она вызывает увеличение потерь и износ (эрозию) турбинных лопаток в результате механического воздействия на них находящихся в паре частиц влаги.

При использовании пара высокого давления повышение его начальной температуры до значений, допустимых по соображениям прочности металла пароперегревателя и паровой турбины, может оказаться недостаточным для обеспечения допустимой влажности пара в конце процесса расширения в турбине. Поэтому пар на некоторой стадии расширения приходится отводить из турбины и подвергать повторному перегреву в специальном пароперегревателе, после чего перегретый пар повторно вводится в турбину, где и заканчивается процесс его расширения. В результате этого при окончательном расширении пара до принятых на практике давлений влажность его не превышает допустимых значений.

Паротурбинные установки, в которых используется такой метод, называют установками с промежуточным перегревом пара. При правильном выборе давления отбора пара для его промежуточного перегрева и температуры промежуточного перегрева не только предотвращается чрезмерное увлажнение пара в конце.

Рис. 2.6. Промежуточный перегрев пара в цикле Рснкина: а — схема установки: 1 — котел; 2 — пароперегреватель; 3 — турбина; 4 — электрогенератор; 5 — промежуточный (вторичный) пароперегреватель; 6 — конденсатор; 7 — насос (питательный); б — изображение процесса в Т, s- и /, 3- координатах: 1…5— точки диаграммы процесса расширения, но и достигается некоторое увеличение термического КПД установки.

Применение одного промежуточного перегрева пара приводит к повышению термического КПД установки на 2…3%. Схема паросиловой установки с промежуточным перегревом пара представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.7. Схема простейшей теплофикационной установки: / — котел; 2— пароперегреватель; 3 — турбина; 4 — конденсатор; 5— отопительная система; 6и 7 — насосы Теплофикационный цикл. В тех случаях, когда прилегающие к тепловым электростанциям районы потребляют большое количество теплоты, целесообразно использовать комбинированный способ выработки теплоты и электроэнергии, чем раздельно снабжать эти районы теплотой от специальных котельных, а электроэнергией — от конденсационных электростанций. Установки, которые служат для комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Они работают по так называемому теплофикационному циклу.

Простейшая схема теплофикационной установки показана на рис. 2.7 с основными элементами паросиловой установки. Цифрой 5 обозначен тепловой потребитель (например, система отопления). Охлаждающая вода под действием насоса 6 циркулирует по замкнутому контуру, в который включен потребитель теплоты. Температура воды на выходе из конденсатора несколько ниже температуры конденсата /_н, но достаточно высока д ля обогрева помещений.

Конденсат при температуре t_H забирается насосом 7 и после сжатия подается в котел 1. Охлаждающая вода нагревается за счет теплоты конденсирующегося пара и под напором, создаваемым насосом 6, поступает в отопительную систему 5. В ней нагретая вода отдает теплоту окружающей среде, обеспечивая необходимую температуру помещений. После выхода из отопительной системы охлажденная вода вновь поступает в конденсатор и в нем опять нагревается поступающим из турбины паром.

При наличии более или менее постоянного потребителя производственного пара пользуются турбиной, работающей с противодавлением без конденсатора.

В теплофикационных установках, цикл которых показан на рис. 2.8, а, используются турбины трех типов: с противодавлением р₂ = 1,2… 12 бар (рис. 2.8, б); ухудшенным вакуумом/^ = 0,5…0,9 бар (рис. 2.8, в) и регулируемыми отборами пара (рис. 2.8, г).

Турбины с противодавлением относительно просты, малогабаритны и дешевы, но применяются редко, поскольку количество электроэнергии, вырабатываемое с их помощью, зависит не от электрических, а от тепловых потребителей, весьма нестабильных.

Турбины с ухудшенным вакуумом при отсутствии тепловых потребителей могут работать с расширением пара до глубокого вакуума, как конденсационные, но выработка электроэнергии у них тоже зависит от расхода теплоты.

Турбины с регулируемыми отборами не имеют указанных недостатков, позволяют свободно изменять электрическую и тепловую нагрузки, т. е. работать по свободному графику. Они в основном и применяются на ТЭЦ. На рис. 2.8, г приведена схема такой установки с одним регулируемым отбором пара при д_ог6 (в зависимости от потребностей в электроэнергии и теплоте), которое устанавливается с помощью клапана 12, расположенного на магистрали между ступенями турбины высокого 11 и низкого 13 давлений.

Рис. 2.8. Теплофикационный цикл (а) и три типа установок: с противодавлением (б), ухудшенным вакуумом (в) и регулируемыми отборами пара (г):

/… 10 — точки диаграммы; II — часть турбины высокого давления; 12 — регулятор количества отбираемого пара; 13 — часть турбины низкого давления Теплофикационный цикл в Т, s-диаграмме показан на рис. 2.9. Площадь контура, ограниченного жирными линиями, соответствует теплоте q_no", превращенному в турбине в механическую работу. Площадь, расположенная под указанным контуром и соответствующая количеству теплоты q₂, уносимому охлаждающей водой, в данном теоретическом случае не теряется бесполезно, а используется для отопления. Таким образом, общее количество полезного использования теплоты складывается из q₂ ?

Рис. 2.9. Изображение теплофикационного цикла в Т, з-диаграмме Термический КПД теплофикационного цикла ниже термического КПД соответствующего конденсационного цикла, в котором пар расширяется в турбине до очень низкого давления (/>₂ = 3 …5 кПа), производя при этом полезную работу, и превращается в охладителе в конденсат, а отнятая от него в конденсаторе теплота полностью теряется с охлаждающей водой. Это объясняется тем, что в теплофикационном цикле конечное давление пара р₂ значительно превосходит обычное давление в конденсаторе паровой турбины, работающей по конденсационному циклу. Увеличению давления р₂, как это видно из Г, 5-диаграммы (см. рис. 2.9), соответствует сокращение количества теплоты q_no", используемой в паровой турбине (уменьшение площади 1—2—3—4—5), и увеличение количества теплоты q₂, уносимой охлаждающей водой (увеличение площади 1—5—4'—Г), и в итоге — уменьшение гц.

Применительно к теплофикационному циклу его термический КПД не может служить полноценной мерой экономичности, поскольку он не учитывает полезное использование потребителем той части теплоты, которая не превращается в работу, т. е. теплоты q₂.

Поэтому для оценки экономичности теплофикационных циклов пользуются так называемым коэффициентом использования теплоты, представляющим собой отношение всего количества полезно использованной теплоты (т.е. суммы теплоты, превращенной в работу и равной q_n0", и теплоты, использованной потребителем без ее превращения в работу, равной q₂), ко всему количеству подведенной к рабочему телу теплоты:

Теоретически, поскольку q_t = <7_П0Л + q₂, этот коэффициент равен единице. Практически же величина его колеблется от 0,65 до 0,7.

Это говорит о том, что в теплофикационном цикле степень теплоиспользования почти в два раза больше, чем в чисто конденсационном цикле. Следовательно, комбинированный способ выработки теплоты и электрической энергии значительно экономичнее способа их раздельной выработки.