Направления повышения КПД цикла Ренкина

Для получения высоких значений термического КПД цикла Ренкина необходимо повышать начальные параметры пара на входе в турбину р_{ и t_x и уменьшать противодавление р₂ — давление в конденсаторе. Этот вывод можно сделать из анализа теоретических циклов Карно и Ренкина.

Повышение начального давления в связи с уменьшением удельного объема пара благоприятно сказывается на габаритных размерах установок и диаметрах паропроводов, поэтому в крупных стационарных установках давление пара доводят до 30 МПа (и выше).

Повышение начальной температуры ограничено способностью металла пароперегревателя и лопаток турбины длительное время выдерживать высокие температуры. В настоящее время t_x доведена до 600 °C.

Снижение противодавления р₂, т. е. создание высокого разряжения в конденсаторе, ограничено температурой охлаждающей среды. Так, при температуре охлаждающей среды ?_ОХЛС = 20 °C и температуре конденсации пара t_s2 = 29 °C давление в конденсаторе должно быть равным р₂ = 0,004 МПа. При малых значениях р₂ резко возрастает удельный объем пара, что требует конструктивного увеличения размеров конденсатора и трубопровода отработанного пара.

На рис. 5.21 в координатной системе is показано адиабатическое изменение работы (адиабатного перепада) цикла Ренкина в зависимости от изменения давления в котле р_ь температуры перегрева пара t_x и давления в конденсаторе р₂.

Паротурбинные энергетические установки (ПТЭУ), реализующие наивыгоднейшие параметры пара, обеспечивают термический КПД не выше v_tp = 0,45-^0,47. При этом эффективный КПД составляет г_е = 0,29-^0,35. В сравнении с поршневыми ДВС (г|^= 0,4-^0,5) ПТЭУ оказываются менее экономичными, поэтому изыскиваются и другие пути повышения их экономичности.

Идея регенеративного цикла ПТЭУ состоит в подогреве питательной воды теплотой отбираемого между ступенями турбин пара, а не теплотой сгораемого топлива. Термический КПД регенеративного цикла ПТЭУ на 10—15% выше термического КПД цикла Ренкина и составляет r_t= 0,50^-0,52. Повышение КПД цикла вследствие роста температуры питательной воды t_nB происходит не монотонно и при определенном ее значении имеет максимум.

С целью предотвращения эрозии лопаток последних ступеней турбины степень сухости х₂ ограничивают соотношением х₂ > 0,86. Эти условия осуществляют в цикле с промежуточным перегревом пара, позволяющим одновременно повысить эффективность ПТЭУ. В таких циклах пар расширяется в турбине не сразу до конечного давления, а поочередно, в ее частях, называемых турбинами высокого давления (ТВД) и турбинами низкого давления (ТНД). После ТВД пар направляется в дополнительный промежуточный пароперегреватель ДПП, где его температура повышается (рис. 5.22).

Рис. 5.21. Изменение адиабатного перепада энтальпий:

а — в зависимости от давления в котле; б — в зависимости от температуры перегрева пара; в — в зависимости от давления в конденсаторе; х — степень сухости.

Рис. 5.22. Идеальный цикл ПТЭУ с промежуточным перегревом пара:

а — схема установки; б —цикл в координатах Ts

При начальных сверхкритических параметрах пара часто применяют больше двух промежуточных перегревов, имея в виду, что многократный перегрев приближает ломаную кривую 1—2—3—4—5—6 к изотерме.

Суммарный КПД современных теплоэлектростанций (ТЭС) не превышает 38—42%.

Сейчас ТЭС расходует примерно 460 млн т условного топлива. Около половины теплоты сгорания этого топлива сбрасывается с охлаждающей турбины водой (<�у₂ теоретического цикла), увеличивая так называемое «тепловое загрязнение» окружающей среды.