Циклы паросиловых установок

В современной стационарной теплоэнергетике в основном используются паровые теплосиловые установки. На долю паротурбинных электростанций приходится более 80% вырабатываемой электроэнергии. В паровых теплосиловых установках в качестве рабочего тела, как правило, используется водяной пар, что объясняется доступностью и дешевизной воды.

На рисунке 7.8 приведена схема паросиловой установки.

Рисунок 7.8. Принципиальная

схема паросиловой установки

Из парового котла ПК перегретый пар с параметрами поступает в паровую турбину. При расширении в сопловом аппарате пар приобретает значительную кинетическую энергию, которая в роторе турбины превращается в техническую работу. Механическая энергия турбины превращается в электрогенераторе в электрическую энергию. После турбины пар с давлением р₂ и энтальпией h₂ поступает в конденсатор , представляющий собой теплообменник, в трубках которого циркулирует вода, охлаждающая пар. В конденсатор отводится теплота в количестве , в результате чего пар конденсируется. Конденсат подается насосом в котел, и цикл повторяется вновь. Таким образом, характерная особенность паросиловых установок — фазовое превращение рабочего тела в цикле,

Рассмотрим описанный замкнутый процесс в -, - и координатах (рисунок 7.9).

Точка 4 соответствует состоянию рабочего тела перед паровым котлом. В котле происходят: нагрев жидкости (4— 5), парообразование (5— 6) и перегрев пара (6 —1). Теплота , подведенная к 1 кг рабочего тела в изобарном процессе, равна разности энтальпий в конечной и начальной точках процесса .

В паровой турбине осуществляется адиабатный процесс расширения (1 — 2). В результате перегретый пар превращается в сухой насыщенный пар, а затем во влажный с параметрами точки 2. Конденсация пара происходит при постоянном давлении (процесс 2—3). Изобары в области влажного пара являются одновременно и изотермами, т. е. на участке 2 — 3 давление р₂ и температура Т₂ остаются неизменными.

При этом от рабочего тела отводится в окружающую среду количество теплоты .

Рисунок 7.9. Цикл Ренкина:

а ¾ в -координатах; б ¾ в - координатах; в ¾ в - координатах

Процесс 3 — 4 подачи конденсата в котел насосом изображается изохорой, так как вода практически несжимаема. Точки 3 и 4 на - и -диаграммах не совпадают, но это отклонение столь мало, что им пренебрегают. Образованный таким образом термодинамический цикл называется циклом Ренкина (по имени шотландского физика, предложившего его в середине прошлого столетия).

Термический КПД цикла Ренкина

.

Как уже говорилось, можно принять, что , т. е.

(7.11)

где — энтальпия конденсата в точке 3.

Выражение в числителе равняется работе цикла.

Из приведенной формулы следует, что термический КПД цикла Ренкина определяется значениями энтальпий пара до турбины и после нее и энтальпии воды при температуре конденсации пара . Поэтому при определении значения цикла паросиловой установки удобно пользоваться - диаграммой.

Для повышения термического КПД паросиловой установки следует расширить пределы рабочего процесса, а именно повысить давление и температуру перегретого пара (т. е. повысить значение )и понизить давление р₂ пара за турбиной.

На современных тепловых электростанциях начальное давление (применяется также сверхкритическое давление, равное 24 МПа), температура пара . Давление пара за турбиной р₂ = 3...5 кПа.

Так как с увеличением давления при постоянном предельном значении температуры повышается влажность пара в конце процесса расширения (на -диаграмме процесс сдвигается влево), то применяют промежуточный перегрев пара. Давление промежуточного перегрева выбирают так, чтобы работа цикла при этом увеличивалась в большей степени, чем расход теплоты (с учетом дополнительного расхода на промежуточный перегрев пара).

В паросиловой установке термический КПД повышается при ее работе по регенеративному циклу, что обусловлено приближением цикла к регенеративному циклу Карно. В регенеративном цикле паросиловой установки часть пара отбирается из турбины на участке расширения 1 — 2 и направляется в теплообменник, где, смешиваясь с конденсатом, повышает его температуру перед котлом. В результате такого мероприятия работа цикла несколько уменьшается, но вследствие снижения расхода теплоты в котле КПД цикла становится выше.

Оптимальные значения давления отбора пара из турбины (а следовательно, температуры подогрева конденсата) определяют на основании соответствующих технико-экономических расчетов.

Эффективность топлива, сжигаемого в паросиловой установке, можно повысить, если удаляемую теплоту (а она составляет не менее половины количества теплоты, подведенной от источника с более высокой температурой) исполь­зовать для отопления и горячего водоснабжения или для различных технологических процессов. В конденсационных электростанциях, предназначенных для выработки только электрической энергии, охлаждающая вода после конденсатора имеет температуру 20...35 °С, и использовать теплоту этой воды (ввиду низкой температуры она называется низкопотенциальной теплотой) практически сложно. Для нужд отопления, горячего водоснабжения и т. п. температура воды должна быть не менее 80…100 ^СС. Этого можно достигнуть, если повысить давление пара р₂, выходящего из турбины. Такие турбины называют турбинами с ухудшенным вакуумом. Если давление р₂ выше атмосферного, то турбины называют турбинами с противодавлением. Обычно давление пара за турбиной 0,10... 0,15 МПа, в то время как на станциях без отпуска теплоты потребителям р₂ =3... 5 кПа.