ПАРОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ

Паросиловые установки (ПСУ) предназначаются для получения электрической энергии и водяного пара, идущего на производственные нужды промышленных предприятий. В настоящее время все крупные химические заводы и комбинаты имеют свои собственные ПСУ.

На рис.20 представлена принципиальная схема паросиловой установки. ПСУ состоит из парового котла (1,1"), паровой турбины (2), конденсатора (3) и питательного насоса (4). Паровой котел является сложным инженерным сооружением. На схеме условно изображены лишь два его элемента – барабан котла (1) и пароперегреватель (1").

Рис. 20. Принципиальная схема паросиловой установки

Работа установки состоит в следующем. Питательная вода (конденсат и вода, возвращающаяся с предприятия) насосом (4) нагнетается в барабан парового котла (1). В барабане за счет химической теплоты топлива, которое сжигается в топке котла (топка на рис. 3 не показана), а в некоторых случаях за счет энергетического потенциала горючих или высокотемпературных вторичных энергоресурсов вода при постоянном давлении превращается во влажный насыщенный пар (Х = 0,9 – 0,95). Затем влажный насыщенный пар поступает в пароперегреватель котла (1"), где перегревается до заданной температуры. Перегретый пар направляется в паровую турбину (2). Здесь он адиабатно расширяется с получением полезной работы, которая с помощью генератора трансформируется в электрическую энергию. Современные турбины имеют ряд отборов, через которые пар направляется на технологические нужды цехов промышленного предприятия. После турбины отработанный пар направляется в конденсатор (3). Конденсатор представляет из себя обычный кожухотрубный теплообменник, основное назначение которого состоит в создании вакуума за турбиной. Это приводит к повышению теплопадения в турбине, что повышает экономичность цикла ПСУ. В конденсаторе за счет отвода теплоты от отработанного пара к охлаждающей воде он конденсируется. Полученный конденсат насосом (4) вновь подается в барабан котла.

Рис. 21. Цикл П.С.У. в Р – υ и Т – S диаграммах

На рис. 21 представлен цикл ПСУ в диаграммах Р – υ и Т – S. В этих диаграммах линия 1–2–3–4 соответствует изобарному процессу получения перегретого пара в паровом котле. Участок 1-2 характеризует процесс нагревания питательной воды до температуры кипения, участок 2-3 соответствует процессу парообразования, т.е. превращение воды в пар, участок 3-4 характеризует процесс перегрева пара. Линия 4-5 отражает адиабатный процесс расширения пара в турбине. Отрезок 5-6 – изобарный процесс конденсации пара в конденсаторе. Линия 6-1 характеризует процесс повышения давления питательной воды в насосе. Процесс повышения давления воды в насосе практически протекает при постоянной температуре и без теплообмена с окружающей средой. Кроме того, учитывая, что жидкости практически не сжимаются, это можно считать и изохорным. При этих условиях процесс 6-1 протекает при q = 0, Т = const, υ = Р – υ и Т – S и S = Р – υ и Т – S. Поэтому линия 6-1 в Т - S диаграмме трансформируется в точку.

При анализе циклов паросиловых установок вводятся следующие понятия:

1. Техническая работа турбины . Под технической работой турбины понимают работу всех термодинамических процессов цикла.

Для изобарного процесса 1-4 имеем:

(7.12)

В процессе адиабатного расширения пара в турбине:

При изобарном процессе конденсации в конденсаторе:

(7.14)

Для процесса 6-1, характеризующего техническую работу насоса при q = 0,

Т = const , υ = const и S = const, получаем

Следовательно:

2. Работа цикла . Работа цикла определяется как разность между технической работой Трубины и работой затрачиваемой насосом.

Оценка эффективности цикла ПСУ осуществляется с помощью коэффициентов полезного действия цикла. Различают термический и внутренний относительный КПД цикла. Под термическим коэффициентом полезного действия цикла понимают отношение работы цикла к теплоте, подведенной от верхнего источника. Работа цикла определяется по формуле (7.17). Верхним источником теплоты в данном случае являются дымовые газы, получаемые в процессе горения топлива, или высокотемпературные В.Э.Р.

Теплота от верхнего источника к рабочему телу (q 1 ) подводится в паровом котле в процессе 1-2-3-4. Эта теплота численно равна:

В этом случае термический КПД цикла ПСУ можно записать следующим образом:

(7.19)

На практике при анализе работы ПСУ часто используют формулу, не учитывающую работу насоса, ввиду ее малости по сранению с технической работой цикла:

(7.20)

где Δh – теплопадение в турбине.

В действительном цикле ПСУ адиабатный процесс расширения в соплах паровой турбины является необратимым. Необратимость связана с возрастанием энтропии, поэтому действительное теплопадение Δh д меньше теоретического Δh . На рис. 22 представлено теоретическое и действительное теплопадение в паровой турбине в h - S диаграмме.

Рис. 22. Графическое представление теплопадения в турбине на h – S диаграмме.

Термический КПД реального цикла ПСУ определится по выражению.

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.

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 2 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 температу- ры).

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 = / (- i 2 , где i 2 - энтальпия конденсата, подаваемого в котел. Количество теплоты, отдаваемой в изобарном процессе 2-3 при конденсации пара, q 2 = i 2 - i 2 . 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 р 2 и t 2 . Конечные параметры пара связаны между собой, так как пар в этой области влажный, поэтому уменьшение их сводится к уменьшению р 2 , 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/см 2) и t x = 565 °С. На опытных установках применяются и сверхкритические параметры: р х = 29,4 МПа (300 кгс/см 2) и /| = 600...650°С.

Понижение давления в конденсаторе ниже значения р 2 = 3,5... 4 кПа (0,035...0,040 кгс/м 2), чему соответствует температура насыщения 1 2 = 26,2...28,6°С, ограничивается прежде всего температурой охлаждающей воды / охл, колеблющейся в зависимости от климатических условий от 0 до 30 °С. При малой разности 1 2 - / охл интенсивность теплообмена падает, а размеры конденсатора растут. Кроме того, с понижением р 2 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.|, а 2 и а 3 - 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.

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.

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 р 2 = 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

/... 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 q 2 , уносимому охлаждающей водой, в данном теоретическом случае не теряется бесполезно, а используется для отопления. Таким образом, общее количество полезного использования теплоты складывается из пол и q 2 ?

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 р 2 значительно превосходит обычное давление в конденсаторе паровой турбины, работающей по конденсационному циклу. Увеличению давления р 2 , 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 q 2 , 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 q 2 .

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 q 2), ко всему количеству подведенной к рабочему телу теплоты:

Теоретически, поскольку q t = П0Л + q 2 , этот коэффициент равен единице. Практически же величина его колеблется от 0,65 до 0,7.

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

Как известно, тепловая машина, работающая по циклу Карно, обладает самой большой эффективностью преобразования энергии, т. е., ее термиче­ский КПД наибольший из возможных. Термический КПД цикла Карно зависит только от температур теплоотдатчика Ti и теплоприемника Т2 и совершенно не зависит от природы рабочего тела. Поэтому этот цикл можно рассматривать как идеальный цикл и для паросиловой установки. Как известно, цикл Карно включает следующие процессы :

Изотермический процесс расширения с одновременным подводом тепло­вой энергии Qi;

Адиабатический процесс расширения;

Изотермический процесс сжатия с одновременным отводом тепловой энергии Q2]

Адиабатический процесс сжатия.

На рис. 11.3 показана индикаторная диаграмма цикла паросиловой уста­новки, работающей по циклу Карно. Вода при давлении pi и температуре T 8 1 поступает в (точка 0 ). Степень сухости пара в точке 0 равна х = 0. Точка 0 находится на пограничной кривой жидкости. В процессе 0-1 при постоянном давлении р\ = Idem (изобарный процесс) к воде подводится энергия Qi в тепловой форме. Линия 0-1 представляет собой и изобару, и изотерму. В точке 1 изобарно — изотермический процесс подвода тепловой энергии заканчивается, когда пар становится сухим на­сыщенным. Степень сухости пара в точке 1 равна х = 1. Точка 1 находится на пограничной кривой пара. Таким образом, процесс 0-1 подвода тепловой энергии является изотермическим , как и в цикле Карно.

Процесс 1-2 отражает адиабатическое (без теплообмена с окружающей средой) расширение рабочего тела в паровой машине (двигателе). Здесь также соблюдается условие протекания цикла Карно (адиабатическое рас­ширение). В адиабатном процессе 1-2 давление пара уменьшается от pi до ft.

После паровой машины пар поступает в конденсатор (точка 2). В конденсаторе происходит отвод энергии Q 2 от рабочего тела (охлаждение) при постоянном давлении Р2 - Idem (изобарный процесс 2-3). Изобара 2-3 Одновременно является и изотермой при температуре кипения жидкости T 9 2, соответствующей давлению р2 = Idem . При охлаждении удельный объем водяного пара уменьшается. В точке 3 изобарно-изотермический процесс отвода тепловой энергии от рабочего тела заканчивается. Точка 3 (окончание процесса) выбирается таким образом, чтобы в процессе адиабатического сжатия влажного пара процесс заканчивался в точке 0, соответствующей начальному состоянию рабочего тела в цикле.

Таким образом, показанный на рис. 11.3 цикл 0-1-2-3-0 состоит из двух изотерм (0-1 и 2-3) и двух адиабат (1-2 и 3-0).

На рнс. 11.3 видно, что точка 3 расположена в области влажного насы­щенного пара. Это означает, что в процессе 2-3 происходит не полная кон­денсация водяного пара, поступающего в конденсатор из тепловой машины. Следовательно, в конденсаторе (КН) (рис. 11.1) образуется смесь пара и жидкости (воды). По выходе из конденсатора эта смесь направляется в компрессор, где в результате повышения давления от Р2Д0 рх повышается также температура от Ta 2 до T 8 1, и рабочее тело возвращается в исходное состояние (точка 0). На рис. 11.4 показана тепловая (энтропийная) диа­грамма протекания паросилового цикла Карно.

Если подвод тепловой энергии к жидкости закончить в точке 1′ (рис. 11.3 и 11.4), то пар не станет сухим насыщенным (он будет оста­ваться влажным насыщенным). Тогда расширение пар в тепловом двига­теле пойдет по адиабате V -2\ а весь цикл будет изображаться линиями 0-1′-2′-3-0.

Rm 3 ▼ Я2

Для осуществления цикла Карно в паросиловой установке необходи­мо соблюдать одно условие: весь цикл должен совершаться в области насыщенного пара (нельзя выходить вправо за линию х = 1). Область, расположенная правее линии х = 1, является областью перегретого пара. Если в области перегретого пара (правее линии х = 1) подводить тепловую энергию к рабочему телу при постоянном давлении (pi = Idem ), то темпе­ратура рабочего тела будет повышаться. Такой процесс будет изобарным, но не изотермическим, как должно быть в цикле Карно. Такой цикл не будет удовлетворять условиям протекания цикла Карно.

На основании зависимости (8.50) применительно к рассматриваемому паросиловому циклу запишем:

W Gi -g 2 Г1-Г2 (лл АЛ

TOC \o "1-3" \h \z % = - = -- = -7р- (И-4)

Из выражения (11.4) имеем:

Тг-Т2

^ = (И.5)

Где W - удельная работа, совершаемая паром в паровой машине (двигате­ле).

В котле температура жидкости равна температуре кипения Ta 1, соот­ветствующей давлению pi. Это означает, что вся подводимая к жидкости в котле тепловая энергия расходуется только на увеличение паросодержания от х = 0 (пограничная кривая жидкости) до х = 1 (пограничная кривая пара). Следовательно, в процессе 0-1 (рис. 11.3) парообразования будет затрачено следующее количество энергии в тепловой форме:

9i= хт, (11.6)

Где х - степень сухости пара, определяемая по формуле (6.1); г - удельная теплота парообразования.

На пограничной кривой жидкости степень сухости пара равна нулю (х = 0). На пограничной кривой пара х = 1, а поэтому выражение (12.6) для этого случая принимает вид:

Объединяя выражения (11.5) и (11.6"), получим:

Ti-T2 ГкДжТ §лл

Наряду с термическим КПД т^ важной характеристикой паросилового цикла является удельный расход пара DQ , определяемый по формуле:

Do = H = X ^ Rfr — T ,) * (1L8)

Из уравнений (11.7) и (11.8) видно, что удельный расход пара в паросиловом цикле, осуществляемому по циклу Карно при неизменных температурах 7\ и Т2, зависит только от паросодержания Х\. Чем больше паросодержание Xi, тем большую удельную работу W совершает пар в паровой машине при данных условиях, и тем меньший удельный расход пара DQ . Наибольшие значения удельной работы W и наименьшие значения удельного расхода пара DQ будут иметь место при х = 1.

Пусть сухой насыщенный пар давлением 1 МПа должен совершить цикл Карно в идеальной паросиловой установке. Требуется определить удельную работу пара в цикле и термический КПД, если давление в конденсаторе равно 10 кПа.

Для решения задачи следует воспользоваться данными, приведенными в Приложении 1. «Зависимость параметров насыщенного водяного пара от давления ». При давлении 1 МПа жидкость кипит при температуре, равной T 8 1 = 179.88°С, а при давлении ЮкПа -ie2 = 45.84°С. Тогда в соответствии с выражением (11.4) можно записать:

^ _ (1.1+ +273.15) _0 Я6| M11 29.6%.

Из Приложения 1 находим, что при pi = 1 МПа, г = 2015 кДж/кг. Из выражения (11.7) имеем:

Гх-Гз ГкДж]

W = x1-r Т ^ = Хг-r-rit J .

Так как пар сухой насыщенный, то Х\ = 1, а поэтому последнее выражение принимает вид:

W = R R ) T = 2015 0.296 « 596 .

Из сказанного выше следует, что осуществление цикла Карно в паро­силовой установке, когда рабочее тело представляет собой влажный пар, вполне возможно. Поскольку критическая температура воды сравнительно небольшая 374°С), что соответствует точке К на рис. 11.3, то невелик и интервал температур, в котором можно осуществить цикл Карно в паросиловой установке. Если нижнюю температуру принять равной 25°С, а верхнюю -не выше 340… 350°С, то максимальное значение термического КПД цикла Карно в этом случае будет равно:

При осуществлении цикла Карно в паросиловой установке максималь­ную температуру влажного пара нельзя выбирать сколь угодно, так как верхний предел ограничен значением 7\ = 374°С (точка К; рис. 11.3). По мере приближения к критической точке К (рис. 11.3) длина изобарно- изотермического участка 0-1 уменьшается, а в точке К он вовсе исчезает.

Чем выше температура рабочего тела в цикле, тем больший КПД этого цикла. Но поднять температуру рабочего тела выше 340…350°С в паросиловой установке, работающей по циклу Карно, не представляется возможным, что ограничивает КПД такой установки.

Хотя термический КПД паросиловой установки, работающей по циклу Карно, относительно большой, с учетом условий работы теплосилового обо­рудования он практической реализации почти не получил. Это обусловлено тем, что при работе на влажном паре, который представляет собой поток сухого насыщенного пара со взвешенными в нем капельками воды, условия работы проточных частей паровых турбин (поршневых паровых машин) и компрессоров оказываются тяжелыми, течение оказывается газодинами­чески несовершенным и внутренний относительный КПД т^ этих машин снижается.

Вследствие этого внутренний абсолютный КПД цикла

Rii = VfVoi (119)

Оказывается сравнительно малым.

Важно и то, что компрессор для сжатия влажного пара с малыми давлениями и большими удельными объемами представляет собой весьма громоздкое сооружение, не удобное для эксплуатации. При этом на привод компрессора затрачивается большая энергия. Почти 55% получаемой в паросиловом цикле механической энергии обратно тратится на привод компрессора.

Прежде чем перейти к описанию термодинамических методов и приемов по увеличению КПД, введем некоторое вспомогательное понятие. Необходимость этого введения состоит в следующем. Дело в том, что η t , по определению, есть отношение «пользы» к «затратам». Практически все методы повышения КПД одновременно изменяют и числитель и знаменатель дроби η t . И поэтому возникает неопределенность в поведении всей дроби.

С другой стороны, этой неопределенности нет, если имеем дело с циклом Карно, так как изменение температуры источника теплоты Т 1 и стока теплоты Т 2 довольно однозначно говорит об изменении η t к. Кроме того, все термодинамические методы и приемы повышения КПД паросиловых установок не изменяют величину Т 2 , так как практически ее трудно изменить.

Итак, подвод теплоты в цикле Ренкина происходит по некоторой ломаной кривой (см. рис. 6.4 и диаграмму Т – s, процесс 4 – 5 – 1, р 1 = const).

Определение: средне интегральной температурой процесса подвода теплоты в паросиловом цикле называется

≡ (6.6)

Иными словами, <Т 1 > в математике называют средне интегральной величиной функции на каком-то интервале изменения аргумента. Тогда для любого цикла паросиловой установки эквивалентный цикл Карно будет иметь КПД, равный:

η t к = 1 – Т 2 /. (6.7)

Любое предложение по увеличению или изменению η t паросиловой установки будем оценивать по изменению .

3.1. Повышение температуры рабочего тела перед турбиной.

На рис. 6.6 представлена иллюстрация этого приема повышения термического коэффициента полезного действия.

Обращаем внимание, что количество «пользы», т.е. работы за цикл увеличилось с увеличением Т 1 , но одновременно увеличились потери теплоты в конденсаторе, увеличились затраты теплоты за цикл. Здесь наглядно видно, что у дроби η t увеличился и числитель и знаменатель, а результат неопределенен (см. (6.5)). Зато воочию видно, что увеличение Т 1 до Т 1 ΄ увеличивает . Следовательно, η t увеличивается с увеличением Т 1 .

Рис. 6.6. Иллюстрация метода повышения η t путем

увеличения температуры Т 1 пара перед турбиной.

Замечание. Производя увеличение Т 1 , мы сознательно не меняли все остальные параметры цикла Ренкина. Нельзя же изменять все сразу, чтобы выявить какую-то закономерность.

3.2. Повышение давления рабочего тела перед турбиной.

На рис. 6.7 представлена иллюстрация этого метода повышения η t .

Рис. 6.7. Иллюстрация метода повышения η t путем повышения

давления водяного пара перед турбиной.

Судя по рис. 6.7, трудно решить, увеличились или уменьшилась работа за цикл, зато потери теплоты в конденсаторе явно уменьшились. Если же использовать понятие , то из рис. 6.7 следует, что с увеличением р 1 величина тоже увеличилась, а температура Т 2 не изменилась. Следовательно, однозначно можно сделать вывод, что увеличение давления пара перед турбиной увеличивает термический коэффициент полезного действия η t .

Замечание. Повышение температуры Т 1 пара перед турбиной мало эффективно, так как изобары p = const довольно круто идут вверх в области перегретого водяного пара. Такова уж природа этого вещества.

Замечание. Оба метода повышения η t , показанных выше, «благославляются» термодинамикой. А практически увеличение температуры и давления водяного пара перед турбиной ограничивается набором термостойких и особо прочных материалов для изготовления и котельного агрегата и турбины. Здесь во весь свой грозный рост встает наука «Материаловедение».

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 Q 1 , получаемой за счет сгорания топлива в топке, образуется пар при постоянном давлении р 1 (рис. 33). 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 р 1 с получением полезной работы L 1 . Отработанный пар направляется в холодильник-конденсатор (4), где он полностью или частично конденсируется при постоянном давлении р 2 . Конденсация пара происходит в результате теплообмена между отработавшим паром и охлаждающей жидкостью, протекающей через холодильник-конденсатор (4).

После холодильника сконденсированный пар поступает на вход насоса (5), в котором давление жидкости повышается с величины р 2 до первоначального значения р 1 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 р 2 до р 1 . 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. 34).

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 р 1 . 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.

Рис. 34. Цикл Ренкина в координатах p-v (а ) и Т-s (б )

Работа, совершаемая паром в турбине, равна разности энтальпий пара до и после турбины

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. 34a). Эта работа весьма мала по сравнению с работой турбины.

Полезная работа цикла равна работе турбины за вычетом работы, затрачиваемой на привод насоса w Н

Удельное количество теплоты q 1 , подведенной в котле и пароперегревателе, определяется из первого начала термодинамики (работа при этом не совершается) как разность энтальпий рабочего тела в процессе подвода теплоты

где h 4 – энтальпия горячей воды на входе в паровой котел при давлении р 2 практически равна по величине энтальпии кипящей воды в точке (3),
т.е. h 4 @ h 3 .

Сопоставляя соотношения, можно определить термический КПД цикла Ренкина как отношение полезно полученной работы в цикле к количеству подведенной теплоты

. (309)

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

. (310)

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.

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 (h 1 - h 2 ) и, как следствие, к увеличению удельной работы и КПД цикла. При этом теплоперепад по турбине h 1 -h 2 можно дополнительно увеличить, снижая противодавление в конденсаторе установки, т.е. уменьшая давление р 2 . Повышение экономичности паросиловых установок этим путем связано с решением ряда трудных технических задач, в частности, использования высоколегированных, жаропрочных материалов для изготовления турбины.

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. 35), не выбрасывают в водоем, а прокачивают через отопительные установки теплового потребителя (6). В таких установках станция вырабатывает механическую энергию в виде полезной работы L 1 на валу турбины (3) и теплоту Q т.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. 36). 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).

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. 37) видно, что каждый килограмм пара, входящий в турбину, расширяется от давления р 1 до давления р 2 , совершая работу w 1 =h 1 -h 2 . Пар в количестве (1 - g ) долей килограмма расширяется до конечного давления p 3 , совершая работу w 2 =h 2 -h 3 . Суммарная работа 1 кг пара в регенеративном цикле будет

где – доля пара отбираемого из турбины и подаваемого в регенератор.

Рис. 37. 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. 38).

Рис. 38. 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 р рп до температуры , которая обычно несколько ниже, чем температура t 1 .Перегретый пар поступает в турбину низкого давления (4), расширяется в ней до конечного давления р 2 и уходит в конденсатор (5) (рис. 39).

Влажность пара после турбины при наличии перегрева пара значительно меньше, чем она была бы без него (x 1 >x 2 ) (рис. 39). 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 (рис. 39б ).

Рис. 39. Процесс расширения пара в установке с промежуточным перегревом

Циклы холодильных установок

Холодильные установки предназначены для охлаждения тел до температуры ниже температуры окружающей среды. Чтобы осуществить такой процесс, необходимо от тела отвести теплоту и передать ее в окружающую среду за счет работы, подводимой извне.

Холодильные установки широко используются в газовой промышленности при подготовке газа к транспорту в установках комплексной подготовки газа (УКПГ), для охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов, проложенных в районах многоголетнемерзлых пород, при переработке природного газа, при получении и хранении сжиженного природного газа и т.д.

Теоретически наиболее выгодный цикл холодильной установки – обратный цикл Карно. Однако цикл Карно в холодильных установках не используется из-за конструктивных трудностей, которые возникают при реализации этого цикла, и, кроме того, влияние необратимых потерь работы в реальных холодильных машинах настолько велико, что сводит на нет преимущества цикла Карно.