Цикл паросиловой установки для сухого насыщенного пара
Для просмотра сайта используйте Internet Explorer
Тема 8. ПАРОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ
8.1.Принципиальная схема паросиловой установки
Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (п. с. у.), которые являются базой современной крупной энергетики. Принципиальная схема простейшей паросиловой установки показана на рис. 8.1.
В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p1, t1, i1, который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p2 с совершением технической работы, приводящей во вращательное движение ротор электрического генератора 3. Затем пар поступает в конденсатор 4, который представляет собой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркулирующей водой.
В конденсаторе при помощи охлаждающей воды от пара отнимается теплота парообразования и пар переходит при постоянных давлении р2 и температуре t2 в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется.
На рис. 8.2 приведена схема паровой турбины. Турбинные установки предназначены для преобразования энергии рабочего тела (пара, газа), имеющего высокое давление и температуру, в механическую энергию вращения ротора турбины. Турбины используют в качестве двигателей электрогенераторов, турбокомпрессоров, воздуходувок, насосов.
Водяной пар с высоким давлением и температурой поступает в сопло 1, при истечении из которого его давление снижается, а кинетическая энергия увеличивается. Струя пара направляется на закреплённые на диске 3 ротора турбины лопатки 2, отдавая им часть своей кинетической энергии, которая через лопатки передаётся вращающемуся ротору.
Обычно турбина имеет несколько сопел, составляющих сопловый аппарат. Рабочие лопатки расположены по всей окружности диска и образуют рабочую решётку. Сопловый аппарат и рабочая решётка составляют ступень турбины, а каналы для прохода газа — проточную часть турбины.
Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые, активного и реактивного типов.
В активных турбинах процесс расширения пара происходит только в соплах, а в реактивных — в соплах и в каналах рабочих лопаток.
8.2.Цикл Ренкина
В паросиловых установках применяют цикл Ренкина. В цикле Ренкина охлаждение влажного пара в конденсаторе производится до превращения его в воду.
Различают цикл Ренкина с сухим насыщенным паром и с перегретым паром (рис. 8.3). В цикле Ренкина с сухим насыщенным паром сухой насыщенный пар с параметрами p1, T1, i1 поступает из парового котла в турбину (точка 1 на рис. 8.3), где адиабатно расширяется от давления p1 до давления p2 (точка 2). После турбины влажный насыщенный пар с параметрами p2, T2, i2 поступает в конденсатор, где полностью конденсируется при постоянных давлении и температуре (точка 3). Питательная вода с помощью насоса сжимается до давления p1, равного давлению в паровом котле, и подаётся в котёл (точка 4). Параметры воды на входе в котёл – p1, T2, i4. В паровом котле питательная вода смешивается с кипящей водой, нагревается до температуры кипения и испаряется
Цикл Ренкина состоит из следующих процессов:
4′-1 – процесс парообразования в котле при постоянном давлении;
1-2 – процесс адиабатного расширения пара в турбине;
2-3 – процесс конденсации влажного пара в конденсаторе с отводом теплоты с помощью охлаждающей воды;
3-4 – процесс адиабатного сжатия воды в насосе от давления p2 до давления p1;
4-4’ – процесс подвода теплоты к воде при давлении p1 в паровом котле до соответствующей этому давлению температуры кипения.
Термический к. п. д. цикла
.
Теплота q1 в цикле подводится в процессах: 4-4’ – подогрев воды до температуры кипения в котле; 4′-1 – парообразование в котле. Для 1 кг пара q1 в изобарном процессе равно разности энтальпий конечной (точка 1) и начальной (точка 4) точек процесса подвода тепла:
.
Отвод теплоты q2 происходит в конденсаторе по изобаре 2-3, следовательно
.
Подставив (8.2) и (8.3) в (8.1), получим
.
.
Термический к. п. д. цикла Ренкина меньше термического к. п. д. цикла Карно при одинаковых начальных и конечных параметрах пара, так как в цикле Карно теплота q1 затрачивается только на процесс парообразования (то есть q1≈r), а в цикле Ренкина она затрачивается как на парообразование, так и на подогрев питательной воды в процессе 3-4. Поэтому для паросиловых установок в заданном температурном интервале термодинамически наиболее выгодным циклом мог бы быть цикл Карно. Однако его осуществление связано с большими трудностями. Цикл Карно относительно проще было бы осуществить в области влажного пара. Это объясняется тем, что в области влажного пара изотермические процессы совпадают с изобарными и могут быть реально осуществлены в котле и конденсаторе. Однако в цикле Карно конденсация пара в изотермическом процессе происходит не полностью, вследствие чего в последующем адиабатном процессе сжимается не вода, как в цикле Ренкина, а влажный пар, имеющий относительно большой объем.
В цикле Ренкина с перегретым паром добавляется ещё один процесс: 1-1’ – перегрев пара.
8.3.Влияние параметров пара на термический к. п. д. цикла Ренкина
Анализ термического к. п. д. цикла Ренкина показывает, что термический к. п. д. паросиловой установки возрастает при увеличении начального давления p1 и начальной температуры пара t1.
При увеличении температуры пара на выходе из котлоагрегата (давление пара не изменяется) увеличивается i1. Если остальные энтальпии, входящие в выражение (8.5), неизменны, что технически осуществимо, то, как следует из (8.5), увеличение температуры пара на выходе из котлоагрегата сопровождается ростом ηt.
При увеличении давления пара на выходе из котлоагрегата (температура перегретого пара не изменяется) уменьшается i1 (смотри таблицы термодинамических свойст воды и перегретого пара). Если остальные энтальпии, входящие в выражение (8.5), неизменны, что технически осуществимо, то, как следует из (8.5), увеличение давления перегретого пара на выходе из котлоагрегата сопровождается уменьшением ηt. Следовательно, давление на выходе котлоагрегата целесообразно повышать только с целью увеличения температуры пара.
8.4.Пути повышения экономичности паросиловых установок
Несмотря на то, что в настоящее время осуществляется массовое освоение высоких и сверхвысоких параметров пара (p1=23,0÷30,0 МПа; t1= 570÷600 0 С), термический к. п. д. цикла Ренкина не превышает 50%. В реальных установках доля полезной использованной теплоты еще меньше из-за потерь, связанных с внутренней необратимостью процессов. В связи с этим были предложены другие способы повышения тепловой эффективности паросиловых установок.
Одним из таких способов является промежуточный перегрев пара (рис. 8.4). Здесь пар перегревается в пароперегревателе 2 парогенератора 1 и подаётся в цилиндр высокого давления 3, в котором находятся ступени турбины, рассчитанные на пар с высоким давлением. В цилиндре высокого давления пар производит механическую работу, его давление и температура снижаются. Из цилиндра высокого давления пар направляют в промежуточный пароперегреватель 4, где его температуру повышают, передавая ему некоторое количество тепла q1’. Из промежуточного пароперегревателя пар направляют в цилиндр низкого давления 5, где он производит механическую работу, снижая своё давление и температуру до давления и температуры конденсатора 7. Из конденсатора насосом 8 конденсат подаётся в парогенератор. Цилиндры низкого и высокого давления находятся на одном валу с электрогенератором 6.
Количество тепла q2 отдаваемое паром в конденсаторе, остаётся постоянным, а количество тепла q1, сообщаемое пару в котлоагрегате увеличивается на q1’, подводимое к пару в промежуточном пароперегревателе. Поэтому в соответствии с (8.1) термический к. п. д. паросиловой установки с промежуточным пароперегревателем выше, чем у паросиловой установки без промежуточного пароперегревателя. Увеличение термического к. п. д. в этом случае не превышает 2-3%.
Более эффективным способом повышения термического к. п. д. паросиловой установки является применение схем регенеративного подогрева питательной воды (рис. 8.5).
Для получения такой схемы устанавливают подогреватель питательной воды 9 и организуют дополнительный отбор пара. Например, из цилиндра низкого давления. В этом случае пар, отбираемый на подогрев питательной воды, не отдает тепло в конденсаторе, и количество теплоты, теряемой в конденсаторе, уменьшается на некоторую величину q2’. Поэтому в соответствии с (8.1) термический к. п. д. паросиловой установки повышается. Однако, в связи с тем, что часть пара, направляемого на подогрев питательной воды, не производит механическую работу на последующих ступенях турбины, мощность отдаваемая турбиной электрогенератору в этом случае снижается.
Регенеративный подогрев питательной воды позволяет увеличить термический к. п. д. паросиловой установки процентов на 10-12.
Источник статьи: http://stringer46.narod.ru/SteamPower.htm
Циклы паротурбинных установок
Паросиловая установка (ПСУ).
Общие положения. Принципиальная схема ПСУ, рабочие процессы. Теоретический цикл ПСУ (цикл Ренкина) в pv — и Ts — диаграммах. Схема и цикл ПСУ с промежуточным перегревом пара. Выражения для термического к. п.д. циклов. Использование hs – диаграммы для анализа и расчёта ПСУ. Паровая турбина.
Циклы паротурбинныхустановок
Современная стационарная теплоэнергетика базируется в основном на паровых теплосиловых установках. Продукты сгорания топлива в этих установках являются лишь промежуточным теплоносителем (в отличие от ДВС и ГТУ), а рабочим телом служит чаще всего водяной пар.
Циклы Карно и Ренкина насыщенного пара. Регенерация теплоты.
Цикл Карно насыщенного пара можно было бы осуществить следующим образом. Теплота от горячего источника подводится при постоянной температуре по линии 5-1, в результате чего вода с параметрами точки 5 превращается в сухой насыщенный пар с параметрами точки 1. Пар адиабатно расширяется в турбине до температуры , совершая техническую работу и превращаясь во влажный пар с параметрами точки 2. Этот пар поступает в конденсатор, где отдает теплоту холодному источнику (циркулирующей по трубкам охлаждающей воде), в результате чего его степень сухости уменьшается от до . Изотермы в области влажного пара являются одновременно и изобарами, поэтому процессы 5-1 и 2-2′ протекают при постоянных давлениях и . Влажный пар с параметрами точки 2′ сжимается в компрессоре по линии 2′-5, превращаясь в воду с температурой кипения. На практике этот цикл не осуществляется, прежде всего, потому, что в реальном цикле вследствие потерь, связанных с неравновесностью протекающих в нем процессов, на привод компрессора затрачивалась бы большая часть мощности, вырабатываемой турбиной.
Значительно удобнее и экономичнее в реальном цикле конденсировать пар до конца по линии 2-3, а затем насосом увеличивать давление воды от р2 до по линии 3-4. Поскольку вода несжимаема, точки 3 и 4 почти совпадают, и затрачиваемая на привод насоса мощность оказывается ничтожной по сравнению с мощностью турбины (несколько процентов), так что практически вся мощность турбины используется в качестве полезной. Такой цикл был предложен в 50-х годах прошлого века шотландским инженером и физиком Ренкиным и почти одновременно Клаузиусом. Схема теплосиловой установки, в которой осуществляется этот цикл, представлена на рис. (На этой схеме показана также возможность перегрева пара в пароперегревателе 6-1, которая в цикле насыщенного пара не реализуется).
Рисунок 1 — Циклы Карно и Ренкина насыщенного водяного пара
Рисунок 2 — Схема паросиловой установки:
ПК — паровой котел; Т — паровая турбина; ЭГ— электрогенератор;
К — конденсатор; Н — насос
Теплота в этом цикле подводится по линии 4-5-6 (см. рис.1) в паровом котле, пар поступает в турбину Т и расширяется там по линии 1-2 до давления, совершая техническую работу . Она передается на электрический генератор ЭГ или другую машину, которую вращает турбина. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор К, где конденсируется по линии 2-3, отдавая теплоту конденсации холодному источнику (охлаждающей воде). Конденсат забирается насосом Н и подается снова в котел (линия 3-4).
Термический КПД цикла Ренкина, естественно, меньше, чем цикла Карно при тех же температурах и , поскольку средняя температура подвода теплоты уменьшается при неизменной температуре отвода. Однако реальный цикл (с учетом неравновесности сжатия пара в компрессоре в цикле Карно) оказывается экономичнее.
Теоретически термический КПД цикла Ренкина можно сделать равным КПД цикла Карно с помощью регенерации теплоты, если осуществить расширение пара не по адиабате 1-2, как в обычной турбине, а по политропе 7 эквидистантной линии 4-5 нагрева воды, и всю выделяющуюся при этом теплоту (площадь 1-1′-7′-7) передать в идеальном (без потерь эксер-гии) теплообменнике воде (площадь 3′-3-5-5′).
На практике такую идеальную регенерацию осуществить не удается, однако в несколько ином виде регенеративный подогрев воды применяется очень широко и позволяет существенно увеличить КПД реального цикла.
К сожалению, цикл насыщенного водяного пара обладает весьма низким КПД из-за невысоких температур насыщения. Например, при давлении 9,8МПа температура насыщения составляет 311 °С. При температуре холодного источника, равной 25 °С, =(273 + 25)/(273 + 311)=0,49. Дальнейшее увеличение температуры а значит, и давления не имеет смысла, ибо, мало увеличивая КПД, оно приводит к утяжелению оборудования из условий прочности, а также к уменьшению количества теплоты , забираемой каждым килограммом воды в процессе испарения 5-1 (из-за сближения точек и на рис. и по мере повышения температуры). Это значит, что для получения той же мощности необходимо увеличивать расходы воды и пара, т. е. габариты оборудования.
При температуре, превышающей критическую (для воды кр = 374,15°С что соответствует давлению 22,1 МПа), цикл на насыщенном паре вообще невозможен. Поэтому цикл насыщенного пара (регенеративный) применяется в основном в атомной энергетике, где перегрев пара выше температуры насыщения связан с определенными трудностями.
Рисунок 3 — Идеальная регенерация теплоты в цикле насыщенного пара
Между тем металлы, которыми располагает современное машиностроение, позволяют перегревать пар до 550— 600 °С. Это дает возможность уменьшить потери эксергии при передаче теплоты от продуктов сгорания к рабочему телу и тем самым существенно увеличить эффективность цикла. Кроме того, перегрев пара уменьшает потери на трение при его течении в проточной части турбины. Все без исключения тепловые электрические станции на органическом топливе работают сейчас на перегретом паре, а иногда пар на станции перегревают дважды и даже трижды. Перегрев пара все шире применяется и на атомных электростанциях, особенно в реакторах на быстрых нейтронах.
Цикл Ренкина на перегретом паре
Изображения идеального цикла перегретого пара в p-,v-,T-,s-, и h,s—диаграммах приведены на рис. 4. Этот цикл отличается от цикла Ренкина на насыщенном паре только наличием дополнительного перегрева по линии 6-1. Он осуществляется в пароперегревателе, являющемся элементом парового котла.
Термический КПД цикла определяется, как обычно, по уравнению
Теплота подводится при в процессах 4-5 (подогрев воды до температуры кипения), 5-6 (парообразование) и 6-1 (перегрев пара). Теплота
Источник статьи: http://pandia.ru/text/78/082/79837.php
.
.
.
.
.
по линии 5-1, в результате чего вода с параметрами точки 5 превращается в сухой насыщенный пар с параметрами точки 1. Пар адиабатно расширяется в турбине до температуры 
, совершая техническую работу и превращаясь во влажный пар с параметрами точки 2. Этот пар поступает в конденсатор, где отдает теплоту холодному источнику (циркулирующей по трубкам охлаждающей воде), в результате чего его степень сухости уменьшается от 
до 
. Изотермы в области влажного пара являются одновременно и изобарами, поэтому процессы 5-1 и 2-2′ протекают при постоянных давлениях 
и 
. Влажный пар с параметрами точки 2′ сжимается в компрессоре по линии 2′-5, превращаясь в воду с температурой кипения. На практике этот цикл не осуществляется, прежде всего, потому, что в реальном цикле вследствие потерь, связанных с неравновесностью протекающих в нем процессов, на привод компрессора затрачивалась бы большая часть мощности, вырабатываемой турбиной.
Рисунок 1 — Циклы Карно и Ренкина насыщенного водяного пара
. Она передается на электрический генератор ЭГ или другую машину, которую вращает турбина. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор К, где конденсируется по линии 2-3, отдавая теплоту конденсации холодному источнику (охлаждающей воде). Конденсат забирается насосом Н и подается снова в котел (линия 3-4).
цикла Карно при тех же температурах 
=(273 + 25)/(273 + 311)=0,49. Дальнейшее увеличение температуры а значит, и давления не имеет смысла, ибо, мало увеличивая КПД, оно приводит к утяжелению оборудования из условий прочности, а также к уменьшению количества теплоты , забираемой каждым килограммом воды в процессе испарения 5-1 (из-за сближения точек и на рис. и по мере повышения температуры). Это значит, что для получения той же мощности необходимо увеличивать расходы воды и пара, т. е. габариты оборудования.
