Цикл ренкина для влажного пара

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 (h₁ — h₂) и, как следствие, к увеличению удельной работы и КПД цикла. При этом теплоперепад по турбине h₁-h₂ можно дополнительно увеличить, снижая противодавление в конденсаторе установки, т.е. уменьшая давление р₂. 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 L₁ 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 р₁ до давления р₂, совершая работу w₁=h₁-h₂. Пар в количестве (1 — g) долей килограмма расширяется до конечного давления p₃, совершая работу w₂=h₂-h₃. Суммарная работа 1 кг пара в регенеративном цикле будет

, (311)

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 t₁. Перегретый пар поступает в турбину низкого давления (4), расширяется в ней до конечного давления р₂ и уходит в конденсатор (5) (рис. 39).

Влажность пара после турбины при наличии перегрева пара значительно меньше, чем она была бы без него (x₁>x₂) (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

Источник статьи: http://mydocx.ru/1-37871.html

Цикл Ренкина

За основной цикл в паротурбинной установке принят идеальный цикл Ренкина. В этом цикле осуществляется полная конденсация рабочего тела в конденсаторе, вследствие чего вместо громоздкого малоэффективного компрессора для подачи воды в котел применяют питательный водяной насос, который имеет малый габарит и высо­кий к. п. д. При сравнительно небольшой мощности, потребляемой насосом, потери в нем оказываются малыми по сравнению с общей мощностью паротурбинной установки. Кроме того, в цикле Ренкина возможно применение перегретого пара, что позволяет повысить среднеинтегральную температу­ру подвода теплоты и тем самым увеличить термический к. п. д. цикла.

На рис. 19-4 изображен идеальный цикл Ренкина в pv-диaграмме. Точка 4 характеризует состояние кипящей воды в котле при давлении p₁. Линия 4-5 изображает процесс парообразования в котле; затем пар подсушивается в перегревателе — процесс 5-6, 6-1 — процесс перегрева пара в перегревателе при давлении p₁. По­лученный пар по адиабате 1-2 расширяется в цилиндре парового двигателя до давления р₂ в конденсаторе. В процессе 2-2′ пар пол­ностью конденсируется до состояния кипящей жидкости при давле­нии р₂, отдавая теплоту парообразования охлаждающей воде. Процесс сжатия воды 2′-3 осуществляется в насосе; получающееся при этом повышение температуры воды ничтожно мало, и им в ис­следованиях при давлениях до 30—40 бар пренебрегают. Линия 3-4 изображает изменение объема воды при нагревании от темпера­туры в конденсаторе до температуры кипения. Работа насоса изоб­ражается заштрихованной площадью 032’7. Энтальпия пара при выходе из перегревателя в точке / равна i₁ и в Ts-диаграмме (рис. 19-5)* изображается пл. 92’34617109. Энтальпия пара при вхо­де в конденсатор в точке 2 равна i₂ и в Ts-диаграмме изображается пл. 92’27109. Энтальпия воды при выходе из конденсатора в точке 2′ равна i’₂ и в Ts-диаграмме изображается пл. 92’8109. Полезная работа пара в цикле Ренкина изображается в ру-диаграмме пл. 2’346Г22′ (рис.19-5).

Если в цикле Ренкина учитывать работу насоса, то процесс адиабатного сжатия воды в нем представится в Ts-диаграмме (рис. 19-5) изохорой 2′-3, а изобара 3-4 будет соответствовать нагре­ванию воды в котле при давлении р₁ до соответствующей температу­ры кипения.

Термический к. п. д. цикла Ренкина определяется по уравнению

Теплота q₁ в цикле подводится при р — const в процессах 3-4 (подогрев воды до температуры кипения), 4-6 (парообразование) и 6-1 (перегрев пара) (см. рис. 19-5).

Для 1 кг пара q₁ равно разности энтальпий начальной и конечной точек процесса:

Это количество теплоты изображается в Ts-диаграмме пл. 82’346178. Отвод теплоты q_z осуществляется в конденсаторе по изобаре 2-2′, следовательно,

Отводимая теплота изображается в Ts-диаграмме пл. 2’2782′. Термический к. п. д. цикла Ренкина определяем по уравнению

(19-1)

Термический к. п. д. цикла может быть также получен по урав­нению

где l— полезная работа цикла.

Полезная работа цикла равна работе паровой турбины без ра­боты, затраченной на привод насоса. Работа паровой турбины равна уменьшению энтальпии в процессе 1-2:

При адиабатном сжатии воды в насосе и подаче ее в котел затра­чивается работа

отсюда к. п. д. цикла Ренкина равен

Учитывая, что вода практически является несжимаемой жид­костью, уравнение (19-1) можно представить в ином виде. При адиабатном сжатии воды в насосе и v = const

где v — удельный объем воды при давлении р₂.

Работа на привод насоса изображается в рv-диаграмме пл. 032’70 (см. рис. 19-4).

Заменив в уравнении (19-1) разность (i₃ —i’₂) на v(p₁ — р_г), получаем

(19-2)

В таком виде уравнение для термиче­ского к. п. д. цикла Ренкина применяет­ ся а технических расчетах. Напомним, что при невысоких давлениях в расчетах цикла Рен­кина делают следующие допущения: не учитывают повышения тем­пературы воды при адиабатном сжатии в насосе (практически точки 3 и 2′ в Ts-диаграмме сливаются; полагают, что изобары жидкости сливаются с нижней пограничной кривой вследствие того, что удель­ный объем воды весьма мал по сравнению с объемом пара; пренебре­гают работой насоса. Поэтому цикл Ренкина с учетом этих допуще­ний принимает вид, изображенный на рис. 19-6, а термический к. п. д. паротурбинного цикла определяется по приближенной формуле

(19-3)

Термический к. п. д. цикла Ренкина равен отношению адиабат­ного теплопадения к энтальпии перегретого пара минус энтальпия кипящей воды при давлении в конденсаторе и вычисляется по таблицам или по is-диаграмме водяного пара.

При расчетах паротурбинных установок и отдельных элементов в пей требуется знание массового удельного расхода пара, обычно обозначаемого буквой d.

Теоретический массовый удельный расход пара на 1 МДж со­ставляет

где i₁ и i₂ — энтальпии, измеряемые в кдж/кг.

Потери от необратимого расширения пара в двигателе учитыва­ются внутренним относительным к. п. д. турбины

где i_2д — энтальпия в конце действительного расширения пара в турбине.

Потери от необратимости, уменьшая полезную работу, увеличи­вают удельный расход пара:

Источник статьи: http://helpiks.org/3-16564.html