Способы повышения к.п.д. паросиловых установок. Паросиловые установки

Как было сказано выше, реакторную установку можно представить в виде тепловой машины, в которой осуществляется некий термодинамический цикл.

Теоретическим циклом современной паросиловой установки является цикл Ренкина.

Пароводяная смесь образовавшаяся в результате передачи тепловой энергии воде в активной зоне поступает в Барабан - сепаратор где происходит разделение пара и воды. Пар направляется в паровую турбину, где расширяясь адиабатно, совершает работу. Из турбины отработавший пар направляется в конденсатор. Там происходит отдача теплоты охлаждающей воде, проходящей через конденсатор. Вследствие этого пар полностью конденсируется. Полученный конденсат непрерывно засасывается насосом из конденсатора, сжимается и направляется вновь в барабан сепаратор.

Конденсатор играет двоякую роль в установке.

Во-первых, он имеет паровое и водяное пространство, разделенные поверхностью, через которую происходит теплообмен между отработавшим паром и охлаждающей водой. Поэтому конденсат пара может быть использован в качестве идеальной воды, не содержащей растворенных солей.

Во-вторых, в конденсаторе вследствие резкого уменьшения удельного объема пара при его превращении в капельножидкое состояние наступает вакуум, который будучи поддерживаемым в течение всего времени работы установки, позволяет пару расширяться в турбине еще на одну атмосферу (Рк 0,04-0,06 бар) и совершать за счет этого дополнительную работу.

Цикл Ренкина в T-S диаграмме.

Синяя линия в Т-S диаграмме воды является разделительной, при энтропии и температуре, соответствующим точкам, лежащим на диаграмме выше этой линии, существует только пар, ниже пароводяная смесь.

Влажный пар в конденсаторе полностью конденсируется по изобаре p2=const (точка 3). Затем вода сжимается насосом от давления P2 до давления P1, этот адиабатный процесс изображен в T-S-диаграмме вертикальным отрезком 3-5.

Длина отрезка 3-5 в T-S-диаграмме весьма мала, так как в области жидкости, изобары (линии постоянного давления) в T-S-диаграмме проходят очень близко друг от друга. Благодаря этому при изоэптропном (при постоянной энтропии) сжатии воды, температура воды возрастает менее чем на 2-3 єС, и можно с хорошей степенью приближения считать, что в области жидкости изобары воды практически совпадают с левой пограничной криво (синяя линия); поэтому зачастую при изображении цикла Ренкина в Т-S-диаграмме изобары в области жидкости изображают сливающимися с левой пограничной кривой. Малая величина отрезка адиабаты 3-5 свидетельствует о малой работе, затрачиваемой насосом на сжатие воды. Малая величина работы сжатия по сравнению с величиной работы, производимой водяным паром в процессе расширения 1-2, является важным преимуществом цикла Ренкина.

Из насоса вода под давлением P2 поступает в барабан сепаратор, а затем в реактор, где к ней в изобарно (процессе 5-4 P1=const) подводится тепло. Вначале вода в реакторе нагревается до кипения (участок 5-4 изобары P1=const) а затем, по достижении температуры кипения, происходит процесс парообразования (участок 4-3 изобары P2=const). Пароводяная смесь поступает в барабан-сепаратор, где происходит разделение воды и пара. Насыщенный пар, из барабана сепаратора поступает в турбину. Процесс расширения в турбине изображается адиабатой 1-2 (Этот процесс относится к классическому циклу Ренкина в реальной установке процесс расширения пара в турбине несколько отличается от классического). Отработанный влажный пар поступает в конденсатор, и цикл замыкается.

С точки зрения термического к.п.д. цикл Ренкина представляете менее выгодным, чем цикл Карно, изображенный выше, поскольку степень заполнения цикла (равно как и средняя температур подвода тепла) для цикла Ренкина оказывается меньше, чем в случае цикла Карно. Однако с учетом реальных условий осуществления экономичность цикла Ренкина выше экономичности соответствующего цикла Карно во влажном паре.

Для того чтобы увеличить термический к.п.д. цикла Ренкина, часто применяют так называемый перегрев пара в специальном элемент установки - пароперегревателе, где пар нагревается до температуры, превышающей температуру насыщения при данном давлении P1. В этом случае средняя температура подвода тепла увеличивается по сравнению с температурой подвода тепла в цикле без перегрева и, следовательно, термический к.п.д. цикла возрастает. Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом теплосиловых установок, применяемых в современной теплоэнергетике.

Поскольку в настоящее время не существует промышленных энергетических установок с ядерным перегревом пара (перегрев пара непосредственно в активной зоне ядерного реактора), то для одноконтурных ядерных реакторов BWR и РБМК используется цикл с промежуточным перегревом пара.

Т-S диаграмма цикла с промежуточным перегревом пара.

Для повышения КПД в цикле с промежуточным перегревом пара, используется двух ступенчатая турбина, состоящая из цилиндра высокого давления и нескольких (4 для РБМК) цилиндров низкого давления. Пар из барабана сепаратора направляется в цилиндр высокого давления (ЦВД), часть пара отбирается для перегрева. Расширяясь в цилиндре высокого давления процесс на диаграмме 1-6, пар совершает работу. После ЦВД пар направляется в пароперегреватель, где за счет охлаждения отобранной в начале части пара, осушается и нагревается до более высокой температуры, (но уже при более низком давлении, процесс 6-7 на диаграмме) и поступает в цилиндры низкого давления турбины (ЦНД). В ЦНД пар расширяясь, снова совершает работу (процесс 7-2 на диаграмме) и поступает в конденсатор. Остальные процессы соответствуют процессам в выше рассмотренном цикле Ренкина.

Регенеративный цикл.

Малое значение КПД цикла Ренкина по сравнению с циклом Карно связано с тем, что большое количество тепловой энергии при конденсации пара передается охлаждающей воде в конденсаторе. Для снижения потерь часть пара из турбины отбирается и направляется на регенерационные подогреватели, где тепловая энергия, высвобождаемая при конденсации отобранного пара, используется для подогрева воды, полученной после конденсации основного парового потока.

В реальных паросиловых циклах регенерация осуществляется с помощью регенеративных, поверхностных или смешивающих, теплообменников, в каждый из которых поступает пар из промежуточных ступеней турбины (так называемый регенеративный отбор). Пар конденсируется в регенеративных теплообменниках, нагревая питательную воду, поступающую в реактор. Конденсат греющего пара смешивается с основным потоком питательной воды.

Энергетический баланс паросиловой станции с турбиной показан на рис. 519. Он является примерным; к. п. д. паросиловой станции может быть и больше (до 27%). Потери энергии, которые имеют место при работе паросиловой станции, можно разделить на две части. Часть потерь обусловлена несовершенством конструкции и может быть уменьшена без изменения температуры в котле и в конденсаторе. Например, устроив более совершенную тепловую изоляцию котла, можно уменьшить потери теплоты в котельной. Вторая, значительно большая часть - потеря теплоты, переданной воде, охлаждающей конденсатор, оказывается при заданных температурах в котле и в конденсаторе совершенно неизбежной. Мы уже указывали (§ 314), что условием работы теплового двигателя является не только получение некоторого количества теплоты от нагревателя, но и передача части этой теплоты холодильнику.

Большой научный и технический опыт по устройству тепловых двигателей и глубокие теоретические исследования, касающиеся условий работы тепловых двигателей, установили, что к. п. д. теплового двигателя зависит от разности температур нагревателя и холодильника. Чем больше эта разность, тем больший к. п. д. может иметь паросиловая установка (конечно, при условии устранения всех технических несовершенств конструкции, о которых упоминалось выше). Но если разность эта невелика, то даже самая совершенная в техническом смысле машина не может дать значительного к. п. д. Теоретический расчет показывает, что если термодинамическая температура нагревателя равна , а холодильника , то к. п. д. не может быть больше чем

Рис. 519. Примерный энергетический баланс паросиловой станции с турбиной

Так, например, у паровой машины, пар который имеет в котле температуру 100 (или 373 ), а в холодильнике 25 (или 298 ), к. п. д. не может быть больше , т. е. 20% (практически, вследствие несовершенства устройства, к. п. д. такой установки будет значительно ниже). Таким образом, для улучшения к. п. д.. тепловых машин нужно перейти к более высоким температурам в котле, а следовательно, и к более высоким давлениям пара. В отличие от прежних станций, работавших при давлении 12-15 атм (что соответствует температуре пара 200 ), на современных паросиловых станциях начали устанавливать котлы на 130 атм и более (температура около 500 ).

Вместо увеличения температуры в котле можно было бы понижать температуру в конденсаторе. Однако это оказалось практически неосуществимым. При очень низких давлениях плотность пара очень мала и при большом количестве пара, пропускаемого за одну секунду мощной турбиной, объем турбины и конденсатора при ней должен был бы быть непомерно велик.

Кроме увеличения к. п. д. теплового двигателя, можно пойти по пути использования «тепловых отбросов», т. е. теплоты, отводимой водой, охлаждающей конденсатор.

Рис. 520. Примерный энергетический баланс ТЭЦ

Вместо того чтобы спускать нагретую конденсатором воду в реку или озеро, можно направить ее по трубам водяного отопления или использовать ее для промышленных целей в химической или текстильной промышленности. Можно также производить расширение пара в турбинах только до давления 5-6 атм. Из турбины при этом выходит еще очень горячий пар, могущий служить для ряда промышленных целей.

Станция, использующая отбросы теплоты, снабжает потребителей не только электрической энергией, полученной за счет механической работы, но и теплотой. Она называется теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Примерный энергетический баланс ТЭЦ представлен на рис. 520.

Паросиловая установка (ПСУ) - это комплекс энергетического оборудования, в котором в качестве рабочего тела используется водяной пар. Известны различные циклы ПСУ, в том числе цикл Карно, имеющий, как показано в гл. 4, наибольший термический КПД из всех возможных циклов в заданном интервале температур. Преимущество водяного пара состоит именно в том, что к нему в процессе парообразования можно подвести теплоту по изотерме и отвести теплоту также по изотерме при конденсации. Если же процессы подвода теплоты не связаны с фазовыми превращениями, осуществить их строго при постоянных температурах технически очень сложно. Можно утверждать, что технически цикл Карно возможен только в области влажного пара.

Для этого жидкость, находящуюся в состоянии насыщения (т. 7, рис. 8.1), следует направить в парогенератор, в котором к ней подводится теплота, например, от продуктов сгорания органического топлива или выделяющаяся при ядерной реакции. В области влажного пара изотерма и изобара совпадают, поэтому изобарный по сути процесс кипения в парогенераторе происходит и при постоянной температуре. Из парогенератора сухой насыщенный пар (т. 2) направляется для адиабатного расширения до давления в конденсаторе

Рис. 8.1.

(т. 3 ) в паровой двигатель - поршневую паровую машину или паровую турбину. В конденсаторе от отработанного пара при постоянном давлении и постоянной температуре отводится теплота и пар конденсируется, но не полностью (т. 4). Конденсатор - это теплообменный аппарат, в котором по многочисленным трубам небольшого диаметра движется так называемая циркуляционная вода, отводящая теплоту, выделяемую паром при конденсации на наружной поверхности труб. Влажный пар после конденсатора поступает в паровой поршневой или лопаточный компрессор и адиабатно сжимается до состояния насыщенной воды в т. 1.

Термический КПД цикла Карно в области влажного пара

Этот КПД имеет наибольшую из возможных величину для любых циклов, осуществляемых в диапазоне температур Т { _ 2 и Г 3 _ 4 .

К сожалению, отношение нельзя уменьшить произвольным

образом с целью увеличения КПД. Для водяного пара естественным пределом для Т { _ 2 является Т кр = 647 К, а для температуры конденсации нижним пределом является температура окружающей среды, в которую должна отводиться теплота, - Г 3 _ 4 > 300 К. Таким образом,

Действительный эффективный КПД рассматриваемого цикла окажется существенно меньше, так как расширение и, особенно, сжатие влажного пара сопровождаются большими потерями энергии. Более того, машина для адиабатного сжатия влажного пара, которая должна работать сначала как компрессор, сжимая пар с относительно высокой степенью сухости, а затем как насос, должна иметь слишком сложную конструкцию и не может быть надежной и дешевой.

Следует отметить, что использование температур 7\_ 2 , близких к Т кр, приводит к уменьшению полезной работы, производимой 1 кг пара в цикле. Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить площади 1-2-3-4и Г-2"-3"-4" на рис. 8.1.

Отмеченные недостатки цикла Карно органически ему присущи и препятствуют его практическому использованию. В то же время небольшие усовершенствования рассмотренного цикла, предложенные Уильямом Джоном Макуорном Ренкиным (1820-1872), превращают его в цикл, при помощи которого вырабатывается на тепловых и атомных электростанциях более 80% всей производимой на Земле электроэнергии.

Техническая термодинамика

1. Комбинированная выработка теплоты и электроэнергии – системный способ повышения эффективности энергогенерирующих установок. Простейшие схемы паротурбинных теплоэлектроцентралей. Энергетические характеристики ТЭЦ.

2. Комбинированная выработка теплоты и электроэнергии – системный способ повышения эффективности энергогенерирующих установок. Простейшие схемы теплоэлектроцентралей на базе газовых двигателей внутреннего сгорания. Энергетические характеристики ТЭЦ.

3. Паросиловые установки (ПСУ): Промежуточный перегрев пара, причины применения, схемы, теоретический и действительный циклы, КПД и мощность ПСУ.

4. Паросиловые установки (ПСУ): Схемы регенерации с отборами, циклы регенеративные в Ts-, hs- диаграммах. КПД регенеративных циклов. Использование теплоты перегрева пара отборов и теплоты переохлаждения конденсата в регенеративных подогревателях.

5. Термодинамика потока: характерные скорости и параметры адиабатного потока Скорость звука, уравнение Лапласа. Максимальная и критическая скорости, основные безразмерные числа. Условия перехода скорости потока через скорость звука. Принцип обращения внешних воздействий.

6. Термодинамика потока: Статические параметры и параметры торможения. Соотношение между статическими параметрами и параметрами торможения.

7. Термодинамика потока: истечение газов и паров из сопл.

8. Основные процессы с реальными газами на примере водяного пара и их расчет с помощью таблиц и диаграмм: изобарный процесс (конденсатор, охладитель конденсата, охладитель перегрева).

9. Основные процессы с реальными газами на примере водяного пара и их расчет с помощью таблиц и диаграмм: изобарный процесс (испаритель, пароперегреватель, экономайзер).

10. Основные процессы с реальными газами на примере водяного пара и их расчет с помощью таблиц и диаграмм: адиабатный процесс (турбина и детандер, насос, вентилятор).

11. Влажный воздух: основные понятия и характеристики влажного воздуха. Расчетные зависимости для газовой постоянной, кажущейся молярной массы, плотности, теплоемкости, энтальпии влажного воздуха.

12. Влажный воздух. Hd-диаграмма влажного воздуха. Основные процессы влажного воздуха.

13. Реальные вещества. Критическое состояние. Фазовые диаграммы состояния: рv-, Ts-, hs-. Термодинамические свойства воды. Термодинамические таблицы, диаграммы и уравнения состояния воды.

14. Условия равновесия и устойчивости термодинамических систем: общие условия устойчивого равновесия однофазной системы. Равновесие двухфазной системы при плоской и криволинейной поверхности раздела фаз.

15. Условия равновесия и устойчивости термодинамических систем: равновесие трехфазной системы. Правило фаз Гиббса. Фазовые переходы 1-го рода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Фазовая диаграмма состояния.

16. Фазовая диаграмма состояния рТ. Фазовые диаграммы состояния: рv-, Ts-, hs-

17. ГТУ. Общие сведения. Идеализированный цикл простейшей ГТУ с изобарным подводом теплоты.

18. ГТУ. Общие сведения. Идеализированный цикл простейшей ГТУ с изохорным подводом теплоты.

19. ГТУ. Общие сведения. Цикл простейшей ГТУ с изобарным подводом теплоты и необратимыми процессами сжатия и расширения рабочего тела.

20. ГТУ. Общие сведения. Регенерация в ГТУ.

21. Двигатели с газообразным рабочим телом. Общие сведения. Поршневые ДВС и их механические циклы. Идеальный цикл Отто: (исходные данные, расчет характерных точек, подводимая, отводимая теплота цикла, работа цикла, термический КПД, среднее индикаторное давление).

22. Двигатели с газообразным рабочим телом. Общие сведения. Поршневые ДВС и их механические циклы. Идеальный цикл Дизеля: (исходные данные, расчет характерных точек, подводимая, отводимая теплота цикла, работа цикла, термический КПД, среднее индикаторное давление).

23. Двигатели с газообразным рабочим телом. Общие сведения. Идеальный цикл Тринклера: (исходные данные, расчет характерных точек, подводимая, отводимая теплота цикла, работа цикла, термический КПД, среднее индикаторное давление).

24. Компрессор. Общие сведения. Индикаторная диаграмма реального компрессора. Идеальный одноступенчатый компрессор. Работа компрессора, влияние характера процесса на работу компрессора.

25. Компрессор. Общие сведения. Необратимое сжатие в компрессоре, адиабатный и изотермный КПД компрессора. Влияние вредного пространства на работу компрессора. Объемный КПД компрессора.

26. Компрессор. Общие сведения. Многоступенчатый компрессор. Причины применения, схема, диаграммы процессов, распределение давления по ступеням сжатия, теплота, отводимая в промежуточных теплообменниках.

27. Термодинамические процессы идеального газа. Методика исследования основных процессов. Группы процессов в pv- и Ts- диаграммах. Средняя интегральная температура подвода теплоты процесса.

28. Термодинамика идеального газа. Смеси идеальных газов. Общие положения. Закон Дальтона. Способы задания смеси. Газовая постоянная, кажущаяся молярная масса, плотность, теплоемкость, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия газовой смеси. Энтропия смешения.

29. Первый закон термодинамики. Виды энергии. Теплота и работа – формы передачи энергии. Балансы энергии и теплоты технической системы. Абсолютные и относительные характеристики технической системы на базе балансовых уравнений 1-го закона.

30. Второй закон термодинамики. Формулировки и их соотношение друг с другом. Значение понятия обратимости. Внешняя и внутренняя необратимость. Энтропия. Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах. Аналитическое выражение 2-го закона термодинамики. Единое уравнение (тождество) термодинамики для закрытых систем

Комбинированная выработка теплоты и электроэнергии – системный способ повышения эффективности энергогенерирующих установок. Простейшие схемы паротурбинных теплоэлектроцентралей. Энергетические характеристики ТЭЦ.

Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии называется теплофикацией. Если учесть, что использование тепловой мощности ТЭЦ сильно затягивается во времени, то становится понятным широкое применение в последние годы крупных районных котельных.

Для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии предназначены ТЭЦ, которые сооружаются в пределах крупных городов или промышленных районов.

При комбинированной выработке тепловой и электрической энергии, что является главной особенностью теплофикации, используется теплота, выделяемая в подогревателях при конденсации пара, который предварительно проходит турбину. Эта теплота на конденсационных электростанциях, как уже указывалось, теряется с охлаждающей водой

При комбинированной выработке тепловой и электрической энергии пар отпускается потребителю из (Промежуточного отбора. От 1 кг свежего пара потребитель получает тепло в количестве (/ - fк шд) ккал / кг, где / к - теплосодержание пара по выходе из котлов ниекого давления, а / конд - возвращаемого от потребителя конденсата; от 1 кг пара из отбора турбины потребитель получает (/ отб - / к.

Значительными преимуществами отличается комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. В тех случаях, когда наряду с потребителями электрической имеются потребители и тепловой энергии (для отопления, для технологических целей), можно использовать тепло отработавшего пара паровой турбины. Но при этом давление отработавшего пара, или, как его принято называть, противодавление, всецело определяется параметрами пара, необходимыми для тепловых по требителей. Так, например, при использовании пара для молотов и прессов требуемое давление его составляет 10 - 12 ата, в ряде технологических процессов используется пар давлением в 5 - 6 ата. Для отопительных целей, когда требуется нагрев воды до 90 - 100 С, может использоваться пар с давлением 1 1 - 1 2 ата.

а-промышленная ТЭЦ;
б- отопительная ТЭЦ;
1 - котел (парогенератор);
2 - топливо;
3 - паровая турбина;
4 - электрический генератор;
5 - конденсатор отработавшего пара турбины;
6 - конденсатный насос;
7- регенеративный подогреватель;
8 - питательный насос парового котла;
7-сборный бак конденсата (лучше деаэратор там поставить )
9- потребитель теплоты;
10- подогреватель сетевой воды;
11-сетевой насос;
12-конденсатный насос сетевого подогревателя

Экономичность работы ТЭЦ принято характеризовать коэффициентом использования теплоты:

Количество электрической и тепловой энергии соответственно отданное потребителю в единицу времени

B – расход топлива за то же время

Низшая теплота сгорания топлива

2 Комбинированная выработка теплоты и электроэнергии – системный способ повышения эффективности энергогенерирующих установок. Простейшие схемы теплоэлектроцентралей на базе газовых двигателей внутреннего сгорания. Энергетические характеристики ТЭЦ.

1-ая часть в вопросе №1 (Комбинированная выработка теплоты и электроэнергии – системный способ повышения эффективности энергогенерирующих установок.)

Комбинированная выработка теплоты и электроэнергии - это совместное (комбинированное) интегрированное производство 2-х продуктов: тепловой и электрической энергии. Принципиальная схема простейшей ТЭЦ на базе газовой турбины (ПГУ)показана на рисунке:

Описание технологии:

Простейшая газотурбинная установка (ГТУ) состоит из камеры сгорания (1), газовой турбины (2) и воздушного компрессора (3). Газовая турбина используется здесь для привода синхронного генератора (4) и компрессора. Принцип работы ПГУ прост: сжимаемый компрессором воздух нагнетается в камеру сгорания, в которую подается и газообразное или жидкое топливо. Образовавшиеся продукты сгорания направляются в турбину, для которой они являются рабочим телом. Отработавшие в турбине газы здесь не выбрасываются в атмосферу как в простой ГТУ, а поступают в котел-утилизатор (8), где их тепло используется для производства пара и обеспечения термодинамического цикла по обычной схеме. Пар идет на паровую турбину (5), откуда поступает к потребителю.

В данной схеме используется теплофикационная турбина для производства работы и теплоты. 2 отбора пара с паровой турбины. 11 – это конденсатор.

Экономичность работы ТЭЦ характеризуется коэффициентом использования теплоты:

Отношение суммы работы и теплоты отданных потребителю к теплоте, выделившейся при сгорании толива

Qнр -низшая теплота сгорания;

B – теплота сгорания;

Wэ и Qтп - количество электрической(для каждого генератора своя) и тепловой энергии, отданной потребителю

ПСУ: схема генерации с отборами, циклы регенеративные в Т-с и ш-с диагр., кпд регенерат. циклов, использ. теплоты перегрева паров отборов и теплоты переохлаждения конденесата в регенеративных подогревателях.

Паросиловой установкой (ПСУ) называют тепловой двигатель, в котором рабочее тело испытывает фазовые превращения. ПСУ нашли широкое применение на тепловых электрических станциях (ТЭС) для выработки электроэнергии. Примененяются ПСУ и на водном, железнодорожном транспорте. Как транспортный двигатель ПСУ малочувствительна к перегрузкам, экономична на лю бом режиме. Ее отличает простота и надежность конструкции, меньшее в сравнении с двигателем внутреннего сгорания загрязнение окружающей среды. На определенном этапе развития техники, когда вопрос о загрязнении окружающей среды не стоял так остро, а топка с открытым пламенем представлялась опасной, ПСУ на транспорте вытеснили газовые двигатели. В настоящее время паросиловой двигатель считается перспективным и экономически, и экологически.

В ПСУ в качестве узла, отводящего от рабочего тела полезную работу может использоваться как поршневой цилиндр, так и паровая турбина. Поскольку в настоящее время турбины нашли более широкое применение, в дальнейшем будем рассматривать только паротурбинные установки. В качестве рабочего тела ПСУ могут использоваться различные вещества, однако основным рабочим телом является (и в обозримом будущем останется) вода. Это объясняется многими факторами, в том числе и ее термодинамическими свойствами. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать ПСУ с водой в качестве рабочего тела. Принципиальная схема простейшей ПСУ изображена на рисунке

В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p 1 , t 1 , i 1 , который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p 2 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 р 2 и температуре t 2 в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется.

Характерными особенностями ПСУ являются:

Наличие фазовых превращений в котлоагрегате и конденсаторе;

Продукты сгорания топлива непосредственно не участвуют в

цикле, а являются лишь источником теплоты q1, передаваемой через

стенку рабочему телу;

Цикл является замкнутым и теплота q2 передается окружающей среде через поверхность теплообмена;

Вся теплота отводится при минимальной температуре цикла, которая не изменяется благодаря изобарному фазовому переходу;

В ПСУ принципиально осуществим цикл Карно.

1.2. Повышение тепловой эффективности паросиловых установок на основе использования регенеративного цикла

Несмотря на то, что в настоящее время осуществляется массовое освоение высоких и сверхвысоких параметров пара ( = 23...30 МПа;
= 570...600°С) и глубокого вакуума в конденсаторе (97%, или р 2 = 0,003 МПа), термический КПД цикла Ренкина не превышает 50%. В реальных установках доля полезно 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. В частности, использование предварительного подогрева питательной воды за счет отработавшего пара (регенеративный цикл) . Рассмотрим этот цикл.

Особенность этого цикла состоит в том, что конденсат, имеющий после конденсатора температуру 28...30°С, прежде чем поступить в котел подогревается в специальных теплообменниках П1–ПЗ (рис. 8, а)паром, отбираемым из промежуточных ступеней турбины. Осуществляя ступенчатый подогрев воды за счет ступенчатого отбора теплоты пара в процессе его расширения, можно реализовать идею регенеративного цикла Карно, как это показано на рис. 8, бдля участка цикла в области насыщенного пара.

Рис. 8. Схема п. с. у. (а) и изображение регенеративного цикла (б)

Увеличивая число отборов до бесконечности (предельно регенеративный цикл), можно процесс расширения приблизить до пунктирной кривой, которая будет эквидистантой кривой процесса подогрева 4 – 4". Однако технически это реализовать невозможно и практически экономически оправдывается применение пяти – восьми ступеней подогрева. Цикл п.с.у. с регенерацией, строго говоря, нельзя изобразить на T-s-диаграмме, поскольку она строится для постоянного (1 кг) количества вещества, тогда как в цикле с регенерацией количество пара различно по длине турбины. Поэтому цикл, показанный на рис. 8, б,является несколько условным. При отборе пара на подогрев конденсата, с одной стороны, уменьшается расход теплоты на получение пара, но с другой, одновременно уменьшается работа пара в турбине. Несмотря на противоположный характер этих влияний, отбор всегда повышает . Это объясняется тем, что при подогреве питательной воды за счет теплоты конденсации отобранного пара устраняется подвод теплоты от внешнего источника на участке 4 – 4", и таким образом средняя температура подвода теплоты от внешнего источника в регенеративном цикле увеличивается (подвод внешней теплоты q 1 осуществляется только на участке 4" – 5 – 6– 7).

Кроме этого, регенеративный подогрев питательной воды уменьшает необратимость в процессе передачи теплоты от газов к воде на участке 4" – 5, так как уменьшается разность температур между газами и предварительно подогретой водой.

Задачи, связанные с осуществлением регенеративного цикла, удобно решать, пользуясь диаграммой. Для этого рассмотрим схему и регенеративный цикл п.с.у. с одним отбором (рис. 9). Пересечение адиабаты расширения 1 – 2(рис. 9,б) с изобарой отбора дает точку 0, характеризующую состояние пара в отборе.

Рис. 9. Схема п. с. у. с одним регенеративным отбором пара

(а) и изображение процессов i – s-диаграмма (б)

Из рис. 9,авидно, что от 1 кг пара, поступающего в турбину, кг пара расширяется только до давления отбора , производя полезную работу ,а () кг расширяется в турбине до конечного давления . Полезная работа этого потока пара . Общая работа 1 кг пара в регенеративном цикле:

Количество теплоты, затраченной на получение 1 кг пара: (10)

Термический КПД регенеративного цикла: . (11)

Процессы в регенеративных подогревателях рассматриваются как изобарные, и считается, что из подогревателя вода выходит в состоянии насыщения при давлении пара в соответствующем отборе ( и т. п.).

Количество отобранного пара определяется из балансового уравнения теплоты для смешивающего подогревателя:

откуда: , (13)

где – энтальпия жидкости при давлении отбора ; – энтальпия пара, отбираемого из турбины; – энтальпия конденсата, выходящего из конденсатора. Аналогично можно определить расход пара в местах любого отбора.

Применение регенеративного подогрева питательной воды увеличивает термический КПД цикла п. с. у. на 8...12%.

Целью выполнения самостоятельной работы является освоение методики расчета регенеративного цикла паротурбинной установки и определение основных термодинамических показателей исследуемого цикла, включая термический КПД, с оценкой эксергетических потерь в основных элементах паросиловой установки.

Термодинамика потока: характерные скорости и параметры адиабатного потока Скорость звука, уравнение Лапласа. Максимальная и критическая скорости, основные безразмерные числа. Условия перехода скорости потока через скорость звука. Принцип обращения внешних воздействий.

Понятие скорости звука имеет важное значение в термодинамике потока, поскольку дозвуковое и сверхзвуковое течения среды имеют качественные различия: любые воздействия дают противоположные результаты в дозвуковком и сверхзвуковом потоках; все параметры потока при дозвуковом течении меняются непрерывно, при сверхзвуковом течении возможно изменение параметров скачком,разрывом непрерывности течения.

Скоростью звука (а, м/с) называют скорость распространения звуковых волн. Волнами являются распространяющиеся в среде возмущения какой-либо физической величины, характеризующей состояние этой среды. Звуковыми волнами называются распространяющиеся в упругой среде слабые возмущения - механические колебания с малыми амплитудами.

Например, в некоторой точке внешнее тело, называемое источником звука, вызывает слабые механические возмущения. В результате происходит всплеск давления dp. Скорость распространения этого всплеска и есть скорость звука, обозначаемая «а».

Процесс распространения звукового возмущения является адиабатным процессом, описываемым уравнением Лапласа

Для него справедливо уравнение адиабатного про­цесса идеального газа (7.19), которое представим в виде

р/ р к = const

Скорость звука, таким образом, зависит от характера среды (kR) и температуры среды.

Поскольку в потоке температура среды (10 5) изменяется с изменением координаты х, скорость звука изменяется при переходе от одного сечения к другому.В этой связи понятна необходимость понятия местной скорости звука.

Местной скоростью звука называют скорость распространения звука в данной точке потока..

Максимальная и критическая скорости потока

Скорость потока может быть определена из уравне ния энергии потока

В случае, когда можно пренебречь начальной скоростью потока (W| = 0), последнее соотношение приобретает форму

В формулах (10.29), (10.30) энтальпия подставляется только в Дж/кг, тогда скорость будет иметь размерность м/с. Если энтальпия определена кДж/кг, соотношение (10.30) соответственно изменяется

Скорость течения достигает максимального значения w MaKc в сечении, где энтальпия потока достигает нулевого значения h = 0, это имеет место при истечении в пустоту (р = 0) и, согласно соотношению параметров в адиабатном процессе расширения (7.21), Т= 0. Достижению потоком максимальной скорости соответствует преобразование всей энергии хаотичного (теплового) движения молекул в энергию направленного, упорядоченного движения.

Проведенный выше анализ позволяет установить, что скорость потока может принимать значения в рамках 0...Wмакс

Из уравнения импульсов (10.12) вытекает связь между изменением давления и изменением скорости потока: ускорение потока (dw > 0) сопровождается падением давления (dp < 0) и наоборот. Возвращаясь к соотношению параметров в адиабатном процессе расширения, устанавливаем неизбежное уменьшение температуры ускоряющегося адиабатного потока и, согласно (10.28), падение величины скорости звука. Изменение параметров адиабатного ускоряющеюся потока, установленное выше, иллюстрирует рис. 10.5.

На графике видно чтоимеется сечение потока, в котором его скоростьа совпадает по величине с местной скоростью звука. Оно получило название критического сечения потока, поскольку разделяет дозвуковую и сверхзвуковую части потока, отличающиеся друг от друга качественно. Крит ические параметры потока - параметры в сечении канала, где скорость течения равняется местной скорости звука.

Скорость потока в этом случае именуется критической скоростью потока.

Критическим отношением давлений (П кр) называют отношение критического значения давления потока газа (р кр) к его давлению (р {)) во входном сечении канала при начальной скорости, равной нулю

∏кр = Ркр/Ро- (10.32)

В расчетах и анализе потока удобно использовать не абсолютные значения скорости, а относительные характеристики:

число М - отношение скорости потока в данном сечении к местной скорости звука

М = w/a.; (10.33)

~ число λ- отношение скорости потока в данном

сечении к критической скорости потока

λ = w/aкр; (10.34)

~ число ƹ - отношение скорости потока в данном сечении к скорости звука в заторможенном потоке

число А - отношение скорости потока в данном сечении к максимальной скорости потока: А = w/wмакс

Общие сведения

Практически до 70-х годов XX столетия единственным тепловым двигателем, использовавшимся в промышленности, была паровая поршневая машина, малоэкономичная и работавшая на насыщенном паре низкого а давления. Первый непрерывнодействующий тепловой двигатель (паровая маши на) был разработан И.И. Ползуновым. Первая машина была атмосферной. Когда одна из подпоршневых полостей соединялась с котлом, поршень под действием давления пара поднимался вверх, после чего парораспределительный кран поворачивался и отсекал подпоршневую полость от котла. Через трубку впрыскивалась вода, пар конденсировался, и под поршнем создавался вакуум. Под действием атмосферного давления поршень опускался и совершая полезную работу.

К 80-м годам был практически освоен цикл работы двигателей внут­реннего сгорания (цикл Отто), но, по существу, этот цикл отражает прин­ципы многих других изобретателей, и особенно принцип Бо-де-Роша.

Идеальный цикл такого двигателя, называемый циклом двигателей внут­реннего сгорания с подводом к газу теплоты при постоянном объеме, включает адиабатное сжатие рабочего газа, изохорный подвод к газу теплоты, адиабатное расширение рабочего тела и изохорный-отдача рабочим телом теплоты.

Тепловой двигатель Николауса Августа Отто не допускал высокого сжатия, и КПД его поэтому был невелик. Стремясь создать более совре­менный двигатель внутреннего сгорания с высоким КПД, немецкий ин­женер Р. Дизель разработал другой принцип работы, отличавшийся от прин­ципа работы двигателя Отто.

Первая попытка избавиться от компрессора принад­лежит нашему соотечественнику проф. Г.В. Тринклеру, которым и был в 1904 г. построен бескомпрессорный двигатель. Двигатель Тринклера не вошел в серий­ное производство, хотя и был выполнен на одном из германских заводов (заводе Кертинга). В бескомпрессорных дизелях был осуществлен новый третий по счету рабочий цикл. Идеальный цикл этого двигате­ля, называемый циклом со смешанным подводом теп­лоты, состоит из адиабатного сжатия воздуха, изохорного, а затем изобарного подвода теплоты, адиабатно­го расширения газов и изохорной отдачи теплоты.

Тепловые двигатели, в которых газообразные про­дукты сгорании являются одновременно рабочим телом, называют двигателями внутреннего сгора­ния. Двигатели внутреннего сгорания выполнены в виде поршневых двигателей, газовых турбин 1 и ре­активных двигателей.

Тепловые двигатели (паровые машины), в которых продукты сгорания являются только нагревателем (теплоотдатчиком), а функции рабочего тела выпол­няют жидкая и перовая фазы, называются двигате­лями внешнего сгорания. Двигатели внешнего сгора­ния- паросиловые установки: паровые машины, па­ровые турбины, ядерные энергетические установки.

Идеальный цикл Отто

Aдиабатный и изотермный КПД

В действительности на работе компрессора сказывается не только влияние вредного объема, но и трение газа, и изменение давления газа при всасывании и удалении его из цилиндра.

На рис.1.85 приведена реальная индикаторная диаграмма. На линии всасывания из-за неравномерного движения поршня, инерции пружины и клапана, давление газа в цилиндре колеблется и оказывается ниже начального давления газа р1. На линии выталкивания газа из цилиндра по тем же причинам давление газа оказывается большим конечного давления р2. Политропическое сжатие, реализуемое в охлаждаемых компрессорах, сравнивается с обратимым изотермическим сжатием с помощью изотермического к.п.д. ηиз = lиз/lкп.

Адиабатное необратимое сжатие, реализуемое в неохлаждаемых компрессорах, сравнивается с адиабатным обратимым сжатием с помощью адиабатного к.п.д. ηад = lад/lка.

Для различных компрессоров величина изотермического к.п.д колеблется в пределах ηиз = 0,6÷0,76; величина адиабатного к.п.д - ηад = 0,75÷0,85.

Энтропия смешения.

∆s см = – R см ∑ r i ln r i - энтропия смешения для смеси 2 газов.

Чем она больше, тем более необратим процесс смешения.

Зависит от состава смеси, не зависит от температуры и давления.

∆s см /R см зависит от количественных пропорций компонентов смеси и не зависит от их природы.

Первый закон термодинамики. Виды энергии. Теплота и работа – формы передачи энергии. Балансы энергии и теплоты технической системы. Абсолютные и относительные характеристики технической системы на базе балансовых уравнений 1-го закона.

Первый закон термодинамики – закон сохранения и превра-щения энергии для термодинамиче-ских систем и процессов

Ана-литически это можно записатьW = const, или

W 1 – W 2 = 0,

где W 1 , W 2 – соответственно в начальном и конечном состояниях энергия рассматриваемой изолиро-ванной ТС.

Из сказанного вытекает форму-лировка первого закона термодина-мики: невозможны уничтожение и возникновение энергии.

Для закрытой, адиабатной ТС, изменение энергии системы опре-деляется величиной работы L, ко-торой она обменивается с окруже-нием в неком термодинамическом процессе изменения состояния

W 1 – W 2 = L.

Для закрытой ТС, которая мо-жет обмениваться энергией с окру-жением только в форме теплоты Q, изменение энергии в ходе некоего термодинамического процесса мо-жет быть определено

W 1 – W 2 = - Q.

Для закрытой ТС, изменяющей свое состояние в процессе 1 – 2, в общем случае имеет место соотно-шение

W 1 – W 2 = L – Q. (1.29)

Теплота и работа являются единственно возможными форма-ми передачи энергии от одних тел к другим – еще одна формулировка первого закона термодинамики для закрытых ТС.

Если закрытая ТС совершает круговой термодинамический про-цесс, то после его завершения все параметры системы принимают на-чальное значение, что позволяет последнее равенство записать в ви-де

Из этого следует наиболее по-пулярная формулировка первого за-кона термодинамики: вечный дви-гатель первого рода невозможен .

Виды энергии : внутренняя (U), химическая, ядерная, кинетическая. В ряде случаев удобно разделять энергию по при-знаку количественного превраще-ния одного вида энергии в другие. Энергия, которая полностью может быть превращена из одного вида в любой другой, относится к, так на-зываемому, первому виду. Если же, по тем или иным причинам, пре-вращение в какой-либо другой вид энергии полностью невозможно ее относят к, так называемому, второ-му виду.

Энергия ТС в общем случае мо-жет быть определена

W = W пот + W кин + U

Единицей измерения энергии в системе физических единиц СИ яв-ляется 1 Дж (Джоуль). При исполь-зовании иных систем приходится иметь дело с другими единицами измерения энергии: калория, эрг, килограммометр и др.

Второй закон термодинамики. Формулировки и их соотношение друг с другом. Значение понятия обратимости. Внешняя и внутренняя необратимость. Энтропия. Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах. Аналитическое выражение 2-го закона термодинамики. Единое уравнение (тождество) термодинамики для закрытых систем

Второй закон термодинамики.

Второй закон как и первый является обобщенным опытными данными и никак не доказывается. Он относится к системе, находящейся в состоянии равновесия, к процессу перехода системы из одного состояния равновесия в другое. Он рассматривает направленность протекания естественных процессов, говорит о том, что различные виды энергии неравноценны.

Все процессы в природе протекают в направлении исчезновения движущей силы(градиент температур, давлений, концентраций). На изложенных фактах и основывается одна из формулировок закона : теплота не может переходить от менее к более нагретому телу . Вывод из 2-го закона: он устанавливает неравноценность теплоты и работы, и если при преобразовании работы в теплоту можно ограничиться изменением состояния одного теплоприемника, то при преобразовании теплоты в работу необходимо компенсация.

Другая формулировка закона: Невозможен вечный двигатель 2-го рода , то есть нельзя создать машину, единственным результатом функционирования которой будет охлаждение теплового резервуара.

Понятие обратимости.

Понятие обратимости занимает центральное место:

1) оно является водоразделом между феноменологической термодинамикой и статической физикой;

2) понятие обратимости позволяет получить точку отсчёта для оценки термодинамического совершенства протекания процесса.

Обратимый процесс – термодинамический процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (ОС) могут возвратиться в начальное состояние без того, чтобы в системе и ОС возникали какие-либо остаточные изменения.

Необратимый процесс – термодинамический процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (ОС) не могут возвратиться в начальное состояние без возникновения остаточных изменений в системе или ОС.

Существует множество внутренних и внешних факторов, которые создают необратимость процессов.

Внутреннюю необратимость вызывает внутреннее трение молекул жидкости в результате молекулярных сил и турбулентности.

Внешняя необратимость следует из внешних факторов системы. Одна из самых частых причин внешней необратимости - механическое трение. Трение присутствует во всех процессах, где поверхность тела или вещества трется о другую поверхность. Другая причина внешней необратимости - процесс теплопередачи. По своей природе теплопередача происходит только в одном направлении: от более теплой области к более холодной. Следовательно, процесс невозможно полностью обратить, так как теплота не передается от более холодных областей более теплым без применения работы.

Энтропия.

Энтропия – функция состояния термодинамической системы, определяемая тем, что ее дифференциал (dS) при элементарном равновесном (обратимом) процессе, происходящем в этой системе, равен отношению бесконечно малого количества теплоты (dQ), сообщенной системе, к термодинамической температуре (T) системы.

Введение энтропии дает нам ещё одно уравнение для расчета теплоты процесса, использование которого более удобно известного уравнения через теплоемкость. Площадь под графиком процесса в Т(S) – диаграмме в масштабе изображает теплоту процесса.

Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах.

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.