Modalități de creștere a eficienței centrale cu abur. Centrale electrice cu abur

După cum sa menționat mai sus, o instalație de reactor poate fi reprezentată ca un motor termic în care se realizează un anumit ciclu termodinamic.

Ciclul teoretic al unei centrale moderne cu abur este ciclul Rankine.

Amestecul abur-apă format ca urmare a transferului de energie termică către apă din miez intră în separatorul-tambur unde are loc separarea aburului și a apei. Aburul este trimis la o turbină cu abur, unde se extinde adiabatic și funcționează. Din turbină, aburul de evacuare este trimis la condensator. Acolo, căldura este transferată în apa de răcire care trece prin condensator. Ca urmare, aburul este complet condensat. Condensul rezultat este aspirat continuu din condensator de către o pompă, comprimat și trimis înapoi în tamburul separator.

Condensatorul joacă un rol dublu în instalație.

În primul rând, are un spațiu pentru abur și apă, separat de o suprafață prin care are loc schimbul de căldură între aburul evacuat și apa de răcire. Prin urmare, condensul de abur poate fi folosit ca apă ideală care nu conține săruri dizolvate.

În al doilea rând, în condensator, din cauza scăderii accentuate a volumului specific de abur atunci când acesta se transformă într-o stare de picătură lichidă, se instalează un vid care, menținut pe toată durata funcționării instalației, permite aburului să se extindă în turbina printr-o altă atmosferă (Pk 0,04-0,06 bar) și faceți lucrări suplimentare din acest motiv.

Ciclul Rankine în diagrama T-S.

Linie albastră înăuntru Diagrama T-S apa se separa, la entropia si temperatura corespunzatoare punctelor situate pe diagrama deasupra acestei linii, doar abur exista, sub amestecul abur-apa.

Aburul umed din condensator este complet condensat de-a lungul izobarei p2=const (punctul 3). Apoi apa este comprimată de o pompă de la presiunea P2 la presiunea P1, acest proces adiabatic este reprezentat în diagrama T-S de segmentul vertical 3-5.

Lungimea segmentului 3-5 din diagrama T-S este foarte mică, deoarece în regiunea lichidă, izobarele (liniile de presiune constantă) din diagrama T-S sunt foarte apropiate unele de altele. Din acest motiv, la compresia izoetropică (la entropie constantă) a apei, temperatura apei crește cu mai puțin de 2-3 °C și se poate considera cu un bun grad de aproximare că în regiunea lichidă izobarele apei practic coincid. cu curba de limita stângă (linie albastră); prin urmare, deseori atunci când descrieți ciclul Rankine într-o diagramă T-S, izobarele din regiunea lichidă sunt reprezentate îmbinându-se cu curba limită din stânga. Valoarea mică a segmentului adiabatic 3-5 indică munca mica cheltuită de pompă pentru comprimarea apei. Cantitatea mică de lucru de compresie în comparație cu cantitatea de muncă produsă de vaporii de apă în timpul procesului de expansiune 1-2 este un avantaj important al ciclului Rankine.

Din pompă, apa sub presiune P2 intră în tamburul separator, iar apoi în reactor, unde i se furnizează căldură în mod izobar (procesul 5-4 P1=const). Mai întâi, apa din reactor se încălzește până la fierbere (secțiunea 5-4 izobare P1=const) și apoi, la atingerea punctului de fierbere, are loc procesul de vaporizare (secțiunea 4-3 izobare P2=const). Amestecul de abur-apă intră în tamburul separator, unde apa și aburul sunt separate. Aburul saturat din tamburul separator intră în turbină. Procesul de expansiune în turbină este reprezentat de adiabaticul 1-2 (Acest proces se referă la ciclul Rankine clasic; într-o instalație reală, procesul de dilatare a aburului în turbină este oarecum diferit de cel clasic). Aburul umed consumat intră în condensator și ciclul se închide.

Din punct de vedere al randamentului termic Ciclul Rankine pare a fi mai puțin avantajos decât ciclul Carnot descris mai sus, deoarece gradul de umplere a ciclului (precum și temperatura medie de alimentare cu căldură) pentru ciclul Rankine se dovedește a fi mai mic decât în ​​cazul ciclului Carnot. Totuși, ținând cont de condițiile reale de implementare, eficiența ciclului Rankine este mai mare decât eficiența ciclului Carnot corespunzător în abur umed.

Pentru a crește eficiența termică. Ciclul Rankine, așa-numita supraîncălzire cu abur este adesea folosit element special instalație - un supraîncălzitor cu abur, unde aburul este încălzit la o temperatură care depășește temperatura de saturație la o anumită presiune P1. În acest caz, temperatura medie de intrare a căldurii crește în comparație cu temperatura de intrare a căldurii în ciclu fără supraîncălzire și, prin urmare, eficiența termică. ciclul crește. Ciclul Rankine cu abur supraîncălzit este ciclul principal al centralelor termice utilizate în ingineria modernă a energiei termice.

Deoarece în prezent nu există centrale industriale cu supraîncălzire cu abur nuclear (supraîncălzire cu abur direct în miezul unui reactor nuclear), atunci pentru un singur circuit reactoare nucleare BWR și RBMK folosesc un ciclu cu supraîncălzire intermediară a aburului.

Diagrama T-S a unui ciclu cu supraîncălzire intermediară a aburului.

Pentru creşterea eficienţeiîntr-un ciclu cu supraîncălzire intermediară a aburului se utilizează o turbină în două trepte, formată dintr-un cilindru presiune mareși mai mulți (4 pentru RBMK) cilindri joasă presiune. Aburul din tamburul separator este direcționat către cilindrul de înaltă presiune (HPC), iar o parte din abur este preluată pentru supraîncălzire. Pe măsură ce procesul din diagrama 1-6 se extinde în cilindrul de înaltă presiune, aburul funcționează. După HPC, aburul este trimis la supraîncălzitor, unde, datorită răcirii părții de abur selectată la început, este uscat și încălzit la o temperatură mai mare (dar la o presiune mai mică, procesați 6-7 in diagrama) și intră în cilindrii de joasă presiune ai turbinei (LPC) . În LPC, aburul se extinde, lucrează din nou (procesul 7-2 din diagramă) și intră în condensator. Procesele rămase corespund proceselor din ciclul Rankine discutate mai sus.

Ciclul regenerativ.

Valoarea scăzută de eficiență a ciclului Rankine în comparație cu ciclul Carnot se datorează faptului că număr mare Energia termică în timpul condensării aburului este transferată în apa de răcire din condensator. Pentru a reduce pierderile, o parte din aburul din turbină este selectată și trimisă către încălzitoarele de regenerare, unde energia termică eliberată în timpul condensării aburului selectat este utilizată pentru a încălzi apa obținută după condensarea fluxului principal de abur.

În ciclurile reale de putere cu abur, regenerarea se realizează folosind schimbătoare de căldură regenerative, de suprafață sau de amestecare, fiecare dintre ele primește abur din etapele intermediare ale turbinei (așa-numita selecție regenerativă). Aburul se condensează în schimbătoare de căldură regenerative, încălzind apa de alimentare care intră în reactor. Condensul de abur de încălzire este amestecat cu debitul principal de apă de alimentare.

Bilanțul energetic al unei centrale electrice cu abur cu o turbină este prezentat în Fig. 519. El este exemplar; Eficiența unei centrale electrice cu abur poate fi și mai mare (până la 27%). Pierderile de energie care apar în timpul funcționării unei centrale electrice cu abur pot fi împărțite în două părți. O parte din pierderi se datorează proiectării imperfecte și pot fi reduse fără modificarea temperaturii din cazan și condensator. De exemplu, prin amenajarea unei izolații termice mai avansate a cazanului, este posibilă reducerea pierderilor de căldură în camera cazanului. A doua parte, mult mai mare - pierderea de căldură transferată în apa care răcește condensatorul, se dovedește a fi complet inevitabilă la temperaturi date în cazan și condensator. Am indicat deja (§ 314) că condiția pentru funcționarea unui motor termic este nu numai de a primi o anumită cantitate de căldură de la încălzitor, ci și de a transfera o parte din această căldură la frigider.

Experiență științifică și tehnică vastă în proiectarea motoarelor termice și profunde cercetare teoreticăîn ceea ce privește condițiile de funcționare a motoarelor termice, s-a stabilit că randamentul unui motor termic depinde de diferența de temperatură dintre încălzitor și frigider. Cu cât această diferență este mai mare, cu atât eficiența unei centrale cu abur este mai mare (desigur, cu condiția ca toate imperfecțiunile tehnice din proiectarea menționate mai sus să fie eliminate). Dar dacă această diferență este mică, atunci chiar și cea mai avansată mașină din punct de vedere tehnic nu poate oferi o eficiență semnificativă Calculul teoretic arată că dacă temperatura termodinamică a încălzitorului este egală cu , iar frigiderul este egal cu , atunci eficiența nu poate fi mai mare decât.

Orez. 519. Bilanțul energetic aproximativ al unei centrale cu abur cu turbină

Deci, de exemplu, într-un motor cu abur, aburul care are o temperatură de 100 (sau 373) în cazan și 25 (sau 298) în frigider, eficiența nu poate fi mai mare. , adică 20% (practic, din cauza imperfecțiunii dispozitivului, eficiența unei astfel de instalații va fi semnificativ mai mică). Astfel, pentru a îmbunătăți eficiența motoarelor termice, este necesară trecerea la temperaturi mai ridicate în cazan și, prin urmare, la presiuni mai mari ale aburului. Spre deosebire de stațiile anterioare, care funcționau la o presiune de 12-15 atm (ceea ce corespunde unei temperaturi a aburului de 200), centralele moderne cu abur au început să instaleze cazane de 130 atm sau mai mult (temperatură aproximativ 500).

În loc să crească temperatura în cazan, ar fi posibilă scăderea temperaturii în condensator. Cu toate acestea, acest lucru s-a dovedit a fi practic imposibil. La presiuni foarte scăzute, densitatea aburului este foarte mică și cu o cantitate mare de abur trecută pe secundă de o turbină puternică, volumul turbinei și al condensatorului ar trebui să fie prohibitiv de mare.

Pe lângă creșterea eficienței motorului termic, puteți lua calea utilizării „deșeurilor termice”, adică căldura îndepărtată prin răcirea cu apă a condensatorului.

Orez. 520. Bilanțul energetic aproximativ al centralei termice

În loc să elibereze apă încălzită prin condensator într-un râu sau lac, aceasta poate fi direcționată prin conducte de încălzire cu apă caldă sau utilizată în scopuri industriale în industria chimică sau textilă. De asemenea, este posibilă extinderea aburului în turbine doar la o presiune de 5-6 atm. În același timp, din turbină iese abur foarte fierbinte, care poate fi folosit pentru o serie de scopuri industriale.

O stație care utilizează căldură reziduală furnizează consumatorilor nu doar energie electrică obținută prin lucru mecanic, ci și căldură. Se numește o centrală combinată de căldură și energie (CHP). Un bilanț energetic aproximativ al unei centrale termice este prezentat în Fig. 520.

Centrală electrică cu abur(PSU) este un complex de echipamente de alimentare care utilizează vapori de apă ca fluid de lucru. Sunt cunoscute diferite cicluri PSU, inclusiv ciclul Carnot, care, după cum se arată în cap. 4, cea mai mare eficiență termică dintre toate ciclurile posibile într-un anumit interval de temperatură. Avantajul vaporilor de apă este tocmai că în timpul procesului de vaporizare, căldura îi poate fi furnizată de-a lungul unei izoterme și căldura poate fi, de asemenea, îndepărtată de-a lungul unei izoterme în timpul condensului. Dacă procesele de furnizare a căldurii nu sunt asociate cu transformări de fază, este foarte dificil din punct de vedere tehnic să le desfășurăm strict la temperaturi constante. Se poate argumenta că, din punct de vedere tehnic, ciclul Carnot este posibil numai în regiunea umedă a aburului.

Pentru a face acest lucru, lichidul, care se află într-o stare de saturație (vol. 7, Fig. 8.1), ar trebui trimis la un generator de abur, în care îi este furnizată căldură, de exemplu, din produsele de ardere a combustibilului organic. sau eliberat în timpul unei reacții nucleare. În regiunea aburului umed, izoterma și izobara coincid, astfel încât procesul de fierbere în esență izobaric în generatorul de abur are loc și la o temperatură constantă. De la generatorul de abur, abur saturat uscat (de ex. 2) trimis pentru expansiune adiabatică la presiunea condensatorului

Orez. 8.1.

(T. 3 ) într-un motor cu abur - un motor cu abur cu piston sau o turbină cu abur. Într-un condensator, căldura este îndepărtată din aburul evacuat la presiune constantă și temperatură constantă, iar aburul se condensează, dar nu complet (adică. 4). Condensator - Acest schimbător de căldură, în care așa-numita apă circulantă se deplasează prin numeroase conducte de diametru mic, eliminând căldura generată de abur în timpul condensului pe suprafața exterioară a conductelor. Aburul umed după ce condensatorul intră într-un piston de abur sau într-un compresor cu lame și este comprimat adiabatic până la starea de apă saturată, inclusiv. 1.

Eficiența termică a ciclului Carnot în regiunea aburului umed

Această eficiență este cea mai mare valoare posibilă pentru orice cicluri efectuate în intervalul de temperatură T (_2și G 3_4.

Din păcate, raportul nu poate fi redus în mod arbitrar

în scopul creșterii eficienței. Pentru vaporii de apă limita naturală pentru T (_2 este T cr = 647 K, iar pentru temperatura de condensare limita inferioară este temperatura ambiantă în care trebuie îndepărtată căldura - G 3 _ 4 > 300 K. Astfel,

Eficiența efectivă efectivă a ciclului luat în considerare va fi semnificativ mai mică, deoarece expansiunea și, mai ales, compresia aburului umed este însoțită de pierderi mari energie. Mai mult decât atât, o mașină pentru comprimarea adiabatică a aburului umed, care trebuie să funcționeze mai întâi ca compresor, comprimarea aburului cu un grad relativ ridicat de uscare, și apoi ca pompă, trebuie să aibă și design complexși nu poate fi de încredere și ieftină.

Trebuie remarcat faptul că utilizarea temperaturilor 7\_ 2 aproape de T kr, duce la o scădere a muncii utile produse de 1 kg de abur într-un ciclu. Pentru a verifica acest lucru, este suficient să comparați zonele 1-2-3-4i G-2"-3"-4"în fig. 8.1.

Dezavantajele remarcate ale ciclului Carnot sunt inerente organic și împiedică utilizarea sa practică. În același timp, îmbunătățiri minore aduse ciclului considerat, propuse de William John McQuarne Rankine (1820-1872), îl transformă într-un ciclu prin care mai mult de 80% din toată energia electrică produsă pe Pământ este generată la centralele termice și nucleare.

Termodinamica tehnica

1. Generarea combinată de căldură și electricitate este o modalitate sistematică de creștere a eficienței instalațiilor de producere a energiei electrice. Cele mai simple diagrame ale centralelor combinate de căldură și energie cu turbine cu abur. Caracteristicile energetice ale centralelor termice.

2. Generarea combinată de căldură și electricitate este o modalitate sistematică de creștere a eficienței instalațiilor de producere a energiei electrice. Cele mai simple scheme de centrale termice și electrice combinate bazate pe motoare cu ardere internă pe gaz. Caracteristicile energetice ale centralelor termice.

3. Centrale electrice cu abur (SPS): Supraîncălzirea intermediară a aburului, motive de utilizare, diagrame, cicluri teoretice și reale, eficiența și puterea SPS.

4. Centrale cu abur (SPU): Scheme de regenerare cu extractii, cicluri regenerative in diagrame Ts-, hs-. Eficiența ciclurilor regenerative. Utilizarea căldurii de supraîncălzire a aburului de extracție și a căldurii de subrăcire a condensului în încălzitoarele regenerative.

5. Termodinamica curgerii: viteze caracteristice și parametri ai curgerii adiabatice Viteza sunetului, ecuația Laplace. Viteze maxime și critice, numere de bază fără dimensiuni. Condiții pentru trecerea vitezei curgerii prin viteza sunetului. Principiul inversării influențelor externe.

6. Termodinamica curgerii: Parametri statici si de franare. Relația dintre parametrii statici și parametrii de frânare.

7. Termodinamica curgerii: scurgerea gazelor si vaporilor din duze.

8. Procese de bază cu gaze reale folosind vapori de apă ca exemplu și calculul acestora folosind tabele și diagrame: proces izobaric (condensator, răcitor de condens, răcitor de supraîncălzire).

9. Procese de bază cu gaze reale folosind vapori de apă ca exemplu și calculul acestora cu ajutorul tabelelor și diagramelor: proces izobar (evaporator, supraîncălzitor, economizor).

10. Procese de bază cu gaze reale folosind vapori de apă ca exemplu și calculul acestora folosind tabele și diagrame: proces adiabatic (turbină și expandor, pompă, ventilator).

11. Aerul umed: concepte și caracteristici de bază aer umed. Dependențe calculate pentru constanta gazului, masa molară aparentă, densitatea, capacitatea termică, entalpia aerului umed.

12. Aer umed. Diagrama HD a aerului umed. Procese de bază ale aerului umed.

13. Substanțe reale. Stare critică. Diagrame de fază de stare: рv-, Ts-, hs-. Proprietățile termodinamice ale apei. Tabele termodinamice, diagrame și ecuații de stare a apei.

14. Condiții de echilibru și stabilitate a sistemelor termodinamice: conditii generale echilibrul stabil al unui sistem monofazat. Echilibrul unui sistem bifazat cu o interfață de fază plată și curbă.

15. Condiții de echilibru și stabilitate a sistemelor termodinamice: echilibrul unui sistem trifazat. regula fazei Gibbs. Tranziții de fază de ordinul I. Ecuația Clapeyron-Clausius. Diagrama de fază a stării.

16. Diagrama de fază a stării pT. Diagrame de fază de stare: рv-, Ts-, hs-

17. GTU. Informații generale. Ciclu idealizat cea mai simplă unitate de turbină cu gaz cu alimentare izobară de căldură.

18. GTU. Informații generale. Un ciclu ideal al celei mai simple unități de turbină cu gaz cu alimentare izocoră de căldură.

19. GTU. Informații generale. Un ciclu al celei mai simple unități de turbină cu gaz cu o alimentare izobară de căldură și procese ireversibile de comprimare și expansiune a fluidului de lucru.

20. GTU. Informații generale. Regenerare într-o unitate cu turbină cu gaz.

21. Motoare cu un fluid de lucru gazos. Informații generale. Motoare cu ardere internă cu piston și ciclurile lor mecanice. Ciclul Otto ideal: (date inițiale, calculul punctelor caracteristice, căldura de intrare și ieșire a ciclului, lucru ciclului, eficiență termică, presiune medie indicator).

22. Motoare cu un fluid de lucru gazos. Informații generale. Motoare cu ardere internă cu piston și ciclurile lor mecanice. Ciclu Diesel ideal: (date inițiale, calculul punctelor caracteristice, căldura de intrare și ieșire a ciclului, lucru ciclului, eficiență termică, presiune medie indicator).

23. Motoare cu un fluid de lucru gazos. Informații generale. Ciclul Trinkler ideal: (date inițiale, calculul punctelor caracteristice, căldura de intrare și ieșire a ciclului, lucru ciclului, eficiență termică, presiune medie indicator).

24. Compresor. Informații generale. Diagrama indicatoare a unui compresor real. Compresor ideal într-o singură treaptă. Funcționarea compresorului, influența naturii procesului asupra funcționării compresorului.

25. Compresor. Informații generale. Compresie ireversibilă în compresor, eficiență adiabatică și izotermă a compresorului. Influența spațiului dăunător asupra funcționării compresorului. Eficiența volumetrică a compresorului.

26. Compresor. Informații generale. Compresor cu mai multe trepte. Motive de utilizare, diagramă, diagrame de proces, distribuția presiunii între etapele de compresie, căldura îndepărtată în schimbătoarele de căldură intermediare.

27. Procese termodinamice ale unui gaz ideal. Metodologie de studiere a proceselor de bază. Grupuri de procese în diagrame pv- și Ts. Temperatura medie integrală a alimentării cu căldură a procesului.

28. Termodinamica unui gaz ideal. Amestecuri de gaze ideale. Dispoziții generale. legea lui Dalton. Metode de specificare a amestecului. Constanta gazului, masa molara aparenta, densitatea, capacitatea termica, energia interna, entalpia, entropia amestec de gaze. Entropia amestecării.

29. Prima lege a termodinamicii. Tipuri de energie. Căldura și munca sunt forme de transfer de energie. Bilanțurile energetice și termice sistem tehnic. Absolută și caracteristici relative sistem tehnic bazat pe ecuațiile de echilibru ale legii I.

30. A doua lege a termodinamicii. Formulări și relația lor între ele. Sensul conceptului de reversibilitate. Ireversibilitate externă și internă. Entropie. Modificarea entropiei în procesele reversibile și ireversibile. Exprimarea analitică a legii a II-a a termodinamicii. O ecuație (identitate) unificată a termodinamicii pentru sisteme închise

Generarea combinată de căldură și electricitate este o modalitate sistematică de creștere a eficienței instalațiilor de producere a energiei electrice. Cele mai simple diagrame ale centralelor combinate de căldură și energie cu turbine cu abur. Caracteristicile energetice ale centralelor termice.

Producția combinată de energie termică și electrică se numește termoficare. Dacă luăm în considerare faptul că utilizarea energiei termice a centralelor termice este mult întârziată în timp, atunci devine de înțeles utilizarea pe scară largă a cazanelor raionale mari în ultimii ani.

Centralele de cogenerare, care sunt construite în orașe mari sau zone industriale, sunt proiectate pentru generarea combinată de energie termică și electrică.

În generarea combinată de energie termică și electrică, care este principala caracteristică a încălzirii urbane, se utilizează căldura eliberată în încălzitoare în timpul condensului aburului, care trece anterior prin turbină. Această căldură în centralele electrice în condensare, așa cum sa indicat deja, se pierde cu apa de răcire

Odată cu producția combinată de energie termică și electrică, aburul este furnizat consumatorului din (Selecție intermediară. De la 1 kg de abur proaspăt, consumatorul primește căldură în cantitate de (/ - fk shd) kcal/kg, unde / k este conținutul de căldură al aburului la ieșirea din cazane fără presiune și / condens returnat de la consumator de la 1 kg de abur de la extracția turbinei, consumatorul primește (/ otb - / k.

Generarea combinată de energie termică și electrică are avantaje semnificative. În cazurile în care, alături de consumatorii electrici, există și consumatori de energie termică (pentru încălzire, în scop tehnologic), se poate folosi căldura aburului evacuat al unei turbine cu abur. Dar, în același timp, presiunea aburului de evacuare, sau, așa cum se numește în mod obișnuit, contrapresiunea, este în întregime determinată de parametrii aburului necesari consumatorilor termici. Deci, de exemplu, atunci când utilizați abur pentru ciocane și prese, presiunea necesară este de 10 - 12 ata, într-un număr procese tehnologice se foloseşte presiunea aburului de 5 - 6 ata. Pentru încălzire, când este necesară încălzirea apei la 90 - 100 C, se poate folosi abur cu o presiune de 1 1 - 1 2 atm.

a-centrala termica industriala;
b- încălzire CHP;
1 - boiler (generator de abur);
2 - combustibil;
3 - turbină cu abur;
4 - generator electric;
5 - condensator de abur de evacuare turbină;
6 - pompa de condens;
7- incalzitor regenerativ;
8 - pompa de alimentare cazan cu abur;
rezervor de condens cu 7 colectii ( E mai bine să pui acolo un dezaerator)
9- consumator de căldură;
10—încălzitor de apă;
11-pompa de retea;
12-pompa de condens pentru incalzitor de retea

Eficiența funcționării CHP este de obicei caracterizată coeficient de utilizare a căldurii:

Cantitatea de energie electrică și respectiv termică dată consumatorului pe unitatea de timp

B – consumul de combustibil pentru același timp

Putere termică mai mică a combustibilului

2 Generarea combinată de căldură și electricitate este o modalitate sistematică de creștere a eficienței instalațiilor de producere a energiei electrice. Cele mai simple scheme de centrale termice și electrice combinate bazate pe motoare cu ardere internă pe gaz. Caracteristicile energetice ale centralelor termice.

Partea I la întrebarea nr. 1 ( Generarea combinată de căldură și energie este o modalitate sistematică de creștere a eficienței centralelor electrice.)

Generarea combinată de căldură și electricitate este o producție integrată comună (combinată) a 2 produse: energie termică și electrică. O diagramă schematică a celei mai simple centrale termice bazată pe o turbină cu gaz (CCGT) este prezentată în figură:

Descrierea tehnologiei:

Cea mai simplă unitate de turbină cu gaz (GTU) constă dintr-o cameră de ardere (1), o turbină cu gaz (2) și un compresor de aer (3). O turbină cu gaz este utilizată aici pentru a antrena un generator sincron (4) și un compresor. Principiul de funcționare al unui CCGT este simplu: aerul comprimat de un compresor este forțat într-o cameră de ardere, în care este alimentat combustibil gazos sau lichid. Produsele de ardere rezultate sunt trimise la turbină, pentru care sunt fluidul de lucru. Gazele evacuate în turbină nu sunt emise în atmosferă ca într-o simplă unitate cu turbină cu gaz, ci intră în cazanul de căldură reziduală (8), unde căldura lor este folosită pentru a produce abur și a asigura un ciclu termodinamic conform schemei uzuale. Aburul merge la turbina cu abur (5), de unde este furnizat consumatorului.

Această schemă folosește o turbină de încălzire pentru a produce muncă și căldură. 2 extractii de abur dintr-o turbina cu abur. 11 este un condensator.

Eficiența funcționării CHP este caracterizată de coeficientul de utilizare a căldurii:

Raportul dintre cantitatea de muncă și căldură oferită consumatorului și căldura degajată în timpul arderii combustibilului

Qнр - putere calorică mai mică;

B – căldură de ardere;

Noi și Qtp - cantitatea de energie electrică (fiecare generator are propria sa) și energie termică dată consumatorului

PSU: schema de generare cu extractii, cicluri regenerative in diagrame T-s si w-s, eficienta regenerativa. cicluri, utilizare căldura de supraîncălzire a vaporilor de extracție și căldura de suprarăcire a condensului în încălzitoarele regenerative.

O centrală electrică cu abur (SPU) este un motor termic în care fluidul de lucru suferă transformări de fază. PSU-urile sunt utilizate pe scară largă în domeniul termic centrale electrice(TPP) pentru a genera energie electrică. PSU-urile sunt folosite și pe apă, transport feroviar. Ca motor de transport, alimentatorul este insensibil la suprasarcini și este economic în orice mod. Se distinge prin simplitatea și fiabilitatea designului și o poluare mai mică a mediului în comparație cu un motor cu ardere internă. Într-un anumit stadiu al dezvoltării tehnologiei, când problema poluării mediului nu era atât de presantă, iar o cutie de foc cu flacără deschisă părea periculoasă, motoarele pe gaz au înlocuit motoarele pe gaz în transport. În prezent, motorul cu abur este considerat promițător atât din punct de vedere economic, cât și din punct de vedere al mediului.

În PSU ca o unitate care se deviază de la fluidul de lucru muncă utilă Se poate folosi fie un cilindru cu piston, fie o turbină cu abur. Deoarece turbinele sunt acum mai utilizate pe scară largă, în viitor vom lua în considerare doar instalațiile cu turbine cu abur. PSU-urile pot fi folosite ca fluid de lucru diverse substanțe, cu toate acestea, principalul fluid de lucru este (și va rămâne în viitorul apropiat) apa. Acest lucru se explică prin mulți factori, inclusiv proprietățile sale termodinamice. Prin urmare, în viitor vom considera PSU cu apă ca fluid de lucru. Diagrama schematică cel mai simplu PSU prezentată în imagine

ÎN cazan de abur 1 apă se transformă în abur supraîncălzit cu parametri p 1, t 1, i 1, care intră în turbina 2 printr-o linie de abur, unde suferă o expansiune adiabatică la presiune p2 cu comisia munca tehnica, care pune în rotație rotorul generatorului electric 3. Apoi aburul intră în condensatorul 4, care este un schimbător de căldură tubular. Suprafata interioara Tuburile condensatorului sunt răcite prin circulația apei.

În condensator, cu ajutorul apei de răcire, căldura de vaporizare este îndepărtată din abur și aburul trece la presiune constantă. p 2 si temperatura t 2în lichid, care este alimentat cazanului de abur 1 cu ajutorul pompei 5. Apoi ciclul se repetă.

Caracteristici caracteristice PSU-urile sunt:

Prezența transformărilor de fază în unitatea cazanului și în condensator;

Produsele de ardere a combustibilului nu sunt direct implicate în

ciclu, dar sunt doar o sursă de căldură q1 transferată prin

peretele fluidului de lucru;

Ciclul este închis și căldura q2 este transferată mediu prin suprafața de schimb de căldură;

Toată căldura este îndepărtată la temperatura minima ciclu, care nu se modifică datorită unei tranziții de fază izobară;

În PSU vom implementa în mod fundamental ciclul Carnot.

1.2. Creșterea eficienței termice a centralelor cu abur pe baza utilizării unui ciclu regenerativ

În ciuda faptului că în prezent există o dezvoltare masivă a parametrilor de abur înalți și ultra-înalți ( = 23...30 MPa;
= 570...600°C) și vid înalt în condensator (97%, sau p 2 = 0,003 MPa), randamentul termic al ciclului Rankine nu depășește 50%. În instalațiile reale, ponderea căldurii utilizate în mod util este și mai mică din cauza pierderilor asociate cu ireversibilitatea internă a proceselor. În acest sens, au fost propuse și alte metode de creștere a eficienței termice a centralelor cu abur. În special, utilizarea preîncălzirii apei de alimentare cu ajutorul aburului de evacuare (ciclu regenerativ). Să ne uităm la acest ciclu.

Particularitatea acestui ciclu este că condensul, care după condensator are o temperatură de 28...30 ° C, înainte de a intra în cazan, este încălzit în schimbătoare de căldură speciale P1-PZ (Fig. 8, a) cu abur prelevat. din treptele intermediare ale turbinei. Prin încălzirea treptată a apei datorită extracției trepte a căldurii aburului în timpul expansiunii sale, este posibil să se implementeze ideea unui ciclu Carnot regenerativ, așa cum se arată în Fig. 8, b pentru secțiunea de ciclu din regiunea de abur saturat.

Orez. 8. Schema p.s. u. (a) și imaginea ciclului regenerativ (b)

Prin creșterea numărului de selecții la infinit (în cele din urmă ciclu regenerativ), procesul de expansiune poate fi adus mai aproape de o curbă punctată, care va fi echidistantă de curba procesului de încălzire 4 – 4". Cu toate acestea, acest lucru este imposibil de implementat din punct de vedere tehnic și utilizarea a cinci până la opt trepte de încălzire este practic justificată din punct de vedere economic. Ciclu p.s.u. cu regenerare, strict vorbind, nu poate fi reprezentat pe o diagramă T-s, deoarece este construit pentru o cantitate constantă (1 kg) de substanță, în timp ce într-un ciclu cu regenerare cantitatea de abur variază de-a lungul lungimii turbinei. Prin urmare, ciclul prezentat în Fig. 8, b, este oarecum condiționată. Când aburul este retras pentru încălzirea condensului, pe de o parte, consumul de căldură pentru producerea aburului este redus, dar pe de altă parte, munca aburului în turbină este redusă simultan. În ciuda naturii opuse a acestor influențe, selecția crește întotdeauna. Acest lucru se explică prin faptul că la încălzirea apei de alimentare din cauza căldurii de condensare a aburului selectat, alimentarea cu căldură de la o sursă externă în secțiunea 4 - 4" este eliminată și, astfel, temperatura medie a sursei de căldură dintr-un sursa externă în ciclul regenerativ crește (furnizarea de căldură externă q 1 se realizează numai în zona 4" – 5 – 6– 7).

În plus, încălzirea regenerativă a apei de alimentare reduce ireversibilitatea în procesul de transfer de căldură de la gaze la apă din zonă. 4" – 5, deoarece diferenţa de temperatură dintre gaze şi apa preîncălzită scade.

Este convenabil să rezolvi problemele legate de implementarea ciclului regenerativ folosind o diagramă. Pentru a face acest lucru, luați în considerare circuitul și ciclul regenerativ al p.s.u. cu o singură selecție (Fig. 9). Intersecția adiabatică de expansiune 1 – 2 (Fig. 9, b) cu izobara de selecție dă punctul 0, care caracterizează starea aburului în selecție.

Orez. 9. Schema p.s. u. cu o singură extracție regenerativă a aburului

(a) și imaginea proceselor i – s-diagrama (b)

Din fig. 9, este clar că de la 1 kg de abur care intră în turbină, kg de abur se extinde numai până la presiunea de extracție, producând muncă utilă și () kg se extinde în turbină la presiunea finală. Munca utilă a acestui flux de abur. Lucrări generale 1 kg abur în ciclu regenerativ:

Cantitatea de căldură consumată pentru a produce 1 kg de abur: (10)

Eficienta termica a ciclului regenerativ: . (11)

Procesele din încălzitoarele regenerative sunt considerate izobare și se presupune că apa părăsește încălzitorul într-o stare de saturație la presiunea aburului în selecția corespunzătoare (etc.).

Cantitatea de abur luată este determinată din ecuația de echilibru termic pentru încălzitorul de amestec:

din: , (13)

unde este entalpia lichidului la presiunea de extracție; – entalpia aburului prelevat din turbină; – entalpia condensului care iese din condensator. În mod similar, puteți determina consumul de abur în locuri de orice selecție.

Utilizarea încălzirii regenerative a apei de alimentare crește eficiența termică a ciclului p.s. u. cu 8...12%.

Scopul executării munca independenta este de a stăpâni metodologia de calcul a ciclului regenerativ al unei centrale cu turbine cu abur și de a determina principalii indicatori termodinamici ai ciclului studiat, inclusiv eficiența termică, cu evaluarea pierderilor de exergie în principalele elemente ale centralei cu abur.

Termodinamica curgerii: viteze caracteristice și parametri ai curgerii adiabatice Viteza sunetului, ecuația Laplace. Viteze maxime și critice, numere de bază fără dimensiuni. Condiții pentru trecerea vitezei curgerii prin viteza sunetului. Principiul inversării influențelor externe.

Conceptul de viteză a sunetului este important în termodinamica curgerii, deoarece fluxurile subsonice și supersonice ale mediului au diferențe calitative: orice influențe dau rezultate opuse în fluxurile subsonice și supersonice; Toți parametrii de curgere într-un flux subsonic se modifică continuu într-un flux supersonic, parametrii se pot schimba brusc, întrerupând continuitatea fluxului.

Viteza sunetului (a, m/s) este viteza de propagare a undelor sonore. Undele sunt perturbații ale unei cantități fizice care se propagă într-un mediu care caracterizează starea acestui mediu. Undele sonore sunt perturbații slabe care se propagă într-un mediu elastic - vibrații mecanice cu amplitudini mici.

De exemplu, la un moment dat un corp extern, numit sursă de sunet, provoacă tulburări mecanice slabe. Rezultatul este o creștere a presiunii dp. Viteza de propagare a acestei explozii este viteza sunetului, notată „a”.

Procesul de propagare a perturbației sunetului este un proces adiabatic descris de ecuația Laplace

Pentru aceasta este valabilă ecuația procesului adiabatic al unui gaz ideal (7.19), pe care o reprezentăm sub forma

r/ r k = const

Viteza sunetului depinde astfel de natura mediului (kR) și de temperatura mediului.

Deoarece temperatura mediului (10 5) în flux se modifică odată cu modificările coordonatei x, viteza sunetului se modifică la trecerea de la o secțiune la alta. În acest sens, este clară necesitatea conceptului de viteză locală a sunetului .

Viteza locală a sunetului este viteza de propagare a sunetului într-un punct dat al fluxului.

Debite maxime și critice

Debitul poate fi determinat din ecuația energiei de curgere

În cazul în care viteza inițială a curgerii poate fi neglijată (W| = 0), ultima relație ia forma

În formulele (10.29), (10.30), entalpia este substituită doar în J/kg, atunci viteza va avea dimensiunea m/s. Dacă entalpia este definită ca kJ/kg, relația (10.30) se modifică în consecință

Viteza actuală atinge valoarea maxima w MaKc în secțiunea în care entalpia debitului atinge valoarea zero h = 0, aceasta se întâmplă la curgerea în gol (p = 0) și, conform relației parametrilor din procesul de expansiune adiabatică (7.21), T = 0. Când fluxul atinge viteza maximă, transformarea corespunde întregii energii mișcării haotice (termice) a moleculelor în energia mișcării dirijate, ordonate.

Analiza de mai sus ne permite să stabilim că debitul poate lua valori în intervalul 0...Wmax

Din ecuația de impuls (10.12) rezultă o legătură între modificarea presiunii și modificarea vitezei de curgere: accelerația debitului (dw > 0) este însoțită de o cădere de presiune (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.

Graficul arată că există o secțiune transversală a fluxului în care viteza acestuia coincide ca mărime cu viteza locală a sunetului. Se numește secțiunea critică a fluxului, deoarece separă părțile subsonice și supersonice ale fluxului, care diferă calitativ unele de altele. Parametrii critici de debit sunt parametrii din secțiunea de canal unde viteza de curgere este egală cu viteza locală a sunetului.

Debitul în acest caz se numește debit critic.

Raportul presiunii critice (P cr) este raportul dintre valoarea critică a presiunii debitului de gaz (p cr) și presiunea acestuia (p ()) în secțiunea de intrare a canalului la o viteză inițială egală cu zero

∏cr = Pcr/Ro- (10,32)

În calculele și analizele debitului, este convenabil să folosiți nu valori absolute ale vitezei, ci caracteristici relative:

numărul M - raportul dintre viteza de curgere într-o secțiune dată și viteza locală a sunetului

M = w/a.; (10,33)

~ număr λ - raportul vitezei de curgere într-un dat

secțiune transversală la viteza critică a curgerii

λ = w/acr; (10,34)

~ număr ƹ - raportul dintre viteza de curgere într-o secțiune dată și viteza sunetului într-un flux stagnant

numărul A - raportul dintre viteza de curgere într-o secțiune dată și viteza maximă de curgere: A = w/wmax

Informații generale

Aproape până în anii 70 ai secolului XX, singurul motor termic folosit în industrie a fost un motor cu piston cu abur, care era ineficient și funcționa cu abur saturat de joasă presiune. Primul motor termic continuu (motor cu abur) a fost dezvoltat de I.I. Polzunov. Prima mașină a fost aspirată natural. Când una dintre cavitățile sub-pistonului a fost conectată la cazan, pistonul s-a ridicat în sus sub influența presiunii aburului, după care supapa de distribuție a aburului s-a rotit și a tăiat cavitatea sub-pistonului din cazan. Apa a fost injectată prin tub, aburul s-a condensat și s-a creat un vid sub piston. Sub influenta presiunea atmosferică pistonul a coborât și a făcut o muncă utilă.

Până în anii 80, ciclul de funcționare al motoarelor cu ardere internă (ciclul Otto) fusese practic stăpânit, dar, în esență, acest ciclu reflectă principiile multor alți inventatori, și în special principiul Beau de Rocha.

Ciclul ideal al unui astfel de motor, numit ciclul motoarelor cu ardere internă cu căldură furnizată gazului la un volum constant, include compresia adiabatică a gazului de lucru, furnizarea izocoră de căldură gazului, expansiunea adiabatică a fluidului de lucru și transferul izocor. de căldură către fluidul de lucru.

Motorul termic al lui Nikolaus August Otto nu permitea o compresie ridicată și, prin urmare, eficiența sa era scăzută. În efortul de a crea un motor cu ardere internă mai modern, cu eficiență ridicată, inginerul german R. Diesel a dezvoltat un principiu de funcționare diferit, care diferă de principiul de funcționare al motorului Otto.

Prima încercare de a scăpa de compresor îi aparține compatriotului nostru Prof. G.V. Trinkler, care a construit un motor fără compresor în 1904. Motorul Trinkler nu a intrat în producția de masă, deși a fost fabricat la una dintre fabricile germane (uzina Kerting). Un nou al treilea ciclu de lucru a fost implementat în motoarele diesel fără compresor. Ciclul ideal al acestui motor, numit ciclu de aport de căldură mixt, constă în compresia adiabatică a aerului, aportul de căldură izocor și apoi izobar, expansiunea adiabatică a gazelor și transferul de căldură izocor.

Motoarele termice în care produsele de combustie gazoasă sunt, de asemenea, fluidul de lucru se numesc motoare cu ardere internă. Motoarele cu ardere internă se prezintă sub formă de motoare cu piston, turbine cu gaz 1 și motoare cu reacție.

Motoare termice ( motoare cu abur), în care produsele de ardere sunt doar un încălzitor (transmițător de căldură), iar funcțiile fluidului de lucru sunt îndeplinite de fazele lichide și de pene, se numesc motoare cu ardere externă. Motoare cu ardere externă - centrale cu abur: motoare cu abur, turbine cu abur, centrale nucleare.

Ciclul perfect Otto

Eficiență adiabatică și izotermă

De fapt, funcționarea compresorului este afectată nu numai de influența volumului dăunător, ci și de frecarea gazului și modificările presiunii gazului atunci când este aspirat și scos din cilindru.

Figura 1.85 prezintă o diagramă de indicator real. Pe linia de aspirație, din cauza mișcării neuniforme a pistonului, a inerției arcului și a supapei, presiunea gazului în cilindru fluctuează și este mai mică decât presiunea inițială a gazului p1. Din aceleași motive, pe linia în care gazul este împins din cilindru, presiunea gazului se dovedește a fi mai mare decât presiunea finală p2. Compresia politropică implementată în compresoarele frigorifice este comparată cu compresia izotermă reversibilă folosind eficiența izotermă. ηiz = liz/lkp.

Compresia adiabatică ireversibilă implementată în compresoarele nerăcite este comparată cu compresia adiabatică reversibilă folosind eficiența adiabatică. ηad = flăcău/lka.

Pentru diverse compresoare, valoarea randamentului izoterm variază în intervalul ηiz = 0,6÷0,76; valoarea randamentului adiabatic - ηad = 0,75÷0,85.

Entropia amestecării.

∆s cm = – R cm ∑ r i ln r i - entropia amestecării pentru un amestec de 2 gaze.

Cu cât este mai mare, cu atât procesul de amestecare este mai ireversibil.

Depinde de compoziția amestecului, nu depinde de temperatură și presiune.

∆s cm /R cm depinde de proporțiile cantitative ale componentelor amestecului și nu depinde de natura acestora.

Prima lege a termodinamicii. Tipuri de energie. Căldura și munca sunt forme de transfer de energie. Bilanțele energetice și termice ale unui sistem tehnic. Caracteristicile absolute și relative ale unui sistem tehnic bazat pe ecuațiile de echilibru ale legii I.

Prima lege a termodinamicii– legea conservării și transformării energiei pentru sisteme și procese termodinamice

Analitic, aceasta se poate scrie W = const, sau

W 1 – W 2 = 0,

unde W 1, W 2 sunt energia vehiculului izolat luat în considerare în starea inițială și, respectiv, finală.

Din cele de mai sus rezultă formularea primei legi a termodinamicii: distrugerea și crearea de energie sunt imposibile.

Pentru un vehicul adiabatic închis, modificarea energiei sistemului este determinată de cantitatea de lucru L, pe care o schimbă cu mediul într-un anumit proces termodinamic de schimbare a stării.

W 1 – W 2 = L.

Pentru un vehicul închis, care poate schimba energie cu mediul său doar sub formă de căldură Q, se poate determina modificarea energiei în timpul unui anumit proces termodinamic

W 1 – W 2 = - Q.

Pentru un vehicul închis care își schimbă starea în procesul 1 – 2, în cazul general este valabilă următoarea relație:

W 1 – W 2 = L – Q. (1,29)

Căldura și munca sunt singurele forme posibile de transfer de energie de la un corp la altul - o altă formulare a primei legi a termodinamicii pentru vehicule închise.

Dacă un vehicul închis trece printr-un proces termodinamic circular, atunci după finalizarea acestuia toți parametrii sistemului capătă valoarea inițială, ceea ce permite ca ultima egalitate să fie scrisă sub forma

Din aceasta rezultă cea mai populară formulare a primei legi a termodinamicii: o mașină cu mișcare perpetuă de primul fel este imposibilă.

Tipuri de energie: intern (U), chimic, nuclear, cinetic. În unele cazuri, este convenabil să se împartă energia pe baza transformării cantitative a unui tip de energie în altele. Energia, care poate fi convertită complet de la un tip la altul, aparține așa-numitului prim tip. Dacă, dintr-un motiv sau altul, transformarea în orice alt tip de energie este complet imposibilă, aceasta este clasificată drept așa-numitul al doilea tip.

În cazul general, energia vehiculului poate fi determinată

W = W transpirație + W kin + U

Unitatea de măsură a energiei în sistemul SI de unități fizice este 1 J (Joule). Când utilizați alte sisteme, trebuie să vă ocupați de alte unități de măsură a energiei: calorii, erg, kilogram metru etc.

A doua lege a termodinamicii. Formulări și relația lor între ele. Sensul conceptului de reversibilitate. Ireversibilitate externă și internă. Entropie. Modificarea entropiei în procesele reversibile și ireversibile. Exprimarea analitică a legii a II-a a termodinamicii. Ecuația (identitatea) unificată a termodinamicii pentru sisteme închise

A doua lege a termodinamicii.

A doua lege, ca și prima, este generalizată prin date experimentale și nu poate fi dovedită în niciun fel. Se referă la un sistem în stare de echilibru, la procesul de trecere a unui sistem de la o stare de echilibru la alta. El are în vedere direcția proceselor naturale și spune că diverse tipuri energiile sunt inegale.

Toate procesele din natură se desfășoară în direcția dispariției forței motrice (temperatură, presiune, gradient de concentrație). Pe baza faptelor declarate una dintre formulările legii: căldura nu se poate muta de la un corp mai puțin la unul mai încălzit. Concluzie din legea a 2-a: stabilește inegalitatea căldurii și a muncii, iar dacă, la transformarea muncii în căldură, vă puteți limita la schimbarea stării unui receptor de căldură, atunci când convertiți căldura în muncă, este necesară compensarea.

Alte Enunțul legii: O mașină cu mișcare perpetuă de al 2-lea fel este imposibilă, adică este imposibil să se creeze o mașină al cărei singur rezultat este răcirea rezervorului termic.

Conceptul de reversibilitate.

Conceptul de reversibilitate este central:

1) este punctul de referință dintre termodinamica fenomenologică și fizica statică;

2) conceptul de reversibilitate ne permite să obținem un punct de referință pentru aprecierea perfecțiunii termodinamice a procesului.

Un proces reversibil este un proces termodinamic după care sistemul și sistemele (OS) care interacționează cu acesta pot reveni la starea inițială fără să apară modificări reziduale în sistem și OS.

Un proces ireversibil este un proces termodinamic după care sistemul și sistemele (OS) care interacționează cu acesta nu pot reveni la starea inițială fără a provoca modificări reziduale în sistem sau OS.

Există multe interne și factori externi, care creează ireversibilitatea proceselor.

Ireversibilitate internă Determină frecare internă între moleculele fluidului ca urmare a forțelor moleculare și a turbulențelor.

Ireversibilitate externă rezultă din factorii externi ai sistemului. Una dintre cele mai multe motive comune ireversibilitate externă – frecare mecanică. Frecarea este prezentă în toate procesele în care suprafața unui corp sau a unei substanțe se freacă de o altă suprafață. Un alt motiv pentru ireversibilitatea externă este procesul de transfer de căldură. Prin natura sa, transferul de căldură are loc într-o singură direcție: dintr-o zonă mai caldă într-una mai rece. În consecință, procesul nu poate fi complet inversat, deoarece căldura nu este transferată din regiunile mai reci în regiunile mai calde fără aplicarea de muncă.

Entropie.

Entropia este o funcție a stării unui sistem termodinamic, determinată de faptul că diferența sa (dS) în timpul unui proces de echilibru elementar (reversibil) care are loc în acest sistem este egală cu raportul dintre cantitatea infinitezimală de căldură (dQ) transmisă acestuia. sistemul la temperatura termodinamică (T) a sistemului.

Introducerea entropiei ne oferă o altă ecuație pentru calcularea căldurii procesului, a cărei utilizare este mai convenabilă decât ecuația binecunoscută prin capacitatea termică. Zona de sub graficul procesului în T(S) - o diagramă la scară ilustrează căldura procesului.

Modificarea entropiei în procesele reversibile și ireversibile.

Prevederi generale. La centralele termice moderne putere mare Conversia căldurii în muncă se realizează în cicluri în care vaporii de apă de înaltă presiune și temperatură sunt utilizați ca fluid de lucru principal. Vaporii de apă sunt produși în generatoarele de abur ( cazane cu abur), în cuptoarele cărora se ard diverse tipuri de combustibil organic: cărbune, păcură, gaz etc.

Ciclul termodinamic de transformare a căldurii în muncă folosind vapori de apă a fost propus la mijlocul secolului al XIX-lea. inginer şi fizician W. Rankine. Fundamental diagrama termica centrala electrică care funcționează pe ciclul Rankine este prezentată în Fig. 2.1.

Orez. 2.1.

1 - generator de abur; 2 - turbina; 3 - generator electric; 4 - condensator; 5 - pompa

Apa este pompată în generatorul de abur 1 pompa 5 și, din cauza căldurii combustibilului ars, se transformă în vapori de apă, care apoi intră în turbina 2, care rotește generatorul electric 3. Energia termică a aburului este transformată în turbină în lucru mecanic, care, la rândul său, este transformată în energie electrică în generator. Aburul evacuat de la turbină intră în condensator 4. În condensator, aburul este transformat în apă (condensată), care, cu ajutorul unei pompe, 5 din nou furnizate generatorului de abur. Astfel, ciclul este închis.

În fig. Figura 2.2 prezintă ciclul Rankine pe abur supraîncălzit în interior p, v-Şi T, 5-diagrame, constând din următoarele procese:

izobară 4-5-6-] - încălzirea, evaporarea apei și supraîncălzirea aburului în generatorul de abur datorită căldurii furnizate de ardere a combustibilului

Orez. 2.2. Ciclu Rankine pe abur supraîncălzit: O- V p, v-diagrama; b - V T,s-diagramă

adiabatic 1-2 - extinderea aburului într-o turbină cu efectuarea unor lucrări externe utile II;

izobară 2-3 - condensarea aburului evacuat cu îndepărtarea căldurii 2 prin apă de răcire;

adiabatic 3-4 - compresia condensului pompa de alimentare la presiunea inițială din generatorul de abur cu costul lucrării furnizate din exterior / a n.

În conformitate cu cea de-a doua lege a termodinamicii, munca utilă pe ciclu este egală cu diferența dintre căldura furnizată și îndepărtată în ciclu:

Eficiența termică a ciclului Rankine este determinată, ca de obicei, de ecuație

Studiile termodinamice ale ciclului Rankine arată că eficiența acestuia depinde în mare măsură de valorile parametrilor inițiali și finali ai aburului (presiune și temperatură).

După cum sa menționat mai devreme, energia aburului (fluidul de lucru) atunci când starea acestuia se schimbă este evaluată în mod convenabil prin valoarea entalpiei. Astfel, cantitatea de căldură furnizată într-un proces izobaric 4-5-6-1 (vezi Fig. 2.2) la încălzirea apei, vaporizarea și supraîncălzirea (J/kg), q x = / (- eu 2, Unde eu 2- entalpia condensului alimentat cazanului. Cantitatea de căldură degajată într-un proces izobaric 2-3 când aburul se condensează, q 2 = eu 2 - eu 2. Lucrări utile efectuate într-o turbină

Eficiența termică a ciclului Rankine în acest caz

Cantitatea de abur care trebuie trecută prin turbină pentru a produce 1 kWh (3600 J) de energie, adică teoretic consum specific pereche

Apoi consumul total de abur la putere N(kW) poate fi determinat prin formula

Studiul expresiilor (2.1) și (2.2) arată că q crește, a d scade odata cu cresterea / si scaderea / 2, i.e. cu creșterea parametrilor inițiali de abur p xși /, și o scădere a finalului p 2Şi t2. Parametrii finali ai aburului sunt interconectați, deoarece aburul din această zonă este umed, astfel încât reducerea lor se reduce la reducerea p 2, adică presiunea din condensator.

Creșterea în / este limitată de rezistența la căldură a materialelor; creșterea în d este limitată de gradul admis de umiditate a aburului la sfârșitul expansiunii. Umiditate ridicată (X> 0,80...0,86) duce la erodarea pieselor turbinei.

În prezent, următorii parametri de abur sunt utilizați în principal în centralele electrice: d, = 23,5 MPa (240 kgf/cm2) și t x= 565 °C. Parametrii supercritici sunt utilizați și în instalațiile pilot: p x= 29,4 MPa (300 kgf/cm2) și /| = 600...650°C.

Presiunea din condensator scade sub valoare p 2= 3,5... 4 kPa (0,035...0,040 kgf/m2), care corespunde temperaturii de saturație 1 2 = 26,2...28,6°C, limitată în primul rând de temperatura apei de răcire / lichidului de răcire, care variază în funcție de conditiile climatice de la 0 la 30 °C. Pentru mici diferențe 1 2 - / răcire intensitatea schimbului de căldură scade, iar dimensiunea condensatorului crește. Mai mult, cu o scădere p 2 Volumul specific de abur devine din ce în ce mai mare, ceea ce duce la creșterea dimensiunii condensatorului, precum și la ultimele trepte ale turbinei. În fig. 2.3 și 2.4 arată grafic natura influenței creșterii d și /| și retrogradări r g asupra randamentului termic.

Ciclul regenerativ. Pentru a crește eficiența funcționării instalațiilor cu turbine cu abur, pe lângă creșterea parametrilor de abur, se folosește un așa-numit ciclu regenerativ, în care apa de alimentare, înainte de a intra în unitatea cazanului, este preîncălzită cu abur prelevat din etapele intermediare ale centralei. turbină cu abur. În fig. 2.5 prezentat schema circuitului centrală electrică cu abur cu încălzire regenerativă a apei de alimentare, unde a.|, a 2 iar a 3 - proporţia de abur extras din turbină. Imaginea din diagrama G, 5 este condiționată, deoarece cantitatea de abur (fluid de lucru) se modifică pe lungimea traseului de curgere a turbinei, iar diagrama este construită pentru o cantitate constantă.

Orez. 2.3.

Trebuie remarcat faptul că, deoarece căldura aburului selectat, inclusiv căldura de vaporizare, este transferată în apa de alimentare și numai o parte din căldura aburului este utilizată pentru obținerea de muncă, fără a include căldura de vaporizare, pierderea de munca ca urmare a selecțiilor va fi semnificativ mai mică decât creșterea entalpiei apei de alimentare. Prin urmare, în general, eficiența ciclului crește. Cu toate acestea, consumul specific de abur va crește, de asemenea, deoarece partea selectată a aburului nu participă pe deplin la lucru și pentru a obține o anumită putere ar trebui crescut consumul acesteia. Adevărat, această circumstanță facilitează proiectarea ultimelor trepte ale turbinelor, făcând posibilă reducerea lungimii palelor acestora.

Utilizarea încălzirii regenerative permite, dacă este necesar, eliminarea economizorului pentru încălzirea apei de alimentare cu gaze de evacuare, folosind căldura gazelor de evacuare pentru a încălzi aerul care intră în cuptor.

Orez. 2.4. Efectul scăderii presiunii în condensator asupra conținutului de umiditate al aburului la sfârșitul expansiunii (O)și eficiența ciclului Rankine ( b)

Orez. 2.5.

O- schema de instalare: 1 - boiler; 2 - supraîncălzitor cu abur; 3 - turbină cu abur cu extracție intermediară a aburului; 4 - generator electric; 5 - încălzitoare regenerative; 6 - pompe; 7 - condensator; 6 - imaginea (conditionala) a procesului in G,5-coordonate: /...7-puncte ale diagramei

Creșterea eficienței la utilizarea regenerării este

10... 15%. În același timp, economia de căldură în ciclu crește odată cu creșterea presiunii inițiale a aburului r x. Acest lucru se datorează faptului că cu o creștere p x Punctul de fierbere al apei crește și, în consecință, crește cantitatea de căldură care poate fi furnizată apei atunci când este încălzită de aburul selectat. În prezent, încălzirea regenerativă este utilizată în toate centralele mari.

Ciclu cu supraîncălzire intermediară (secundară) a aburului. Din analiza ciclului regenerativ rezultă că atunci când se utilizează abur de înaltă presiune, umiditatea acestuia în turbină la sfârșitul procesului de expansiune devine semnificativă chiar și la o temperatură inițială foarte ridicată. Între timp, funcționarea turbinelor pe abur umed este inacceptabilă, deoarece provoacă o creștere a pierderilor și uzurii (eroziunea) palelor turbinei ca urmare a impactului mecanic al particulelor de umiditate conținute în abur asupra acestora.

Când se utilizează abur de înaltă presiune, creșterea temperaturii sale inițiale la valori permise din motive de rezistență a metalului supraîncălzitorului și turbinei cu abur poate să nu fie suficientă pentru a asigura umiditatea admisibilă abur la sfârşitul procesului de expansiune în turbină. Prin urmare, la o anumită etapă de expansiune, aburul trebuie îndepărtat din turbină și reîncălzit într-un supraîncălzitor special, după care aburul supraîncălzit este reintrodus în turbină, unde se termină procesul de expansiune. Ca urmare, în timpul expansiunii finale a aburului la presiuni acceptate în practică, umiditatea acestuia nu depășește valorile admise.

Instalațiile cu turbine cu abur care folosesc această metodă se numesc centrale cu supraîncălzire intermediară cu abur. La făcând alegerea corectă presiunea de extracție a aburului pentru supraîncălzirea sa intermediară și temperatura intermediară de supraîncălzire nu numai că previne umidificarea excesivă a aburului la sfârșit

Orez. 2.6. Supraîncălzirea intermediară a aburului în ciclul Rskin: O- schema de instalare: 1 - boiler; 2 - supraîncălzitor cu abur; 3 - turbina; 4 - generator electric; 5 - supraîncălzitor intermediar (secundar); 6 - condensator; 7 - pompă (nutrient); b- imaginea procesului în T,s-și /,3- coordonate: 1...5- puncte de diagramă

proces de extindere, dar realizează și o ușoară creștere a randamentului termic al instalației.

Utilizarea unei supraîncălziri intermediare a aburului duce la o creștere a randamentului termic al instalației cu 2...3%. Diagrama unei centrale electrice cu abur cu supraîncălzire intermediară cu abur este prezentată în Fig. 2.6.

Orez. 2.7. Schema celei mai simple instalatii de incalzire: / - boiler; 2- supraîncălzitor; 3 - turbina; 4 - condensator; 5- sistem de incalzire; 6 și 7 - pompe

Ciclul de încălzire. În cazurile în care zonele adiacente centralelor termice consumă o cantitate mare de căldură, este recomandabil să se folosească o metodă combinată de generare a căldurii și energiei electrice, mai degrabă decât alimentarea separată a acestor zone cu căldură de la cazane speciale și electricitate din centralele electrice în condensare. Instalațiile care servesc pentru producția combinată de căldură și energie electrică se numesc centrale termice și electrice combinate (CHP). Acestea funcționează conform așa-numitului ciclu de încălzire.

Cea mai simplă diagramă a unei centrale termice este prezentată în Fig. 2.7 cu elementele principale ale unei centrale electrice cu abur. Cifra 5 indică un consumator de căldură (de exemplu, un sistem de încălzire). Apa de racire actionata de pompa 6 circulă într-un circuit închis, care include un consumator de căldură. Temperatura apei care iese din condensator este puțin mai mică decât temperatura condensului /n, dar este suficient de ridicată pentru a încălzi incinta.

Condens la temperatura tH este preluat de pompa 7 și după comprimare este alimentat în cazan 1. Apa de răcire este încălzită datorită căldurii aburului de condensare și sub presiunea creată de pompă 6, intră în sistemul de încălzire 5. În acesta, apa încălzită degajă căldură mediului, asigurând temperatura necesară a camerei. După părăsirea sistemului de încălzire, apa răcită intră din nou în condensator și este din nou încălzită de aburul care vine din turbină.

Dacă există un consumator mai mult sau mai puțin constant de abur industrial, se folosește o turbină care funcționează cu contrapresiune fără condensator.

În instalațiile de încălzire, al căror ciclu este prezentat în Fig. 2.8, O, se folosesc trei tipuri de turbine: cu contrapresiune p 2 = 1,2... 12 bar (Fig. 2.8, b); vid deteriorat/^ = 0,5...0,9 bar (Fig. 2.8, V)și extracția controlată a aburului (Fig. 2.8, G).

Turbine de contrapresiune Sunt relativ simple, de dimensiuni mici și ieftine, dar sunt rar utilizate, deoarece cantitatea de energie electrică generată cu ajutorul lor depinde nu de consumatorii electrici, ci de consumatorii termici, care sunt foarte instabili.

Turbine cu vid degradatîn absența consumatorilor termici, aceștia pot funcționa cu expansiunea aburului la un vid profund, ca și cei în condensare, dar generarea lor de energie electrică depinde și de consumul de căldură.

Turbine cu extractii controlate nu au neajunsurile amintite, vă permit să schimbați liber sarcinile electrice și termice, de ex. lucrează pe un program flexibil. Sunt utilizate în principal în centralele termice. În fig. 2.8, G o diagramă a unei astfel de instalații este prezentată cu o extracție reglabilă a aburului la d og6 (în funcție de nevoile de electricitate și căldură), care este instalată folosind o supapă 12, situat pe linia dintre treptele turbinei de mare viteză 11 și scăzută 13 presiune.

Orez. 2.8. Ciclul de încălzire (O) si trei tipuri de instalatii: cu contrapresiune (b), vid deteriorat (in) și extractii reglabile

/... 10 - puncte de diagramă; II- parte a turbinei de înaltă presiune; 12 - regulator al cantității de abur extras; 13 - parte a turbinei de joasă presiune

Ciclul de încălzire în T, s- Diagrama este prezentată în Fig. 2.9. Zona conturului delimitată de linii groase corespunde căldurii q nu „, transformat în lucru mecanic în turbină. Zona situată sub conturul specificat și corespunzătoare cantității de căldură q2, dus de apa de racire, in acest caz teoretic nu se pierde inutil, ci este folosit pentru incalzire. Astfel, cantitatea totală de utilizare a căldurii utile constă în podea și q 2 ?

Orez. 2.9. Imaginea ciclului de încălzire în T, diagrama z

Eficiența termică a ciclului de încălzire este mai mică decât eficiența termică a ciclului de condensare corespunzător, în care aburul se extinde în turbină la o presiune foarte scăzută (/> 2 = 3 ... 5 kPa), producând în același timp muncă utilă, și este transformat în condens în răcitor și îndepărtat din În condensator, căldura se pierde complet odată cu apa de răcire. Acest lucru se explică prin faptul că în ciclul de cogenerare presiunea finală a aburului p 2 semnificativ superior presiune normalăîn condensatorul unei turbine cu abur care funcţionează în ciclu de condensare. Presiune crescută p 2, după cum se poate observa din diagrama G.5 (vezi Fig. 2.9), corespunde o reducere a cantității de căldură q nu „, folosit in turbină cu abur(reducerea suprafeței 1-2-3-4-5), și o creștere a cantității de căldură q2, dus de apa de răcire (creșterea suprafeței 1-5-4"-G),și ca urmare - o scădere a Hz.

În ceea ce privește ciclul de încălzire, eficiența sa termică nu poate servi ca măsură cu drepturi depline a eficienței, deoarece nu ia în considerare utilizarea benefică de către consumator a acelei părți a căldurii care nu este convertită în muncă, adică căldură q2.

Prin urmare, pentru a evalua eficiența ciclurilor de încălzire, aceștia folosesc așa-numitul coeficient de utilizare a căldurii, care este raportul dintre cantitatea totală de căldură utilă utilizată (adică cantitatea de căldură convertită în muncă și egală cu q n0 „, si caldura folosita de consumator fara a o transforma in munca, egal cu q 2), la cantitatea totală de căldură furnizată corpului de lucru:

Teoretic, din moment ce q t= P0L + q2, acest coeficient este egal cu unu. În practică, valoarea sa variază de la 0,65 la 0,7.

Acest lucru sugerează că în ciclul de încălzire gradul de utilizare a căldurii este aproape de două ori mai mare decât într-un ciclu pur de condensare. În consecință, metoda combinată de generare a căldurii și energiei electrice este mult mai economică decât metoda de generare separată a acestora.