7. Циклы пту. Общая характеристика. Цикл Ренкина и его анализ. Методы повышения эффективности циклов пту.

К ПТУ относят паровые машины и паровые турбины. Паровая турбина – это двигатель роторного типа, в котором полная энергия потока пара (энтальпия пара) преобразуется сначала в кинетическую энергию пара, истекающего из сопел, а затем на рабочих лопатках ротора в механическую энергию его вращения. Если паровая турбина энергетическая, то энергия превращается в электроэнергию. Мощность паровых турбин может варьироваться от 0,75кВт до 1200 МВт.

Характерные особенности циклов:

1. Рабочее тело – вода и водяной пар;

2. Продукты сгорания непосредственного участия в циклах не принимают за исключением бинарных парогазовых установок.

3. Наличие в цикле паро – фазовых превращений.

В качестве рабочего тела используется перегретый пар и сухой насыщенный пар. Основным энергетическим циклом паротурбинных установок, вырабатывающих электроэнергию, является цикл Ренкина.

1-2 – изоэнтропное расширение в турбине (Р₂=0,003…0,006 МПа);

2-3 – изобарно – изотермический отвод теплоты в конденсаторе;

3-4 – изоэнтропное сжатие воды в насосе (≈изохорный процесс);

4-5 – изобарный нагрев воды в экономайзере;

5-6 – изобарное испарение воды в котле (собственно парообразование);

6-1 – изобарный перегрев пара.

Термический КПД.

При Р₁<<Р_кр , поэтому h₄≈h₃

(Р₁≤5…6 МПа)

Потери на трение потока пара на стенках сопел, рабочих лопатках, дисков, с выходной скоростью, с конечной влажностью пара.

характеризует совершенство проточной части.

Общий внутренний КПД

3-4 – теоретический;

3-4_Д – действительный.

Механические потери (потери в подшипниках) учитывает механический КПД.

, l_Tl – работа турбины на валу.

Потери энергии в электрогенераторе учитывает КПД электрогенератора.

Наименьший КПД имеет сам цикл.

Для повышения эффекта преобразования теплоты в электроэнергию в 1ую очередь необходимо стремиться к повышению КПД самого цикла.

Методы повышения эффективности ПТУ.

Основными методами являются:

1. Повышение начальных параметров пара (Р₁ и Т₁);

2. Снижение конечного давления;

3. Использование ступенчатого подвода теплоты (промежуточный перегрев пара);

4. Использование регенерации теплоты в циклах ПТУ (регенеративный подогрев питательной воды).

Влияние Р₁ (Р₁=var, T₁, P₁=const)

С ростом Р₁ процесс расширения пара смещается влево, сухость пара снижается, что приводит к увеличению потерь с влажностью и снижению КПД турбины, однако, Т_1ср ↑ и ↑.

Влияние Т₁ (Т₁=var, P₂, T₂=const)

С ростом Т₁ процесс расширения пара смещается вправо, х₂ ↑, ↓потери с влажностью пара, ↑ КПД турбины и Т_1ср, ↑ КПД , однако, если процессы расширения пара в т. 2 переходит через линию х=1, возникают новые потери с перегревом пара.

Повышение начальных параметров пара осуществляют так, чтобы в конце процесса расширения х₂≥х_пред=0,86…0,88.

При этом достигается максимальный . Данные параметры пара называются сопряжёнными. Рост начальных параметров пара пока, что ограничен техническими возможностями поставок относительно дешёвых сталей, могущих работать при высоких температурах.

Промежуточный перегрев пара.

Использование ступенчатого подвода теплоты преследует 2 цели:

1. Уменьшение конечной влажности пара на последних ступенях турбины.

2. Повышение КПД.

На КЭС при Р₁>9 МПа и Т₁>480…500 ºC;

на ТЭЦ при Р₁>13 МПа и Т₁>540…565 ºC.

1 -b – адиабатное расширение пара в части высокого давления;

b-a – изобарный перегрев пара в промежуточном пароперегревателе;

a-2 – адиабатное расширение пара в части низкого давления.

Промежуточный перегрев может быть газовым (за счёт теплоты топочных газов) и паровым (за счёт теплоты первичного пара с Т₁).

При газовом промперегреве t_a=t₁;

При паровом промперегреве t_a<t₁.

Во втором случае перегрев осуществляется в паро-паровых теплообменниках.

За счёт промперегрева процесс расширения пара смещается вправо х₂>х_2’, при отсутствии прмперегрева расширение идёт по линии 1-b-2’; при этом х_2’=х₂^пред=0,86…0,88.

Определим термический КПД цикла с промперегревом.

В торая цель промперегрева – повышение КПД цикла. Если пренебречь работой насоса, то

Поделив на q₁^осн получим:

Из полученной зависимости следует, что при q^* термический КПД цикла с перегревом будет больше КПД основного цикла, если .

Более углублённый термодинамический анализ показывает, что для ↑ КПД цикла с прмперегревом необходимо правильно выбрать t_b и Р_П.П.=Р_а=Р_b. Оптимальное значение t_b в т. b соответствует:

Однократный промперегрев ↑ КПД на 3,5÷4 %, 2х кратный – на +1,5 %, 3х кратный на +0,5 %. Поэтому 3х кратный перегрев признан экономически нецелесообразным и не используется. 2х кратный используется на ПТУ с закритическими параметрами пара.

Изменение конечного давления P₂=var

однако при уменьшении Р₂ резко ↑ удельный объём пара. Рост удельного объёма пара приводит к увеличению габаритов выхлопной части турбины. При очень низком давлении (на уровне 0,003÷0,004 МПа) и высоком расходе пара в турбине приходиться разделять поток выходящего пара на 2 потока, соответственно изготовить 2 части низкого давления.

При этом ↑ расход электроэнергии на собственные нужды установки (на прокачку воды по трубкам конденсатора).

Поэтому давление пара Р₂ в современных ПТУ находится в пределах 0,003÷0,006 МПа.

Регенеративный подогрев питательной воды.

Регенеративный подогрев осуществляется паром из специальных нерегулируемых отборов паровой турбины в пароводяной теплообменник смешивающего или поверхностного типа.

Количество регенеративных отборов может варьироваться от 2÷3 до 9÷13.

Рассмотрим в качестве примера установку с 1м регенеративным подогревом смешивающего типа.

- доля отбираемого пара.

1-О – адиабатное расширение пара до параметров отбора;

О-2 – адиабатное расширение пара до конечного давления.

Определим термический КПД.

При наличии n отборов формула будет:

,

где h’_o1 – энтальпия конденсата пара в верхнем отборе.

α – доля отбора пара определяемая из уравнения теплового баланса подогревателя.

Использование системы регенерации позволяет ↑ КПД ПТУ на 7÷15 % в относительном выражении.

При проектировании систем регенерации необходимо правильно выбрать параметры пара в отборах, если отборы находятся в области влажного насыщенного пара, то достаточно знать t или P пара.

Поскольку энтропия пара одинакова и равна энтропии в т.1, то S₁=S₀₁=S₀₂=S_0n.

Выбор t пара в отборе проводят исходя из минимума прироста энтропии системы регенерации.

Т_Н и Т_К – температуры насыщения при начальном и конечном давлении пара соответственно.

Зная Т_on можно определить Р_on, по P_on и S_on=S₁ → h_on и другие характеристики.

↑ КПД установки при использовании регенерации достигает 7÷15 %. Существует 2 системы регенерации: со смешивающими и поверхностными регенераторами.

1) 2) 1) Регенеративные подогреватели смешивающего типа;

2) РП поверхностного типа. (Схема с каскадным переливом конденсата)

Схемы с РП смешивающего типа дают ↑ КПД, но требуют перекачивающие насосы.