Термодинамические циклы.
Приняв конечное давление цикла постоянным Рк = 0,005 МПа, рассмотрим влияние начальных параметров пара на тепловую экономичность.
Идеальный цикл Ренкина для начальной температуры 500°С, означает для водяного пара работ у на перегретом паре. На рис. он нанесен для Р = 10 МПа.
Сопоставление
идеальных циклов Карно и Ренкина для
начальной температуры 500°С подтверждает,
что
, так как количество теплоты, отводимой
в конденсатор для обоих случаев равно,
а количество теплоты превращаемой в
работу существенно различно. На рис. 1.
можно представить себе и идеальный цикл
на АЭС на насыщенном паре , например для
Р
=10 МПа.
Из сопоставления идеальных циклов Ренкина для насыщенного и перегретого водяного пара на рис. 1. видно преимущество перегретого пара перед насыщенным при равных начальных давлениях пара. Действительно, за счет перегрева получается дополнительна работа, характеризуемая площадью г'г дд', которая больше, чем дополнительный отвод теплоты в холодном источнике. Перегретый пар всегда повышает тепловую экономичность, если сопоставлять его работу с насыщенным паром того же давления. Если же введение перегрева требует снижения давления, а такое положение имеет место, если предельная температура теплоносителя меньше критической температуры воды, т.е. для АЭС с водяным теплоносителем, то насыщенный пар является более выгодным. Рассмотрим, почему введение перегрева для таких АЭС может вызвать снижение давления пара.
На рис. 2 показаны циклы насыщенного и перегретого пара для случая, когда начальная температура пара t0 = 274°C ( P0 для ВВЭР-1000 )
Для перегретого пара с этой температурой давление отвечает температуре насыщения по линии бг , а не по линии б'в. Из рис. 2 отчетливо видно снижение КПД при переходе от насыщенного к перегретому пару при одном и том же значении начальной температуры. В самом деле, выигрыш при работе на перегретом паре, составляющий площадь в'гдд'в'' не только меньше теряемой в связи со снижением давления работы (бб'вв') , но и вызывает дольшой дополнительный отвод тепла в холодном источнике ( в'''в''д'д'' ).
Таким образом, если начальная температура цикла ограничена и отвечает докритическим давлениям водяного пара, то цикл насыщения водяного пара обладает более высокой тепловой экономичностью, чем цикл перегретого пара той же начальной температуры.
АЭС на насыщенном паре не могут использовать полностью цикл, показанный на рис. 2. В процессе расширения насыщенного пара в турбине его влажность непрерывно увеличивается и достигает значений недопустимых по условиям эрозионного износа проточной части. В связи с этим идеальный цикл АЭС с водяным теплоносителем включает в себя промежуточную сепарацию.
П
ар,
достигший предельно допустимых значений
влажности после головного цилиндра
турбины отводится в сепаратор и
осушается в нем ( линия гд)
при постоянном давлении ( температуре
). При этом полезная работа возрастает
на величину площади г'гдд'
.
В результате сепарации влаги можно
осуществить ещё и промежуточный перегрев
пара за счет конденсации части пара
начальных параметров. Это позволяет
при последующем расширении пара в
турбине обеспечить в её последних
ступенях допустимую влажность. Перегрев
производится в поверхностном
теплообменнике, в связи с тем конечная
температура перегрева будет меньше
начальной температуры греющего свежего
пара на значение температурного напора
∆t.
Из рис. 3 видно, что пром. сепарация пара увеличивает полезную работу на величину площади г'гдд' , но одновременно увеличивается ( и более значительно ) отвод теплоты в холодном источнике ( s = г''г'д'д'' ). Аналогично влияние пром. перегрева ( s = д''д'е'е'' > s = д'дее' ).
Таким образом, КПД цикла с пром. перегревом и сепарацией пара оказывается меньшим , чем для цикла без пром. сепарации и перегрева. Однако выше было отмечено, что осуществление цикла без сепарации и перегрева при Рк = 0,005 МПа невозможно.
Поэтому
такое прямое сопоставление неправомерно.
Цикл с сепарацией и пром. перегревом
надо сопоставлять с циклом при их
отсутствии при допустимых конечных
влажностях. Тогда цикл без сепарации
будет иметь давление в холодном источнике
существенно выше чем 0,005 МПа. Полезная
работа при этом будет равна площади
б'бвг
,
отвод в холодном источнике б''б'гг''
, а КПД такого цикла
, т.е. будет существенно ниже, чем при
сепарации и пром. перегреве пара.
Следует также иметь в виду, что влажность пара вызывает снижение внутр. относит. КПД η0 i . Введение пром. перегрева увеличивает η0 i , ηt цикла.
Увеличение работы, производимой каждым килограммом пара, и поэтому возможность уменьшения расхода пара при той же мощности позволяют при пром. сепарации и перегреве конструировать турбины значительных мощностей даже для средних параметров.
В связи с этим пром. перегрев и сепарация являются обязательными для АЭС с водным теплоносителем.
Приведенные выше циклы рассматривались при отсутствии регенеративного подогрева питательной воды.
Анализ цикла с регенеративным подогревом питательной воды свидетельствует об уменьшении отвода теплоты в холодном источнике на значение площади г''г'в'в'' . При этом уменьшается и полезная работа на величину площади г'гв' . Но сравнение этих площадей свидетельствует о повышении КПД цикла с регенеративным подогревом.
Значительное и легко достижимое увеличение термического КПД при использовании регенеративного подогрева привело к обязательному его использованию во всех ПТУ.
Для подогрева воды от точки а' до б' используется не теплота, выделяемая в реакторе, а теплота частичной конденсации пара, работающего в турбине.
За счет теплоты, выделяемой в реакторе, при этом будут осуществляться процессы по линии б'б и бв.
Таким образом, температура воды после регенеративного подогрева, т.е . в точке б' всегда будет меньше
а) температуры насыщения пара
б) температуры, характерной для точки г в связи с необходимостью иметь темпер. ∆t в пов. подогревателе