Регенеративный цикл паросиловой установки

Регенерация тепла в ПСУ позволяет уменьшить необратимость процессов теплообмена в цикле на участке подогрева питательной воды.

При наличии двух источников тепла с температурами Т ₁и Т ₂в цикле Ренкина, осуществляемом во влажном паре, на участке подогрева питатель­ной воды 3-4 (рис. 11.13) будет иметь место необратимый переход тепла при конечной разности температур от верхнего источника с темпера­турой Т ₁к рабочему телу с температурой Т.

Рис. 11.13

Если процесс расширения пара вести не по адиабате 1-2, а по политропе 1-2', эквивидистантной кривой 3-4 с отводом тепла, то, осуществляя при этом регенерацию тепла, то есть обратимый переход тепла с участка 1-2' на участок 3-4, получим обратимый обобщенный цикл Карно, кпд которого ра­вен кпд наивыгоднейшего обратимого цикла Карно.

Подобный регенеративный цикл можно было бы приближенно осущест­вить по схеме, представленной на рис. 11.14, которая включает три ступени турбины ПТ-1, ПТ-II, ПТ-III и две ступени регенератора P-I и Р-II.

Рис. 11.14

Пар после первой ступени ПТ-I турбины поступает на первую ступень ре­генератора P-I, отдавая часть теплоты питательной воде, направляемой в во дяной экономайзер. После регенератора первой ступени пар поступает во вторую ступень турбины ПТ-II. Отработав на лопатках второй ступени тур­бины, пар направляется во вторую ступень регенератора Р-II, где отдает пи­тательной воде еще одну часть теплоты. Затем пар поступает в третью сту­пень турбины и после нее - в конденсатор К.

Соответствующий этой схеме регенеративный цикл изображен на рис. 11.15. Рассмотрим процессы цикла: 1- a - адиабатное расширение пара на лопатках первой ступени турбины; а -b - изотермический отвод теплоты от пара к питательной воде в регенераторе первой ступени; b -с - адиабатное расширение пара на лопатках второй ступени турбины; с - d - изотермиче­ский отвод теплоты от пара во второй ступени регенератора; d - 2'- адиабат­ное расширение пара на лопатках третьей ступени турбины; 2' - 3 - конден­сация пара в конденсаторе; 3-4 - подогрев питательной воды в регенераторах, водяном экономайзере и котле; 4-1- превращение воды в пар в котле ПК.

Рис. 11.15

С увеличением числа ступеней турбины и регенератора ломаная линия labcd 2'будет приближаться к прямой линии, эквидистантной линии 3-4, а в целом цикл будет приближаться к обобщенному термодинамическому циклу Карно. Однако на практике из-за конструктивных и эксплуатационных труд­ностей подобная схема регенерации не применяется. В частности, влажность пара (1 – х ₂) в точке 2' при такой схеме оказалась бы недопустимо высокой.

Регенеративный цикл, широко применяемый в ПСУ, осуществляется пу­тем последовательного отвода из турбины части пара для регенеративного подогрева питательной воды. При таком способе состояние оставшегося ос­новного потока пара в турбине остается таким же, как и в цикле без регене­рации.

Различают две основные схемы регенеративного подогрева:

1. Смешивающая (содержит в качестве регенераторов подогреватели
смешивающего типа).

2. Каскадная (содержит поверхностные подогреватели).

Простейшая смешивающая схема регенеративного подогрева питатель­ной воды с двумя отборами пара из турбины и соответствующий ей цикл в is- диаграмме выглядят следующим образом (рис. 11.16, 11.17). Участок m - n -2 изображен условно, т.к. здесь расширяется не весь поступивший в турбину пар.

Работа цикла l равна работе 1 кг пара при полном его расширении за ми­нусом недовыработанной работы g ₁и g ₂кг пара, ушедшего в отборы:

.

Рис. 11.16

Количество подведенного в цикле тепла , где - энтальпия, со­ответствующая температуре конца регенеративного подогрева t _рег.

Термический кпд регенеративного цикла

.

Удельный расход пара (кг) на 1 МДж (одну техническую единицу работы)

.

Рис. 11.17

Сравнение этого выражения с выражением для удельного расхода пара в цикле Ренкина без регенерации

показывает, что удельный расход пара в регенеративном цикле выше, чем в

цикле Ренкина.

В то же время удельный расход теплоты на выработку 1 кг пара (кДж/кг)

в регенеративном цикле оказывается меньшим, чем в цикле Ренкина без ре­генерации

,

где l _ц' - температура питательной воды после ее подогрева в регенераторах.

Термический кпд цикла Ренкина с регенерацией определяется по формуле

, ,

где - полезная работа цикла с регенерацией.

Ввиду того, что часть пара, проходящего через турбину, направляется на подогрев питательной воды и не участвует в выработке полезной работы на лопатках турбины, полезная работа в цикле Ренкина с регенерацией будет меньше полезной работы обычного цикла Ренкина (при одинаковых началь­ных и конечных параметрах)

.

Однако расчеты показывают, что уменьшение расхода теплоты оказыва­ется большим, чем уменьшение полезной работы и поэтому

.

Увеличение кпд цикла Ренкина с регенерацией происходит за счет увели­чения средней температуры подвода теплоты при одинаковой конечной тем­пературе отвода теплоты.

Таким образом, применение регенеративного подогрева питательной во­ды приводит к следующему:

1.Увеличивается кпд ПСУ на 10-12 % и тем в большей степени, чем выше давление пара.

2.Уменьшается количество пара, проходящего через последние ступени турбины, а, следовательно, уменьшаются и их габариты.

3.Уменьшается поверхность нагрева водяных экономайзеров. При этом, чтобы не снизить кпд котельной установки, теплоту уходящих газов стремятся максимально использовать для подогрева воздуха, посту­пающего в парогенератор, в воздушных подогревателях.

В заключение следует отметить, что введение регенерации может быть выгодным лишь до определенной температуры подогреваемой в регенерато­рах питательной воды, превышение которой приводит к необходимости от­бирать для этих целей из турбины пар более высоких параметров. В этом случае может возникнуть ситуация, когда уменьшение полезной работы на лопатках турбины окажется большим, чем уменьшение количества теплоты, затрачиваемой на выработку 1 кг пара, а удельный расход теплоты на еди­ницу работы из-за увеличения удельного расхода пара будет возрастать. В связи с чем выгода, получаемая от применения регенерации, будет уменьшаться и при определенных условиях может оказаться равной нулю. Поэтому для каждой тепловой электрической станции существует опреде­ленная температура питательной воды, подогреваемой в регенераторах, ко­торая дает максимальную прибавку кпд.

Термический кпд цикла Ренкина составляет 30-40%. Это означает, что 70-60% теплоты, затрачиваемой на получение пара, отдается холодному ис­точнику теплоты (теплота q ₂).

Кроме чисто термодинамических потерь в паросиловой установке имеет­ся потери, связанные с работой оборудования (котлоагрегат, трубопроводы, турбогенератор и проч.). Его кпд составляет 90-98%.

Низкий кпд паросиловой установки объясняется малой экономичностью основного процесса преобразования теплоты в работу в цикле Ренкина. Это связано в первую очередь с тем, что в парогенераторе теплообмен протекает при большой конечной разности температур между горячими газами и рабо­чим телом (пар). Именно здесь в результате необратимого теплообмена про­исходит наибольшие потери работоспособности (эксергии) теплоты.

§ 11.8. БИНАРНЫЕ (ДВОЙНЫЕ) ЦИКЛЫ

В бинарных циклах в качестве рабочих используются два тела вместо од­ного. Применение двух рабочих тел обосновывается тем, что пар воды как рабочее тело вместе с положительными имеет и отрицательные свойства, ко­торые наиболее проявляются в области высоких температур.

Для выяснения причин плохого использования верхнего температурного предела в паросиловых установках рассмотрим цикл Ренкина 123451 в Ts- координатах (рис. 11.18), который протекает в интервале температур Т ₁ -Т ₂. Работа l _ц 1 кг пара в цикле численно равна площади 123451. В цикле Карно 1234'1 для того же перепада температур работа определяется площадью 123 1, которая значительно больше, чем площадь 123451. Степень прибли­жения цикла Ренкина к циклу Карно характеризуется коэффициентом запол­няемости

.

Рис. 11.18

Чем больше k_з, тем выше термодинамическое совершенство цикла. Применение бинарных циклов позволяет существенно увеличить k _з.

Недостатки водяного пара как рабочего тела заключаются в том, что вода при сравнительно невысокой критической температуре (t _кВ 374,15 °С) имеет высокое критическое давление (22,115 МПа). В связи с чем для повышения кпд цикла Ренкина приходится повышать начальную температуру пара, ко­торая в сочетании с высоким давлением неблагоприятно влияет на материал оборудования тепловой станции.

Если бы удалось найти рабочее тело с более высокой критической темпе­ратурой, чем у воды, при достаточно низком критическим давлении, то кпд цикла Ренкина можно было бы повысить. В то же время это рабочее тело должно иметь низкую температуру насыщения при низких давлениях, близ­кую к температуре охлаждающей воды. Кроме того, жидкость должна иметь малую теплоемкость, а перегретый пар жидкости - большую теплоемкость.

В природе до сих пор не найдено рабочего тела с такими свойствами. На­пример, вода удовлетворяет лишь одному из этих свойств - температура на­сыщения при малых давлениях (при давлениях вакуума в конденсаторе) дос­таточно мала и незначительно отличается от температуры охлаждающей воды. В связи с чем теплообмен в конденсаторе протекает при небольшой разности температур между паром и охлаждающей водой.

Для того чтобы приблизиться к тем условиям протекания процессов в ПСУ, которые должны выполняться при использовании рабочего тела с пе­речисленными выше положительными свойствами, был создан цикл с двумя рабочими телами. В таком цикле одно из рабочих тел имеет высокую крити­ческую температуру при достаточно низком давлении насыщения. Оно ис­пользуется в цикле, реализуемом в области высоких температур. Второе ра­бочее тело должно иметь низкую температуру насыщения, сопоставимую с температурой окружающей среды при давлениях вакуума (давление в кон­денсаторе).

В качестве первого рабочего тела используется ртуть. В области низких температур в качестве рабочего тела используется вода.

Рис. 11.19

Принципиальная схема ртутно-водяной бинарной установки представлена на рис. 11.19. На рисунке введены следующие обозначения: РК - ртутный котел; ПП - пароперегреватель водяного пара; РТ - ртутная турбина; КИ -конденсатор-испаритель; ПТ - паровая турбина; КВП - конденсатор водяного пара; HI, H2 - насосы ртутный и водяной соответственно.

Цикл бинарной установки в Ts -координатах представлена на рис. 11.20.

Рис. 11.20

Рис. 11.21

Рассмотрим процессы цикла: 1-2 - адиабатный процесс расширения водя­ного пара на лопатках паровой турбины; 2-3 - конденсация пара в конденса­торе водяного пара; 3-4 - процесс сжатия воды в насосе Н2 и подогрев воды до температуры кипения в конденсаторе ртутного пара; 4-5 - кипение воды в конденсаторе-испарителе; 5-1 - перегрев водяного пара в пароперегревателе ПП от теплоты уходящих из ртутного котла газов.

Выше был рассмотрен пароводяной цикл. Рассмотрим ртутный цикл 6789. Процесс 6-7 - адиабатное расширение ртутного пара на лопатках ртут­ной турбины; 7-8 - конденсация пара в конденсаторе-испарителе; 8-9 - сжа­тие жидкой ртути в насосе H1 и подогрев ее до температуры кипения в ртут­ном котле; 9-6 - парообразование в ртутном котле.

Так как энтальпия ртутного пара значительно меньше энтальпии водяно­го пара, то за одинаковые отрезки времени через конденсатор-испаритель должно пройти водяного пара в 10-12 раз меньше, чем ртутного. В связи с чем, на Ts -диаграмме цикл 123451 выполнен для 1 кг водяного пара, а цикл 6789 для М кг ртутного пара

Вводится понятие кратности циркуляции ртути т, которая равна отноше­нию массы ртути к массе воды в цикле. Она может быть найдена также из теплового баланса конденсатора-испарителя

.

Термический кпд бинарного цикла находится по формуле

,

где L _p- работа М кг ртутного пара; l _в - работа 1 кг водяного пара; Q ₁- коли­чество теплоты, подведенной в ртутном котле.

Термический кпд бинарного цикла достигает 0,8-0,85 от значения кпд цикла Карно, работающего в тех же температурных пределах.

Для повышения кпд бинарной установки можно применять регенератив­ный подогрев питательной воды. Термический кпд бинарного цикла при t ₆=500° С и t ₂=30° С составляет η_t =0,57.