Циклы паротурбинных установок

Основным циклом современных паротурбинных установок (ПТУ) является цикл Ренкина на перегретом паре. Перегретый пар с давлением р ₁ и температурой t ₁ поступает в паровую турбину ПТ (рис. 3.1), где, адиабатически расширяясь, совершает работу. После турбины влажный пар с давлением р ₂ поступает в конденсатор К, где, отдавая теплоту охлаждающей воде, полностью конденсируется при p = const и t = const. Конденсат с помощью питательного насоса ПН, адиабатически повышающего его давление до р ₁, вновь подается в парогенератор (паровой котел) ПГ, в котором получает теплоту от горячих продуктов сгорания топлива, нагревается при постоянном давлении p ₁ до температуры кипения, испаряется, а образовавшийся сухой насыщенный пар перегревается в пароперегревателе ПП до температуры t ₁. Теоретический цикл, совершаемый в данной установке, представлен на рис. 3.2.

Рис. 3.1. Схема паротурбинной установки

Рис. 3.2. Цикл Ренкина на перегретом паре:

1–2 – адиабатное расширение пара в ПТ;

2–3 – изобарно-изотермическая конденсация пара в К;

3–4 – адиабатно-изохорное повышение давление воды в ПН;

4–1 – изобарный подвод теплоты в ПГ с превращением воды в перегретый пар

Удельные количества подводимой в парогенераторе теплоты q ₁ и отводимой в конденсаторе теплоты q ₂ определяются как

, (3.1)

. (3.2)

Полезная работа цикла находится как разность работы, вырабатываемой в турбине , и работы, затрачиваемой в насосе ,

, (3.3)

где ; .

Так как работа, затрачиваемая в насосе, значительно меньше работы, получаемой в турбине , то для приближенного расчета цикла считают , а . Тогда расчетные формулы (3.1–3.3) приобретут вид

; (3.4) ; (3.5)

. (3.6)

Термический КПД цикла определяет долю подводимой теплоты, преобразованной в цикле в полезную работу:

. (3.7)

Расход пара D, кг/с, будет равен

, (3.8)

где N – мощность установки, кВт.

Расход топлива В _т, кг/с, сжигаемого в парогенераторе,

, (3.9)

где – теплотворная способность топлива, ;

– КПД парогенератора.

Для конденсации пара в конденсаторе используется холодная вода, расход которой , кг/с, определяется как

, (3.10)

где – теплоемкость воды, ;

– разность температур охлаждающей воды на входе и выходе из конденсатора.

Для сравнения различных энергетических установок используют удельные характеристики, в частности, удельный расход пара на единицу вырабатываемой мощности, кг/кВт·ч:

. (3.11)

Для увеличения степени сухости пара в последних ступенях турбины, а также для повышения эффективного КПД цикла ПТУ (при правильном выборе давления и температуры перегрева) применяют промежуточный перегрев пара (см. рис. 3.3, 3.4). В этом случае пар, после адиабатного расширения в части высокого давления турбины (ЧВД) до давления р_а, вновь возвращается в паровой котел, где в промежуточном пароперегревателе ППП вторично нагревается при p = const до температуры Т_b, равной или несколько меньшей начальной температуры Т ₁. Затем пар с параметрами р_а = р_b, Т _в поступает в часть низкого давления турбины (ЧНД), где адиабатно расширяется до давления в конденсаторе р ₂. Далее цикл аналогичен простому циклу Ренкина на перегретом паре.

В этом цикле подводимая теплота (без учета работы насоса)

, (3.12)

а работа, получаемая в турбине,

. (3.13)

Остальные величины рассчитываются по формулам (3.5, 3.7–3.10).

Рис. 3.3. Схема ПТУ с промежуточным перегревом пара

Рис. 3.4. Цикл ПТУ с промежуточным перегревом пара:

1– а – адиабатное расширение пара в ЧВД;

a – b – изобарный перегрев пара в ППП;

b –2 – адиабатное расширение пара в ЧНД;

остальные процессы см. по рис. 3.2

Для повышения термического КПД в циклах ПТУ используется регенерация теплоты. В этом случае питательная вода перед подачей в котел предварительно нагревается в теплообменнике за счет теплоты пара, отбираемого из турбины при давлении р _о, до температуры насыщения, соответствующей давлению отбора. Отобранный из турбины пар конденсируется в теплообменнике при p = const, отдавая теплоту воде, и смешивается с основным потоком пара из конденсатора. На рис. 3.5, 3.6 изображены схема и цикл ПТУ с двумя регенеративными отборами и теплообменными аппаратами смешивающего типа.

Рис. 3.5. Схема ПТУ с двумя регенеративными отборами пара

и теплообменными аппаратами смешивающего типа

Рис. 3.6. Цикл ПТУ с двумя регенеративными отборами пара

и теплообменными аппаратами смешивающего типа

Доли отбора пара a₁ = D _o1/ D иa₂ = D _o2/ D, направляемого из турбины в подогреватели, определяются из теплового баланса теплообменников:

, (3.14)

, (3.15)

Удельные количества подводимой и отводимой в цикле теплоты, а также удельная полезная работа цикла определяются как

, (3.16)

, (3.17) . (3.18)

Остальные величины считаются по формулам (3.7–3.10).

Совместная выработка электроэнергии и теплоты для отопления или производственных нужд называется теплофикацией. Используются две схемы теплофикационных циклов – с отбором пара на теплофикацию и с противодавлением.

При использовании турбин с регулируемым отбором пара (см. рис. 3.7, 3.8) пар в количестве D _о при давлении р _о отбирается из турбины и направляется в сетевой подогреватель СП (бойлер), предназначенный для нагрева воды, циркулирующей в отопительной сети тепловых потребителей ТП, или на производственные нужды. Конденсат пара теплофикационного отбора возвращается в схему и смешивается с основным потоком конденсата, поступающего из конденсатора, в сборном баке СБ.

Рис. 3.7. Схема ПТУ с теплофикационном отбором пара

Рис. 3.8. Цикл ПТУ с теплофикационном отбором пара

Доля пара, отбираемого из турбины на теплофикацию,

, (3.19)

где D _о определяется тепловой нагрузкой потребителя.

Удельные количества подводимой и отводимой теплоты определяются как

, (3.20)

, (3.21)

где энтальпия питательной воды h _пв, подаваемой в парогенератор, определяется из теплового баланса смешения потоков конденсата из отбора и конденсатора

. (3.22)

Количество теплоты , отданной тепловому потребителю, составит

. (3.23)

Полный расход пара через установку будет складываться из расходов пара, идущего в конденсатор и к потребителю D _о:

. (3.24)

Чтобы использовать для отопления теплоту конденсирующего пара в конденсаторе, применяют турбины с противодавлением. В этом случае давление пара на выходе из турбины повышают до 0,12–1,5 МПа, что позволяет нагреть циркулирующую в тепловой сети воду до 100–150 ^оС (рис. 3.9) или направить пар на производственные нужды. Пар, отдав теплоту потребителям, конденсируется и возвращается в схему для питания парогенератора.

Рис. 3.9. Схема и цикл ПТУ с противодавлением

Эффективность комбинированной выработки электроэнергии и теплоты оценивается с помощью коэффициентов использования теплоты пара и топлива К _тп и К _тт, а также с помощью коэффициента теплофикации К _тф:

, (3.25)

, (3.26)

, (3.27)
где – тепловая мощность парогенератора с учетом потерь.

Задачи

3.1. Тепловая машина работает по циклу Карно в области влажного пара (см. рис. 3.10, 3.11). Рабочее тело – вода и водяной пар. Подвод теплоты в цикле осуществляется при давлении p ₁ = 90 бар, отводится теплота при давлении в конденсатор p ₂ = 0,05 бар. Используя таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара (см. прил. 2), найти параметры и функции рабочего тела в характерных точках цикла, удельные количества подведенной и отведенной теплоты, работы турбины и компрессора, удельную работу цикла, термический КПД цикла.

Рис. 3.10. Схема установки, работающей по циклу Карно

Рис. 3.11. Цикл Карно на влажном паре

Ответ:

Состояние	Параметры и функции
p, бар	t, оС	h, кДж/кг	s, кДж/(кг·К)	v, м3/кг	х
	90,00	303,3		5,68	0,0205
	0,05	32,6		5,68	18,5000	0,657
	0,05	32,6		3,29	10,0200	0,355
	90,00	303,3		3,29	0,0014

3.2. Тепловая машина работает по циклу Ренкина в области влажного пара. Рабочее тело – вода и водяной пар. Подвод теплоты в цикле осуществляется при давлении p ₁ = 90 бар до состояния сухого насыщенного пара, перегрев пара отсутствует. Теплота в цикле отводится при давлении в конденсаторе p ₂ = 0,05 бар. Используя таблицы (см. прил. 2), найти параметры и функции рабочего тела в характерных точках цикла, удельные количества подведенной и отведенной теплоты, работы турбины и насоса, удельную работу цикла, термический КПД цикла. Изобразить цикл на диаграммах T-s и h-s (в масштабе).

Ответ:

Состояние	Параметры и функции
p, бар	t, оС	h, кДж/кг	s, кДж/(кг·К)	v, м3/кг	х
	90,00	303,30		5,680	0,0205
	0,05	32,60		5,680	18,5200	0,657
	0,05	32,60		0,472	0,0010
	90,00	33,71	149,3	0,472	0,0010	–

Диаграммы T-s и h-s цикла представлены на рис. 3.12.

3.3. В паротурбинной установке мощностью N = 500 МВт параметры пара перед турбиной: р ₁ = 170 бар, t ₁ = 550 ^оС. Давление пара в конденсаторе р ₂ = 0,03 бар. Топливо – природный газ с теплотворной способностью Q _р^н = 45 МДж/кг. Охлаждающая вода в конденсаторе нагревается на ∆ t _в = 15 ^оС. КПД парогенератора η_пг = 0,95.

Определить параметры и функции рабочего тела в характерных точках цикла, удельные количества подведенной и отведенной теплоты, работы турбины, насоса и цикла, термический КПД, расходы пара, топлива и охлаждающей воды.