32. Тепловой цикл турбинной установки

Простейшая энергетическая паротурбинная установка состоит из пит насоса 1, котла 2, пароперегревателя 3, паро­вой турбины 4, конденсатора 5 и электриче­ского генератора 6. Рабочим вещ-вом ее яв­л-ся водяной пар.

Принципиальная схема теплоэнергетической установки.

Если эту установку выполнить без паропе­регревателя, в турбину будет поступать насы­щенный пар. В этом случ технически возмож­но осуществить цикл Карно. Действ-но, для влажного пара изобарные процессы под­вода теплоты в котле и отвода ее путем кон­денсации части отработавшего пара явл-ся также и изотермич-ми.

Цикл Карно для влажного пара изобра­жен в Т-S-диаграмме:

3-4 — адиабатное сжатие в спец-ом компрессоре сильно увлажн-го пара до его полной конденсации,

4-1 — испарение воды в котле,

1-2 — адиабатное рас­ширение пара турбине,

2-3 — частич кон­денсация пара в спец конденсаторе.

Учитывая, что подвод теплоты и отвод ее в этом цикле производится при пост давл, находим теорет знач q1 теор, q2 теор:

q1 теор = h1 – h4; q2 теор = h2 – h3

=> полезная теорет внешняя работа будет равна:

L = q1 теор – q2 теор = (h1 – h4) - (h2 – h3) =

= (h1 – h2) - (h4 – h3)

h1 – h2 = Lрасш — полезная теорет работа, производимая 1 кг пара при его адиа­батном расширении в турбине;

h4 – h3 = Lсжат — теорет-ки затрачиваемая работа на сжатие 1 кг влажного пара в компрессоре.

Работа сжатия влажного пара до его кон­денсации во много раз превышает работу сжа­тия воды. Так, н-р, при адиабатном сжа­тии влажного водяного пара от давл 0,1 МПа до давл 3 МПа, при к-ом он полностью конденсир-ся, треб-ся затра­тить работу, эквив-ную 455 кДж/кг. При адиабатном же сжатии воды от состояния на­сыщ-ия при 0,1 МПа до давл 3 МПа не­обходимо затр-ть работу, эквив-ную всего лишь 2,75 кДж/кг, т.е. меньшую в 165 раз.

Вследствие преимуществ полной конденса­ции влажного пара цикл Карно в чистом виде в паросиловых установках не прим-ся. Вместо него прим-ся цикл с полной кон­денсацией отработавшего пара в конденсаторе, наз-мый циклом Ренкина. Идеальный цикл Ренкина для паросиловой турбинной установки, работающей с перегретым паром, изображен в T-S -диаграмме.

(1.4)

где k=1,3 — показатель изоэнтропы для пере­гретого пара; р0, рк — нач-ое и конечное давл пара; vо — нач-ый удельный объем пара.

В действит-ти процесс расшир-ия пара в турбине имеет значительную степень необратимости, т.к. течение его в проточ­ной части сопровождается заметными потеря­ми работы. Поэтому линия процесса расширения отклоняется от изоэнтропы на диаграммах h-S и T-S в сторону увели­чения энтропии.

В рез-те увеличения энтропии отрабо­тавшего пара при неизменном давл эн­тальпия его повышается, разность нач-ой и конечной энтальпий, представляющая собой действительную работу, развиваемую 1 кг па­ра в турбине, соответственно уменьшается и становится равной Lт = h0 – hk = Hi

Действительную работу, которую развива­ет 1 кг пара внутри турбины, принято называть использованным теплоперепадом Hi, тур­бины.

Процесс расширения пара в турбине в h-s-диаграмме

Действительный тепловой цикл в T-S- диаграмме

Ид цикл теплоэнергетич-ой уст-ки (цикл Ренкина) в T-S-диаграмме

На этой диаграмме показаны:

а'а — процесс адиа­батного сжатия воды в пит насосе;

аb — процесс нагрева воды в котле до t кипения;

bс — испарение воды в котле;

сd — перегрев пара в перегревателе;

dе — изоэнтропное расширение пара в турбине;

еа' — конденсация отработавшего пара в конден-ре.

Процессы нагрева, испарения воды и перегрева пара в котле происходят при постоянном дав­л. =>, все кол-во теплоты q1, переданное 1 кг воды и пара, целиком идет на повышение энтальпии рабочего вещ-ва от энтальпии пит воды hпв до энтальпии свежего пара h0 и равно их разности: q1 = h0 - hпв

Это кол-во теплоты в Т-S-диаграмме изо­бр-ся площадью 1-a-b-c-d-2-1.

Из турбины пар поступает в конденсатор, где при постоянном давл конденсир-ся и отдает теплоту q2 охлаждающей воде. Эту теплоту можно опред-ть как разность эн­тальпий отработавшего пара при изоэнтропном расширении его в турбине hkt и конденсата h’k (в ид. цикле Ренкина): q2 = hkt – h’k

Полезная теорет работа 1 кг пара равна разности м/д подведенной и отведен­ной теплотой:

L = q1-q2 = (h0–hпв) - (hkt–h’k) = (h0–hkt) - (hпв–h’k) (1.1)

Разность энтальпий h0–hkt представляет собой работу 1 кг пара в идеальной турбине. Разность энтальпий hпв–h’k есть работа, за­трачиваемая на сжатие 1 кг воды в пит насосе.

Полезная теорет работа 1 кг пара эквив-тна заштрих-ной площади в T-S-диаграмме. Отношение этой работы к под­вед-ой теплоте наз-ся абсолютным (термическим) КПД идеальной установки

(1.2)

Вычитая и прибавляя в знаменателе этого выражения величину h’k, получаем

Если экономич-ть турбинной уст-ки рассматр-ть без учета работы пит насоса, то абсолютный КПД идеального цикла будет равен

(1.3)

где вел-на H0 = h0 – hkt наз-ся располагаемым теплоперепадом турбины.

Значения располагаемого теплоперепада Н0 удобно опред-ть при помощи h-S-диаграммы. Для этого на ней находится нач-ая энтальпия h0, соответствующая точ­ке пересечения заданных нач-ых парамет­ров пара перед турбиной p0 и t0. Из этой точки проводится вертикальная линия изоэнтропного расширения пара в турбине до заданного конечного давления pк. Длина полученного от­резка Н0 = h0–hkt определяет теорет работу 1 кг пара в турбине и явл-ся распо­лагаемым теплоперепадом турбины.

Знач-е H0 можно опред-ть рас­четным путем. При этом если расширение за­канч-ся в области перегретого пара, ис­пользуется ур-ние ид-го газа:

пересечением поперечной и продольной шпонок, на­зываемым фикспунктом, или мертвой точкой. Передняя часть корпуса турбины соединена с передним картером с помощью спец лап, предусмотренных на корпусе, и поперечных шпонок, установленных на боковых приливах картера. Благо­даря такому соединению тепловые расширения кор­пуса турбины при прогреве и тепловые укорочения его при остывании полностью передаются переднему картеру, к-ый, скользя по фундаментной плите, с помощью упорного подшипника перемещает ротор на такую же величину, как и тепловое удлинение или укорочение корпуса, что обеспечивает неизмен­ность в допустимых пределах осевых зазоров в про­точной части турбины между вращ-мися и не­подвижными эл-ми.

В заднем картере турбины расположено валоповоротное устр-во, предназнач-ое для медленно­го вращ-ия ротора при пуске и остановке турбины. Оно состоит из электродвигателя, к ротору к-го присоединен червяк, входящий в зацепление с чер­вячным колесом, насаженным на промежуточный ва­лик. На винтовой шпонке этого валика установлена ведущая цилиндрическая шестерня, к-ая при включении валоповоротного устр-ва входит в зацепление с ведомой цилиндрической шестерней, си­дящей на валу турбины. После подачи пара в турби­ну частота вращ-ия ротора повышается и ведущая шестерня автоматически выходит из зацепления из-за проворачивания ее по винтовой шпонке.

Основным назначением валоповоротного устр-ва явл-ся предотвращение теплового искривле­ния ротора и нагрева баббитовой заливки подшип­ников при остывании и пуске турбины.

Основные узлы си­стемы регулирования рассматриваемой турбины: четыре клапана, регулирующих подачу пара в турбину, рас­пределительный кулачковый валик, поворачиваемый зубчатой рейкой поршневого сервомотора, получаю­щего импульс от регулятора скорости и открывающе­го или закрывающего клапаны. Профили кулачков выполнены таким образом, что регулирующие клапа­ны открываются поочередно один за другим. Такое последовательное открытие или закрытие их позво­ляет исключить дросселирование пара, проходящего через полностью открытые клапаны при сниженных нагрузках турбины, т. е. дросселируется лишь та часть пара, которая проходит через частично откры­тый клапан.

Эта система парораспределения наз-ся соп­ловой в отличие от дроссельной, где все кол-во пара как при полной, так и при сниженных нагруз­ках проходит через один или несколько одновремен­но открывающихся клапанов и, дросселируясь, по­ступает к соплам первой ступени с пониженным давл-ем. Понижение давл-я приводит к уменьше­нию располагаемого теплоперепада и соответствую­щему снижению экономичности турбины.

Основная потеря теплоты в турбинной установке происходит в ее конденсаторе. Для уменьшения этой потери в корпусе турбины предусмотрено несколько патрубков, через к-ые пар отбирается из проме­жуточных ступеней на подогрев питательной воды, подаваемой в котел

мощ-тью 225 МВт, К-500-65/3000 мощ-тью 500 МВт на частоту 50 с^-1, К-500-60/1500 мощ-тью 500 МВт на частоту 25 с^-1 и К-1000-60/1500.

Кроме ЛМЗ, ХТЗ и УТМЗ, выпускающих турбины большой мощ-ти, имеются заводы, изготовляющие турбины средней и малой мощ-ти. Это Невский завод им. Ленина, поставляющий турбины для привода воздуходувок и компрессоров, Калужский турбинный завод, выпускающий турбины для привода пит-ых насосов.