4.3. Пту с регенеративным подогревом
питательной воды
Одной из причин сравнительно невысоких значений термического КПД ПТУ является низкое значение средней температуры процесса подвода теплоты Т1, которое зависит от значений температуры в начале и в конце процесса. Температура в конце подвода теплоты ограничивается жаропрочностью конструкционных материалов пароперегревателя, парового котла и особенно лопаток паровой турбины. Поэтому используется другой подход повышения термического КПД − повышение температуры начала подвода теплоты к рабочему телу от внешнего источника теплоты. Это достигается при регенеративном подогреве питательной воды, подаваемой в паровой котёл, за счёт теплоты пара, отбираемого из турбины после его частичного расширения в ней. Такая модификация цикла приводит к увеличению термического КПД при незначительном уменьшении удельной работы цикла. Покажем это на примере решения ряда задач.
4.3.1. Пту с регенеративным подогревом питательной воды
в подогревателе смесительного типа
Задача. В паротурбинной установке, работающей при начальних параметрах пара p1 = 6,0 МПа и t1 = 600 °С , используется регенеративный подогрев питательной воды в смесительном подогревателе. Давление отбираемого пара ротб = 1,0 МПа. Давление пара в конденсаторе р2 = 0,004 МПа.
Изобразить принципиальную схему установки и ее теоретический цикл на энтропийных и p,v диаграммах. Определить термический КПД установки, удельные расходы пара, теплоты и топлива, а также мощность установки с учётом работы насоса, если часовой расход пара составляет 950 кг/час.
Сделать вывод об изменении КПД установки и её мощности по сравнению с соответствующим базовым циклом Ренкина. Задачу решить с помощью таблиц свойств воды и водяного пара [3].
Решение
На рис. 4.3 изображена принципиальная схема и термодинамический цикл 1-7-2-3-9-8-10-5-6-1 − ПТУ с регенеративным подогревом питательной воды в смесительном подогревателе. Точка 4 относится к базовому циклу Ренкина 1-2-3-4-5-6-1, с которым необходимо сопоставить заданный модифицированный цикл.
Для расчета КПД, как всегда, необходимо знать работу, совершаемую паром в цикле и внешне подводимую теплоту. В данном случае для этого следует дополнительно определить значения энтальпии в точках 7,8,9,10 и долю пара α, отбираемого для регенеративного подогрева воды. Значения h1 и h2 принимаем из расчёта базового цикла Ренкина (стр. 84…86), так как исходные данные задачи не изменились. Дополнительно определяем значения энтальпии в точках 7, 10, а также в точках 8, 9 (для расчета α).
Рис.4.3. Принципиальная схема и термодинамический цикл ПТУ с регенеративным подогревом питательной воды в смесительном подогревателе
обозначения на схеме: 1 – паровой котел; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – электрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – конденсатный насос; 7 – регенеративный смесительный подогреватель; 8 – питательный насос;
обозначения на диаграммах: 1-2 – обратимый адиабатный процесс расширения пара в турбине, в том числе 1-7 – расширение пара до состояния отбора (точка 7), 2-3 – изобарно изотермический процесс отвода теплоты в окружающую среду (конденсация ), 3-4 – виртуальный процесс” сжатия жидкости“при отсутствии регенеративного подогрева питательной воды, 9-8 – нагрев воы в регенеративном подогревателе, 7-8 – изобарно изотермический процесс подвода теплоты к жидкости в регенеративном теплообменнике смесительного типа, 3-9 и 8-10 – адиабатно изохорные процессы сжатия жидкости конденсатным и питательным насосом, 10-5-6-1 – изобарный процесс подвода теплоты к рабочему телу, в том числе 10-5 – изобарный процесс нагрева обычной жидкости до состояния насыщения, 5-6 – изобарно изотермический процесс подвода теплоты (парообразования), 6-1 – изобарный процесс перегрева жидкости
Точка 7
Энтальпия в этой точке отбора пара определяется из условия: p7 = ротб = = 10 бар, s7 = s1 = 7,1673 кДж/(кг·К). Тогда, найдя изобару 10 бар ([3] стр.98) и взяв в «оперативную память» s7 = 7,1673, устанавливаем, что оно находится между значениями sм = 7,1609 и sб = 7,1971. Тогда , коэффициент интерполяции по ”s”
.
Значение энтальпии в точке 7 рассчитывается из соотношения
.
Значение энтальпии в точке 8 равно h8 = h'(p = 10 бар) = 762,6 кДж/кг.
Точка 9
Энтальпия h9 определяется из условия s9 = s3 = s'(p = 0,04 бар) = = 0,4224 кДж/(кг·К) и р9 = ротб=10 бар. Взяв в «оперативную память» значение s9 = 0,4224, устанавливаем, что на изобаре 10 бар, s9 находится между sм = 0,2961 и sб = 0,4362. Тогда коэффициент интерполяции по “s”
,
тогда энтальпия в точке 9 равна
.
Точка 10. Энтальпия h10 определяется из условия р10 = р1 = 60 бар, s10 = = s8= s' (р = 10 бар)=2,1382 кДж/(кг·К). Найдя изобару 60 бар ([3] стр.126) и учитывая значение s10 = 2,1382, устанавливаем, что оно (значение s10) находится между sм = 2,1323 и sб = 2,2284. Коэффициент интерполяции по “s”
.
Тогда энтальпия в точке 10 равна
.
После определения значений энтальпии в новых характерных точках модифицированного цикла, рассчитываем долю отбираемого пара и его энергетические показатели.
Доля отбираемого пара α рассчитывается из уравнения теплового баланса регенеративного теплообменника
.
Тогда
,
Сумма работ насосов
,
где работы первого и второго насосов соответственно равны
Термический КПД модифицированного цикла
.
Удельный расход пара
.
Удельный расход теплоты
.
Удельный расход топлива
.
Мощность установки
.
Относительное повышение КПД цикла с регенеративным подогревом питательной воды по сравнению с соответствующим базовым циклом Ренкина, рассмотренным ранее (§ 4.1, стр.84-86)
.
Относительное увеличение удельного расхода пара
.
Относительное уменьшение удельного расхода теплоты
.
Относительное уменьшение удельного расхода топлива
.
Относительное уменьшение удельной работы 1 кг пара
.