12. Цикл пту с регенеративным подогревом питательной воды частично отработавшим паром.

Идея регенеративного подогревом питательной воды отработавшим в турбине паром было предложено и реализовано в ПТУ. Идея состояла в том, чтобы в процессе изоэнтропного расширения пара отбирать из турбины при различных давлениях некоторые количества частично отработавшего пара с тем, чтобы использовать его для нагрева питательной воды за счет теплоты, отдаваемой им при охлаждении до температуры насыщения, соответствующей давлению отбора, и при последующей конденсации. Как и в предельно регенеративном цикле, в этом случае полезная работа цикла ПТУ уменьшается в связи с уменьшением работы расширения, поскольку вследствие отборов уменьшается количество пара, до конца работающего в турбине. При таком способе отбора пара на регенерацию, параметры состояний основного потока пара в турбине остаются такими же, как в цикле без регенерации, а теплообмен между паром и жидкостью происходит вне турбины в специальных регенеративных подогревателях, что является более простым конструктивным решением, чем в предельно-регенеративном цикле.

Ступенчато-регенеративный подогрев питательной воды широко применяется как в стационарных, так и в судовых ПТУ. Такой цикл по мере увеличения числа отборов пара приближается к наиболее экономичному с теоретической точки зрения предельно регенеративному циклу. На практике даже при высоком начальном давлении пара число отборов не превышает 10 (в наиболее мощных стационарных ПТУ). В судовых ПТУ ограничиваются 3-4 отборами, так как дальнейшее увеличение их числа не приводит к существенному росту термического к.п.д. цикла, но существенно усложняет конструкцию установки.

13. Изобразите принципиальную схему и цикл пту с регенеративным подогревом питательной воды частично отработавшим паром.

На рис.11 представлена принципиальная схема ПТУ с двумя регенеративными отборами пара из турбины при давлениях р_а и р_b и двумя регенеративными подогревателями смесительного типа. В этом случае необходимо три насоса: первый (конденсатный) подает воду из конденсатора в первый подогреватель, второй — из первого подогревателя во второй, третий (питательный) — из второго подогревателя в котел. Вода поступает в соответствующие подогреватели при том же давлении, что и соответственно отбираемый из турбины пар, но при более низкой температуре и нагревается до температуры насыщения, соответствующей давлению отбора, за счет теплоты, отдаваемой паром при его охлаждении и конденсации (при правильно рассчитанном и обеспеченном автоматикой количестве отбираемого пара).

Рис.11. Принципиальная схема ПТУ с двумя регенеративными подогревателями смесительного типа.

Соответствующий теоретический цикл ПТУ с двумя отборами пара изображен на диаграмме Т,s (рис.12). Следует подчеркнуть, что на отдельных участках некоторых процессов, образующих цикл, участвуют разные количества рабочего тела. Так в изоэнтропном процессе 1-2 на участке 1-а расширяется один килограмм пара, а на участках а-b и b-2 — меньшие количества в связи с осуществлёнными отборами пара для подогрева питательной воды, поэтому в процессе 2-3 конденсируется пар, оставшийся в турбине после второго отбора.

В процессах I-f и II-d количество рабочего тела (воды) увеличивается, так как к питательной воде, поступающей из конденсатора, в подогревателях добавляется конденсат греющего пара. Ли­нии а-с-d и b-e-f изображают процессы охлаждения и конденсации долей пара, отбираемых из турбины. Процессы протекают в соответствующих подогревателях при давлениях р_а и р_ь. Более строгим было бы изображение рассматриваемого цикла в трехмерной системе координат, в которой по третьей оси откладывалась бы масса рабочего тела, но ввиду сложности такого изображения к нему не прибега­ют.

Рис.12. Теоретический регенеративный цикл ПТУ с двумя смесительными подогревателями

Для определения значений отбираемых долей пара α_а и α_ь, приходящихся на каждый килограмм пара, поступающего в турбину (то есть массовых долей отбираемого пара), используем закон сохранения энергии и массы, из которого следует, что при смешении пара и жидкости в подогревателе суммарная энтальпия не меняется. Энтальпия пара на входе в первый подогреватель равна h_b, на входе во второй — h_a. Энтальпия воды на входе в подогреватели соответст­венно равна h₃ и h_f (если пренебречь работой насосов), а на вы­ходе из них равна h_f и h_d, то есть энтальпии кипящей жидкости в состоянии насыщения при давлениях р_b и р_а. Тогда балансовые уравнения для расчета значений α_а и α_ь можно записать в виде

6.14

Из системы (6.14) получаем

6.15

При определении значений α_а и α_ь мы пренебрегли работой насосов, но при расчете термического к. п. д. ею не следует пренебрегать, так как в установках с регенеративным подогревом питательной воды давление в котле велико. Тогда выражение для тер­мического к. п. д. рассматриваемого цикла с учетом работы насо­сов имеет вид

6.16

6.17

С несколько большей погрешностью можно рассчитывать работу насосов по упрощенной формуле

6.18

Фигурирующие в формулах (6.14) — (6.18) значения энтальпии опре­деляют с помощью таблиц либо по диаграмме h,s. Необходимые для расчета работ насосов значения удельного объема воды в состоянии насыщения можно найти только по таблице или рассчитать на компьютере.

При большем числе отборов, чем здесь рассмотрено, и том же типе подогреватей смесительного типа методика расчета остается в принципе такой же, но вместо уравнений (6.14) составляют более сложную систему балансовых уравнений, число которых равно числу подогревателей.

В случае использования только подогревателей поверхностного типа схема ПТУ несколько отличается от выше рассмотренной — в ней дополнительно появляется сборник конденсата, где жидкость находится при давлении, близком к атмосферному. В такой установке имеются два насоса, один из которых подает воду из конденсатора в сборник конденсата, а второй — из сборника через подогреватели в котел. Образующийся в подогревателях конденсат греющего (отбираемого) пара отводится в сборник конденсатов по «каскадной» схеме через нижерасположенные подогреватели с помощью своих конденсатоотводчиков, при этом энтальпии конденсатов не изменяются, так как про­цесс их отвода близок к процессу дросселирования. Массовые доли отбираемого пара на подогрев определяются с помощью системы уравнений, описывающих теплообмен между паром и водой в подогревателях поверхностного типа без учета недогрева жидкости и смешении двух потоков жидкости в сборнике конденсата. Заметим, что для схемы с одним подогревателем поверхностного типа доля отобранного пара рассчитывается по такой же формуле, как и для схемы с подогревателем смесительного типа.

В циклах с регенеративными отборами пара полезная работа естественно меньше, чем в цикле Ренкина, но количество подводимой в котле теплоты также меньше. Поэтому значение термического к.п.д. регенеративных циклов больше значения η_t, базового цикла Ренкина при тех же параметрах пара, хотя и меньше значе­ния η_t предельно регенеративного цикла.

Ступенчато-регенеративный подогрев питательной воды при­меняется в большинстве современных ПТУ, при этом число отбо­ров пара тем больше, чем выше давление в котле. Значения давлений отборов выбираются из условий обеспечения максимально возможного значения термического к.п.д. цикла, так как при конечном числе ступеней к.п.д. цикла зависит от распределения температур подогрева между ступенями. Рекомендации по выбору числа отборов пара и соответствующих давлений рассматриваются в специальных курсах, так как на практике расчет паротурбинной установки является более сложной задачей, чем расчет идеального термодинамического цикла.