17. Теплосиловые паровые циклы

В современной стационарной теплоэнергетике в основном используются паровые теплосиловые установки. Теплосиловые установки, в которых в качестве рабочего тела применяется пар, имеют ряд особенностей и преимуществ, существенно отличающих их от теплосиловых установок с газообразным рабочим телом. Паротурбинная установка (ПТУ) – это тепловая машина, в которой рабочим телом является пар какой-нибудь жидкости, чаще всего водяной пар, а продукты сгорания топлива являются промежуточным теплоносителем.

17.1. Цикл Карно

Использование рабочего тела, изменяющего в течение цикла свое агрегатное состояние, позволяет осуществить на практике цикл Карно. Напомним, что цикл Карно из двух адиабат и двух изотерм. Практически осуществление адиабатных процессов не представляет особых трудностей. Отклонения реальных адиабатных процессов расширения и сжатия от изоэнтропы, обусловленные необратимостью процессов течения, конечно, приводят к уменьшению термического КПД цикла, однако это уменьшение не слишком велико. Практическое осуществление изотермических процессов подвода и отвода тепла в газовых теплосиловых установках сопряжено с непреодолимыми трудностями. Для того чтобы по возможности приблизить реальные процессы к изотермическим, применяют многоступенчатое сжатие воздуха с промежуточным охлаждением (в компрессорах) и ступенчатый подвод тепла (в газотурбинных установках).

Совершенно иначе обстоит дело в паросиловых циклах. В случае потока вещества технически наиболее просто осуществимым процессом подвода или отвода тепла является изобарный процесс. Ранее были рассмотрены условия протекания изобарного процесса подвода или отвода тепла при постоянной температуре. Это – процесс фазового перехода чистого вещества из жидкого в газообразное состояние. Внутри двухфазной области состояний чистого вещества изобары совпадают с изотермами; следовательно, изобарный процесс подвода тепла к влажному пару (т. е. парообразование), равно как и изобарный процесс отвода тепла от влажного пара (т. е. конденсация), легко осуществимые на практике, представляют собой в то же время изотермические процессы. Отсюда следует, что если использовать влажный пар в качестве рабочего тела и осуществить цикл, составленный из двух адиабат и двух изобар (которые в то же время являются изотермами), то это и будет цикл Карно.

Схема теплосиловой установки, в которой осуществляется цикл Карно на влажном паре, представлена на рис. 77. Химическая энергия топлива при его сжигании превращается во внутреннюю энергию продуктов сгорания, которая затем в виде теплоты передается воде или пару в котле 1 и перегревателе 2. Полученный пар направляется в паровую турбину 3, где происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем обычно в электрическую энергию в электрогенераторе 4.

Рис. 77. Принципиальная схема ПТУ: 1 – паровой котел; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – электрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – конденсационный насос; 7 – питательный бак; 8 – питательный насос; 9 – подогреватель

Отработавший пар поступает в конденсатор 5, где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат насосом 6 направляется в питательный бак 7, откуда питательная вода забирается питательным насосом 8, сжимается до давления, равного давлению в котле, и подается через подогреватель 9 в паровой котел 1. Описанный цикл в p, V-диаграмме изображен на рис. 78, в T, S-диаграмме на рис. 79. - (∙) 0 характеризует начальное состояние кипящей воды при давлении p1; - воде при постоянной температуре и постоянном давлении p1 сообщается удельное количество теплоты q1, равное теплоте парообразования r (процесс 0–1);

V Рис. 78. Цикл Карно в p, V-диаграмме для насыщенного пара

Рис. 79. Цикл Карно в T, S-диаграмме для насыщенного пара

- полученный сухой насыщенный пар от (∙) 1 расширяется по адиабате в цилиндре паровой турбины до давления p₂, процесс (1–2), температура понижается до конденсатора и степень сухости уменьшается от х = 1 до х₂;

- образовавшийся влажный пар со степенью сухости х₂ частично конденсируется при постоянной температуре и давлении p₂ до (∙) 3 (процесс 2–3), при этом сухость его уменьшается до от пара отводится удельное количество теплоты

- от (∙) 3 пар по адиабате сжимается в компрессоре до начального состояния и пар полностью превращается в кипящую воду.

Паротурбинная установка, работающая по циклу Карно, должна состоять из парового котла (процесс 0–1), парового двигателя (процесс 1–2), конденсатора (процесс 2–3) и компрессора (процесс 3–0). Термический КПД цикла Карно, где в качестве рабочего тела используют насыщенный водяной пар, определяется по уравнению

Применение перегретого пара в цикле Карно не увеличивает его КПД, если пределы температур остаются без изменения. На рис. 79 цикл Карно для насыщенного пара изображается площадью 01230, а для перегретого пара – площадью 04530. Из рисунка видно, что КПД обоих циклов одинаковы.

Паросиловые установки, работающие по циклу Карно, имеют существенные недостатки, которые делают нецелесообразным их применение. Эти недостатки заключаются в следующем: в процессе 2–3 конденсация пара осуществляется не полностью, вследствие чего объем цилиндра компрессора при адиабатном сжатии влажного пара от точки 3 до 0 при давлении должен быть весьма значительным, а это требует большого расхода металла на его изготовление. Размеры цилиндра компрессора увеличиваются с возрастанием начального давления пара и уменьшением давления в конденсаторе, т. е. при переходе к более выгодным температурным режимам. Кроме того, необходимость осуществления цикла Карно только в области двухфазных состояний не позволяет иметь высокую начальную температуру пара, ограниченную в пределе критической температурой, т. е. не дает возможность получить достаточно большие значения термического КПД цикла. Главное же заключается в том, что затрачиваемая действительная работа на привод компрессора значительно больше теоретической вследствие наличия в нем больших потерь, связанных с необратимостью протекающих процессов. Эти потери могут увеличить действительную работу по сравнению с теоретической на и выше.

Рис. 80. Реальный цикл с учетом потерь на трение

Реальный цикл, осуществляемый во влажном паре и составленный из двух изобар-изотерм и двух адиабат, условно изображен на рис. 80 с учетом необратимых потерь на трение при расширении пара в турбине и при его сжатии в компрессоре. Здесь – увеличение энтропии пара в процессе адиабатного расширения, обусловленное трением, а – увеличение энтропии пара при его сжатии в компрессоре.

Из вышесказанного следует, что осуществление цикла Карно во влажном паре вполне возможно. Поскольку критическая температура воды сравнительно невысокая (374,15 С), то невелик и интервал температур между нижней (порядка 25 С) и верхней (не выше 340–350 С) температурами цикла, так как при большем приближении к критической точке резко сужается изобарно-изотермического участка 0–1 и, следовательно, относительно большее влияние оказывают снижающие термический КПД цикла неизоэнтропные участки 1–2 и 3–4, степень заполнения цикла уменьшается. Однако даже в этом сравнительно узком интервале предельных температур величина для обратимого цикла Карно, осуществляемого во влажном паре, оказывается весьма значительной:

Тем не менее с учетом условий работы теплосилового оборудования практическое осуществление этого цикла нецелесообразно, так как при работе на влажном паре, который представляет собой поток сухого насыщенного пара с взвешенными в нем капельками воды, условия работы проточных частей турбин и компрессоров оказываются тяжелыми, течение оказывается газодинамически несовершенным и внутренний относительный КПД этих машин снижается. Тогда внутренний абсолютный КПД цикла Важно и то, что компрессор для сжатия влажного пара с малыми давлениями и большими удельными объемами представляет собой весьма громоздкое, не удобное в эксплуатации устройство, на привод которого затрачивается чрезмерно большая энергия. По этим причинам цикл Карно, осуществляемый на влажном паре, не нашел практического применения.