17.5. Регенеративный цикл паротурбинной установки

Для повышения термического КПД цикла паротурбинной теплосиловой установки, так же, как и в газотурбиных установках, применяется регенерация тепла. Условный предельно-регенеративный цикл паротурбинной установки изображен на рис. 95.

Рис. 95. Предельно-регенеративный цикл паротурбинной установки

Рис. 96. Цикл, эквивалентный по термическому КПД предельно-регенеративному циклу ПТУ

В этом цикле подогрев питательной воды (процесс 4–5) производится за счет отведенного количества теплоты в процессе 2–3. При этом количество теплоты, отведенное в процессе 2–3 и измеряемое площадью 27832, равно количеству теплоты, подводимому в процессе 4–5 и измеряемому площадью 04590. Равенство площадей возможно только тогда, когда кривые 4–5 и 2–3 эквидистантны. Так как средняя температура подвода теплоты от внешнего источника к рабочему телу получается выше, чем у обычного цикла Ренкина, то регенеративный цикл имеет более высокий КПД, но он будет все же меньшим, чем у цикла Карно, если взять последний в том же интервале температур.

Из рассмотренного на рис. 94 цикла следует, что использованная теплота на участке 2–3 для подогрева воды в процессе 4–5 уменьшает удельную полезную работу пара в регенеративном цикле по сравнению с обычным циклом, т. е. регенеративный цикл характеризуется бо;´льшим удельным расходом пара. Ввиду равенства площадей под кривыми процессов 2–3 и 4–5 цикл, изображенный на рис. 95, можно заменить эквивалентным по термическому КПД циклом (рис. 96). Термический КПД такого цикла

где t₂ – абсолютная температура пара в конденсаторе, ; S₁ – энтропия перегретого пара; – энтропия кипящей жидкости при начальном давлении; –удельная энтальпия перегретого пара; –удельная энтальпия кипящей жидкости при начальном давлении .

По указанной формуле может быть рассчитан термический КПД предельно регенеративного цикла ПТУ.

На практике регенеративный подогрев питательной воды осуществляется в нескольких последовательно включенных подогревателях, в каждый из которых поступает небольшое количество пара, отбираемого из соответствующей ступени турбины. При таком способе отбора пара через отдельные ступени турбины протекает постепенно уменьшающееся количество пара, причем бóльшая его часть, которая не принимала участия в подогреве воды, будет, как в цикле Ренкина, расширяться до давления в конденсаторе. Прямое изображение цикла ПТУ с регенерацией в термодинамических диаграммах невозможно, так как при каждом отборе количество пара меняется от ступени к ступени. В зависимости от способа включения греющего пара и конденсата в общую сеть питательной воды возможны различные схемы регенерации, отличающиеся друг от друга как по эксплуатационным, так и по экономическим характеристикам. На рис. 97 изображена каскадная схема ПТУ с тремя отборами пара для подогрева питательной воды.

Рис. 97. Каскадная схема ПТУ с тремя отборами пара для подогрева питательной воды: 1 – паровой котел; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – конденсатор;

5 – насос питательной воды; 6 – поверхностный подогреватель; 7 – дренажный насос;

8 – конденсат греющего пара; 9 – питательная вода;

10 – греющий пар из отбора турбины

Поступающий из котла 1 пар в турбину 3 имеет давление p₁, температуру t₁ и удельную энтальпию i₁; в конденсаторе 4 – p₂, t₂ и i₂. Через турбину проходит не весь пар. Из каждого килограмма пара, поступившего в паровую турбину, отбирается:

- q₁ в первый подогреватель 6 с удельной энтальпией давлением и температурой

- q₂ во второй подогреватель с параметрами и

- q₃ в третий подогреватель с параметрами и

Отводится в конденсатор q пара. Тогда .

Образующийся конденсат после турбины при давлении и температуре подается конденсатным насосом 5 последовательно через три подогревателя 6 и, нагреваясь до температуры более высокой, чем температура воды в конденсаторе, нагнетается питательным насосом 5 в котел. Температура питательной воды , удельная энтальпией . Удельная полезная работа пара в идеальной турбине с регенерацией меньше, чем , удельная работа пара в цикле определяется как сумма работ от потоков пара, проходящих через турбину:

Термический КПД регенеративного цикла:

,

где q₁ – удельное количество теплоты, определяемое как разность (i₁ – i_п.в); i_п.в –удельная энтальпия питательной воды при температуре t', равной температуре насыщения пара при давлении пара в первом отборе p'.

До первого отбора через турбину проходит 1 кг пара, поэтому .

Между первым и вторым отборами расширяется (1 – q₁) кг пара, удельная работа которого . Между вторым и третьим отборами расширяется (1 – q₁ – q₂) кг пара. В этом случае . Между третьим отбором и конденсатором удельная работа пара .

Работа турбины определяется как сумма работ всех ступеней:

.

Термический КПД регенеративного цикла:

Удельный расход пара, кг на 1 МДж:

.

Удельную энтальпию пара в местах отбора удобно определять по i, S-диаграмме.

Введение регенерации для подогрева питательной воды увеличивает термический КПД цикла ПТУ на , при этом чем больше начальные параметры пара, тем выше экономия. Применение регенерации уменьшает проходные сечения между лопатками в последней ступени, а следовательно, уменьшает ее габариты. Регенеративный подогрев питательной воды уменьшает необратимость процесса передачи теплоты в котле от горячих газов к рабочему телу, так как средняя температура рабочего тела повышается вследствие увеличения начальной температуры, а это, в свою очередь, уменьшает разность температур между горячими газами и рабочим телом.