Раздел 4. Циклы паровых теплоэнергетических установок. Л.4 Типы паровых теплоэнергетических установок и их особенности.

Использование пара для выработки механической, а затем и электрической энергии берет свое начало в очень давние времена. Первые известные попытки создать паровой двигатель относятся к концу 17 в (машины Папина и Севери) и к началу 18 в (пароатмосферная машина Ньюкомена). Это были малоэкономичные машины узкого применения (откачка воды из шахт). Первый двигатель универсального типа, который мог бы приводить в движение любые присоединяемые к нему механизмы в начале 60^х годов 18 в был создан Ползуновым. Прообраз современной паровой машины с конденсатором был создан в 1780 г английским изобретателем Дик. Уаттом. Затем паровые машины были усовершенствованы и до сих пор продолжают работать.

Принципиальная тепловая схема простейшей паросиловой установки с паровой машиной представлена на рис.1.1. ¤В паровом котлоагрегате 1 за счет теплоты сгорания топлива вырабатывается водяной пар, который затем направляется в цилиндр паровой машины 2, где расширяется и производит полезную работу. Отработавший в машине пар направляется в конденсатор 3, где отдает тепло охлаждающей воде и конденсируется. Конденсат пара питательным насосом 4 подается в барабан парового котла 1. Т.о., водяной пар совершает ряд последовательных процессов, представляющих собой общий замкнутый процесс, или цикл рассмотренной установки. Здесь: ab – процесс в питательном насосе; bc – процесс в котлоагрегате; cd – процесс в паровой машине; de – выхлоп отработанного пара; ea – процесс в конденсаторе.

В конце 19 в была изобретена паровая машина, оказавшаяся более быстроходным двигателем, обладающим большей мощностью, и ставшая главным двигателем крупных электростанций. Единичная мощность паровых турбин достигла 1 млн. кВт и выше.

Принципиальная схема простейшей паротурбинной установки конденсационного типа и ее цикл показаны на рис.1.2., где 2 – паровая турбина, остальные обозначения те же, что и на 1.1. Как видно из рис.1.1. и 1.2., процессы изменения состояния пара и их последовательность в паротурбинной и паромашинной установках принципиально одинаковы.

ab – адиабатное сжатие воды в питательном насосе;

bc – нагрев воды, испарение и перегрев пара в котлоагрегате;

cd – расширение (адиабатное) пара в паровой машине или турбине;

da – конденсация пара в конденсаторе.

В TS-координатах эти процессы показаны на рис.1.3. а и б.Сравнивая рис а) и б), видно что полезная работа паромашинной установки меньше, чем у паротурбинной при прочих равных условиях на величину треуголь- ника edf, представля- ющую собой допол-нительные выхлопные потери от неполноты расширения пара в паровой машине.

Все паровые энергетические установки в зависимости от использования отработанного пара называют конденсационными или теплофикационными. Если в установке тепло отработанного пара отдается только циркуляционной воде (т.е. отводится в окружающую среду рис.1.1., 1.2.) и в ней вырабатывается только механическая или электрическая энергия – конденсационная (КЭС). Если хотя бы какая-то часть тепла будет отдаваться тепловым потребителям, то такая установка теплофикационная (теплоэлектроцентрали). Теплофикационные установки, в которых отсутствует конденсатор, а весь отработанный пар направляется тепловым потребителям, называют противодавленческими. Такое название в связи с тем, что давление отработанного пара, как правило выше атмосферного, в то время как в КЭС – 0,0030,005 МПа; в ТЭЦ 0,05несколько МПа. Поэтому выработка энергии одним кг пара в теплофикационной турбине всегда значительно меньше, чем в конденсационной. На рис.1.4. показаны схема и цикл простейшей теплофикационной противодавленческой установки (контур 1234).

Здесь ТП – тепловой потребитель; ПТ – пртиводавленческая турбина; ПК – паровой котел; ПН – питательный насос.

Цикл противодавленческой установки и отличается от него более высоким

расположением изобары отработанного пара. На рис.1.4. приведено сравнение циклов конденсационной 1^’2^’34^’ и противодавленческой 1234 паротурбинных установок, имеющих одинаковые начальные параметры пара (перед турбиной. Как видно из рис.1.4. полезная работа в результате повышения противодавления уменьшается. Вместе с тем в противодавленческой установке почти совершенно отсутствует потеря теплоты конденсации отработавшего пара, имеющаяся в конденсационной установке и составляющая до 2/3 тепла, подведенного к воде и водяному пару в котельном агрегате. Термические КПД рассмотренных двух установок, имеющих одинаковые начальные параметры, но различные давления отработанного пара, будут различными.

Для любых циклов , (1.1)

где Т_2ср – средняя абсолютная (среднетермодинамическая) t⁰ –ра отвода тепла в цикле ,⁰К; (средняя t⁰ –ра конденсации);

Т_1ср – среднетермодинамическая t⁰ –ра подвода тепла в цикле, ⁰К.

Из зависимости (1.1 и циклов, показанных на рисунках видно, что _tТЭЦ всегда меньше _tКЭС, имеющих те же начальные параметры пара. В то же время несмотря на уменьшение _t использование тепла отработанного пара для целей теплоснабжения приводит к экономии топлива в энергосистеме, за счет того, что тепловому потребителю не приходится расходовать топливо на выработку необходимого ему тепла. Из этого следует, что термический КПД не всегда может служить показателем эффективности циклов теплофикационных установок.

Наиболее универсальным показателем совершенства циклов любых типов паротурбинных установок, определяющим их термодинамическую эффективность, является эксэргетический КПД цикла, равный отношению полученной работы цикла к израсходованной работоспособности (эксэргии) подведенного тепла топлива:

,

где – разность между работоспособностью продуктов сгорания топлива и работоспособностью тепла, отданного тепловым потребителям :

= – (1.2)

При этом

.

Для циклов конденсационных установок (при Т=0)

(1.3)

Для полностью обратимых циклов конденсационных установок, потери работоспособности в которых равны нулю,

и эксэргетический КПД цикла станет равным единице. Для полностью обратимых циклов теплофикационных установок всегда

Т.о., теплофикация не приводит к коренному улучшению цикла самой тепловой электростанции. Главный термодинамический эффект от теплофикации заключается в том, что при ней ликвидируются термодинамически несовершенные процессы использования топлива в заменяемых отопительных и производственных котельных. Вместе с тем на тепловой электростанции общий расход топлива возрастает. При этом не дает возможности определить достигаемый эффект от теплофикации, в том числе и экономию топлива. Для этой цели лучшей является «удельная выработка энергии на тепловом потреблении» , характеризующая эффективность цикла при заданном противодавлении. В некоторых случаях анализа можно пользоваться и термическим КПД цикла, однако возможности его использования в теплофикационных циклах весьма ограничены.