Л.6. Пути повышения эффективности циклов паротурбинных установок конденсационного типа.

Основными величинами, определяющими эффективность любого реального цикла, являются средняя температура подвода тепла Т_1ср, средняя температура отвода тепла в цикле Т_2ср и удельная работа сжатия .

Достижение наименьшего значения отношения Т_2ср/Т_1ср обеспечивает наибольшее значение термического КПД цикла:

Если при этом будет и наименьшая величина удельной работы l_уд, то при минимальных потерях от необратимости процессов обеспечивается достижение максимума _I внутреннего КПД цикла. Max _I соответствует max эффективного КПД установки _I. Следовательно, любые возможные термодинамические усовершенствования циклов конденсационных паротурбинных установок должны проводится в направлениях:

1. повышения средней температуры подвода тепла в цикле Т_1ср;

2. понижения средней температуры отвода тепла Т_2ср;

3. уменьшения потерь от необратимости процессов, как внутренний, так и внешней.

Рассмотрим цикл (рис.1.9.) простейшей конденсационной установки, а также процессы: изобару отвода тепла от горячего источника АВ и изотерму подвода тепла в окружающей среде Т₀=const. Очевидно, чем выше температура горячего источника, тем выше можно поднять Т_1ср и тем выше будет _t.

Применяя регенеративный подогрев воздуха уходящими газами котлоагрегата, можно значительно повысить темпе- ратуру горения в топке и практически снять ограничения. Температура подвода тепла на любом участке изобары пара 4561 может повышаться без роста потерь с уходящими газами. Единственным фактором, огра- ничивающим повышение температуры пара в установке является максимально допустимая температура стенок пароперегревателя и лопаток турбины по условиям прочности металла (Т_1max).

Следовательно, если регенеративным подогревом воздуха и топлива обеспечивается повышение температуры газов на всех участках отвода тепла к водяному пару до более высокой, чем Т_1max, то всегда является термодинамически оправданным повышение температуры подвода тепла на всех участках цикла Ренкина до Т_1max.

Самым низкотемпературным участком подвода тепла в рассмотренном цикле является участок изобары водяного пара 45. Применяя паровой регенеративный подогрев питательной воды, можно этот участок частично или полностью от подвода тепла топлива освободить, нагревая здесь воду отбираемую паром из турбины.

Температуру подвода тепла на участке кипения воды 56 можно поднять повышением начального давления пара Р₁, а среднюю температуру перегрева пара (в процессе 61) – путем повышения начальной температуры t₁ при одновременном увеличении начального давления пара Р₁.

Кроме того, повышают Т_1ср и с помощью многоступенчатого подвода тепла в цикле. Приближая изобару отвода тепла 23 к изотерме Т₀=const, можно также увеличить полезную работу цикла и повысить его термический КПД.

Основными путями повышения термического и внутреннего КПД циклов конденсационных паротурбинных установок являются:

1. повышение начальных параметров пара Р₁, t₁;

2. понижение конечного давления цикла Р₂;

3. регенеративный подогрев питательной воды;

4. промежуточный перегрев пара (многократный подвод тепла топлива в цикле).

Имеется и ряд других возможностей повышения термодинамической эффективности циклов конденсационных установок. Например, замена водяного пара паром других рабочих тел (химических веществ), обладающих желательными качествами. Но водяной пар обладает наиболее ценными положительными качествами, заключающимися в возможности достижения весьма низкой (очень близкой к температуре окружающей среды) средней температуры отвода тепла в цикле. Кроме того, вода имеет повсеместное распространение в небольшую стоимость подготовки. Водяной пар как рабочее тело теплоэнергетических установок имеет и серьезные недостатки, основными из которых являются:

1. низкая критическая температура, что лишает возможности достичь изотермного подвода тепла при реально допускаемых высоких температурах (550 – 650⁰С);

2. очень пологая правая пограничная кривая, что приводит к высокой конечной влажности пара и большими потерями работы в турбине;

3. большие удельные объемы пара при низких давлениях в конденсаторе;

4. относительно большая теплоемкость питательной воды, увеличивает самый низкотемпературный участок подвода тепла в цикле Ренкина.

На рис.1.10. представлен цикл Ренкина, который достигается в случае, если бы удалось найти рабочее тело, не имеющее указанных недостатков воды. При этом можно получить цикл с термическим КПД близким к КПД цикла Карно (при тех же максимальной и минимальной температурах), и в отличии от цикла Карно иметь очень малую работу сжатия. Такое вещество не найдено. Какой-то интерес представляет ртуть, температура насыщения которой достаточно высока при относительно низких давлениях (при Р=1Мпа, t_S=515⁰С, при Р=1,5Мпа t_S=550). Критическая температура ртути 1400⁰С, а ее теплоемкость в 30 раз меньше теплоемкости воды. Но ртутный пар не позволяет достичь низких температур отвода тепла. Даже при глубоком вакууме в ртутном конденсаторе температура пара получается весьма высокой (при Р₂=0,002Мпа, t₂=195⁰С).

М ногие низкотемпературные вещества, например углекислый газ и различные фреоны, имеют низкие температуры конденсации при относительно высоких давлениях и малых объемах, но их критические температуры оказываются также весьма низкими (для Ф-12 t_кр=11,5).

Н есмотря на указанные недостатки, имеются попытки применения этих веществ в теплоэнергетике. При соответствующем построении цикла низкотемпературных веществ можно достичь достаточно высокого значения его термического КПД и малой удельной работы сжатия. Идея построения такого цикла на углекислом газе СО₂ была предложена в 1941г. Гохштейном Д.П. Суть идеи: подбирается такое вещество, чтобы отвод тепла в цикле осуществлялся изотермически, путем конденсации насыщенного пара с давлением, близким к критическому. Температура отвода тепла должна при этом приближаться к температуре окружающей среды (рис.1.11.). С целью уменьшения работы насоса (а также l_уд) процесс сжатия 45 осуществляется в области жидкого состояния вещества. На участке 56 производится регенеративный подогрев жидкости за счет охлаждения отработавшего пара (по изобаре 23). Несмотря на заманчивость идеи, практическая реализация этого цикла оказалась затруднительной. Резкое различие теплоемкостей по изобарам 56 и 23 приводит к тому, что температура Т₆ регенеративного подогрева жидкости в точке 6 значительно ниже Т₂. поэтому средняя температура подвода тепла Т_1ср и КПД цикла являются недостаточно высокими.

Дальнейшее усовершенствование этого цикла (двухступенчатый подвод тепла, сложная регенерация) повышает эффективный КПД до его уровня в современных паротурбинных установках.

Интересным способом увеличения степени регенерации является применение промежуточного сжатия отработанного углекислого газа в дополнительном компрессоре 3 (рис.1.12) после частичного охлаждения газа в регенераторе 2. Полученное таким путем повышение энтальпии углекислого газа дает возможность увеличить регенеративный подогрев жидкого СО₂ во втором регенераторе 4. Повысится и его температура в углекислотный котел 1. Рядом изображен цикл этой схемы, предложенный В.Л. Дехтяревым. Здесь процесс сжатия 67 – сжатие в дополнительном компрессоре, процесс 1а – подогрев углекислого газа во втором, а процесс ав – в первом регенераторах.

Большая удельная работа расширения и относительно малые удельные объемы отработанного углекислого газа позволяют создавать паровые турбины очень большой мощности (до нескольких сот тысяч кВт на одном рабочем колесе).