Л.7.Влияние начальных и конечных параметров пара на термодинамическую эффективность цикла Ренкина.

Влияние начального пара. Рассмотрим, как будет изменяться _t идеального цикла и _I реального цикла при заданных начальной температуры пара и давлении в конденсаторе и изме- нении начального давления (рис.1.13).

Как видно из диаграммы, повышение начального давления Р₁ приводит к росту средней температуры подвода тепла в цикле, но увеличивает работу насоса (i₄–i₃) и конечную влажность пара. При относительно низких начальных давлениях Р₁^’ или высоком противо- давлении, когда отработанный пар находится в перегретом состоянии (точка 2^’) повышение давления уменьшает потери от перегрева. При t₁=const с повышением Р₁ энтальпия i₁ и подводимое к 1 кг пара в цикле тепло q₁ уменьшается. Работа цикла и изоэнтропический перепад в турбине увеличиваются, проходят через максимум и затем несколько уменьшаются. Поэтому _t цикла Ренкина с повышением Р₁ сначала растет быстро, затем медленнее и при очень высоких давлениях начинает уменьшаться, при этом, т.к. процесс расширения сдвигается влево по диаграмме, потери от влажности пара в последних ступенях турбины систематически растут. Работа насоса и потери в нем тоже возрастают. Все это приводит к наличию явно выраженного максимума внутреннего КПД цикла _I и соответствующего ему термодинамически наивыгоднейшего начального давления Р_1опт (рис.1.14). Чем выше начальная температура пара и чем больше противо- давление Р₂, тем более высоким оказывается Р_1опт. Для каждого из значений t₁ и Р₂ имеется свое Р_1опт. Это объясняется тем, что чем выше t₁ и Р₂, тем меньше относительная величина потерь от влажности или тем больше перегрев отработанного пара. Потери от влажности вызывают уменьшения Р_1опт, а потери от перегрева повышают его. Чем ниже _оiн насоса и _оiт турбины, тем более низким оказывается оптимальное начальное давление пара Р_1опт.

Влияние начальной температуры пара. (в условиях Р₁=const, Р₂=const). В этом случае (рис.1.15) повышение температуры перегретого пара приводит к смещению на диаграмме процесса расширения вправо. Это вызывает уменьшение влажности на последних ступенях турбины. Растет терми- ческий КПД и еще более быстро за счет умень- шения потерь от влаж- ности _оi цикла, но как только точка конечного состояния пара пересечет правую пограничную кривую, отработанный пар станет перегретым, появятся потери работы цикла от перегрева, которые с повышением t₁, будут все время увеличиваться. При этом рост _oi замедляется. Но, т.к. с повышением t₁ работа пара будет возрастать, _t и _oi цикла будут увеличиваться. Точка «а» на рис.1.16 соответствует степени сухости отработанного пара равной единице. Чем выше противодавление Р₂, тем меньше расхождение изобар Р₁иР₂ в области перегретого пара и тем меньше рост _t и _oi от повышения начальной температуры пара t₁. Т.к. в циклах теплофикационных установок (ТЭЦ) противодавление Р₂ всегда значительно выше, чем в конденсационных (КЭС), а отработанный пар, как правило, перегрет, то повышение Р₁ на ТЭЦ дает меньший эффект, чем на КЭС. По этой же причине повышать начальное давление Р₁ на ТЭЦ всегда более эффективно, чем на КЭС.

Отсутствие перехода кривой _I=f(t₁) (рис.1.16) через max вызывает термодинамическую целесообразность максимально возможного повышения начальной температуры цикла.

Наибольший термодинамический эффект дает одновременное повышение температуры и начального давления пара. Повышая до возможной величины начальную температуру пара t₁ и выбирая для нее экономически наивыгоднейшее значение начального давления Р₁ можно обеспечить достижение максимальной величины _oi цикла и эффективного КПД установки.

По этой причине каждое повышение температуры, всегда сопровождается ростом Р₁. например, при t₁=435⁰С применяется Р₁=3–3,5 МПа при t₁=500⁰С – Р₁=8–9МПа; при t₁=565⁰с – Р₁=11–13 МПа. При одновременном повышении Р₁иt₁ влияние противодавления Р₂ сглаживается. В этом случае приращение _I от повышения начальных параметров практически независимо от Р₂.

Влияние конечного давления Р₂. Изменение конечного давления (противодавления) при заданных начальных параметрах Р₁, t меняет температуру конденсации отработанного пара t₂ и, соответственно, среднюю температуру отвода тепла. Понижение Р₂ приводит к росту термического и внутреннего КПД цикла и эффективного КПД установки. Как видно из рис 1.17 понижение противодавления от Р₂ до Р₂^’ приводит к увеличению работы цикла на l_ц (пл. 22’3’4’43) при возрастании подводимого тепла на q₁. Дальше мы рассмотрим, что при регенеративном подогреве питательной воды понижение противодавления не вызывает увеличения количества подводимого тепла, поскольку подогрев воды не участке 4’4 происходит за счет тепла отборного пара низкого давления. Общая Работа пара и в случае с понижением Р₂ значительно увеличивается. Поэтому термодинамически всегда выгодно понижать Р₂ до минимально возможного значения.

Понижение противодавления в реальных установках ограничивается главным образом резким возрастанием объема отработанного пара (значит металлоемкостью установки) и большим расходом энергии на перекачку охлаждающей воды (уменьшение Р₂ с 0,1 МПа до 0,003 МПа приводит к возрастанию объема отработанного пара в 25 раз). В конденсационных установках обычно давление в конденсаторе Р₂=0,0030,004 МПа. На рис.1.18 показан характер изменения _t=f(Р₂) для цикла. При заданном количестве охлаждающей воды, поступающей в конденсатор, и ее температуре выхода t_х, температура конденсации пара:

t_к=t_х+t_общ+t_н , (1.11)

где t_общ – общая степень нагрева охлаждающей воды определяемая соотношением количества этой воды и конденсируемого пара;

t_н – минимальная разность температур между паром и водой в конденсаторе.

Если применить ступен- чатую конденсацию пара, то при том же количестве воды и величинах t_х t_н можно увеличить работу цикла и его _t. Для этой цели паровой объем конденсатора разделя- ется на две части с последовательным прохождением в них охлаждающей воды, рис.1.19.

О бщая степень нагрева охлаждаю- щей воды t_общ=t₁+t₂.

Температура воды на выходе из первой части кон-денсатора будет на t₂ ниже, чем из второй. Давление Р₂’ в первой части конденсатора (и температура кон- денсации в нем) будут меньше, чем во второй. Давление во второй части конденсатора Р₂^’’ будет как при одноступенчатой конденсации. На диаграмме линия 23 – конденсация во второй части; линия 2’3’ – процесс конденсации в первой части при Р₂^’. Площадка в 22’а показывает дополнительную работу, полученную в результате двухступенчатой конденсации.

Термический КПД такого цикла:

_t=g₁_t^’+ g₁_t^’’, (1.12)

где g₁ и g₂ – относительные доли пара, поступающие в первую и вторую части конденсатора;

_t^’ и _t^’’ – термические КПД для противодавлений Р₂^’ и Р₂^’’.

Когда допускается выхлоп отработанного пара в атмосферу, конденсат отработанного пара теряется, и питание котла производится относительно холодной водой, тогда цикл выглядит следующим образом (рис.1.20). Здесь линия ае соответствует процессу выхлопа в паровой машине; линия 23 – процессу конденсации пара; 34 – охлаждению конденсата в атмосфере; 45 – процессу в питательном насос. При этом работа насоса l_н=i₅–i₄.

Термический КПД такого цикла:

(1.13)

При низком начальном давлении, когда работой питательного насоса можно пренебречь _t цикла паротурбинной установки с выхлопом в атмосферу:

(1.14)