Тема 2.
ПАРОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ (ПТУ)
Вопрос 1.
Схема и принцип действия паротурбинной установки
Принцип работы ПТУ на перегретом паре.
Перегретый пар после парогенератора поступает в турбину, в которой он расширяется, и давление его уменьшается. Потенциальная энергия давления пара в турбине преобразуется в техническую работу на валу турбины. Эта робота далее может быть преобразована в электроэнергию с помощью электрогенератора или использована для привода различных машин (например: компрессоров, вентиляторов, насосов т.п.). Расширенный пар после турбины поступает в конденсатор, в котором от него отводится теплота с помощью охлаждающей воды, подаваемой в конденсатор из окружающей среды конденсатным насосом. В конденсаторе пар конденсируется, превращаясь в жидкость в состоянии насыщения (кипящая жидкость). Эта жидкость питательным насосом подается в парогенератор, состоящий обычно из трех секций: экономайзера (подогревателя воды), испарителя (парового котла), пароперегревателя. В экономайзере вода подогревается до состояния насыщения, в испарителе жидкость испаряется, превращаясь в сухой насыщенный пар, и в пароперегревателе этот пар перегревается до состояния перегретого пара. Затем перегретый пар поступает в турбину и цикл повторяется
Таким образом, подвод теплоты к рабочему телу происходит в 3-х элементах парогенератора (котельного агрегата) и соответственно в 3-х процессах: 3s–4; 4–5; 5–1. Теплота в котлоагрегате производится в результате сжигания топлива и передается рабочему телу через стенки экономайзера, испарителя и пароперегревателя путем теплопередачи. Топливом обычно являются природный газ, уголь или мазут. Максимальная температура на выходе из пароперегревателя обычно составляет 550-600 оС.
Таким образом, с точки зрения термодинамики ПТУ - это тепловой двигатель внешнего сгорания, рабочим телом которого являются обычно вода и водяной пар.
Достоинства ПТУ:
- большой ресурс работы;
- надежность;
- сравнительная простота эксплуатации;
- возможность использования различных топлив.
Недостатки:
- низкая эффективность;
- усложнение конструкции при повышении эффективности;
- необходимость водоподготовки;
- высокая стоимость.
Вопрос 2. Термодинамическая модель элементов пту.
ПТУ состоит из элементов, в которых протекают поточные процессы.
Система уравнений поточного процесса
1) Уравнение неразрывности, кг/с
(1)
2) Уравнение первого закона термодинамики, Дж/кг
(2)
3) Уравнение сохранения механической энергии, Дж/кг
(3)
4) Уравнение второго закон термодинамики, Дж/кг
(4)
5) Уравнение состояния (может применяться для перегретого пара)
.
(5)
Применим уравнения (2),
(3) и (4) к элементам ПТУ: турбине, насосу,
котельному агрегату, конденсатору. Для
всех этих элементов скорости рабочего
тела на входе в элемент и на выходе из
него мало отличаются (с2
с1).
Поэтому можно принять
.
Также разность потенциальных энергий
положения на выходе и входе элементов
и поэтому можно принять
1) Турбина
Для турбины характерен адиабатный
процесс:
.
Кроме того,
;
.
Тогда
(2т)
или
(3т);
(4т)
Т.е. видно, что хотя процесс адиабатный, но энтропия увеличивается за счет потерь энергии на трение, которые переходят в теплоту (за счет диссипации энергии).
2) Насос
Для насоса:
;
;
;
;
;
р1=р2; р2=р1.
Тогда
(2н).
(3н).
(4н)
3) Котельный агрегат (парогенератор)
Для парогенератора
;
;
;
;
.
Тогда
(2КА)
или (с учетом уравнения (2н), то есть работы насоса) получим
(2'КА)
или
(3КА)
(4КА),
где
- средняя температура подвода теплоты.
4) Конденсатор
Для конденсатора
;
;
;
;
.
Тогда
или
(2К)
или
(3К)
(4К).