4. Регенеративный подогрев питательной воды.

4.1 Термодинамические основы регенерации тепла. Энергетический коэффициент.

Подогрев питательной воды за счет теплоты частично отработавшего в турбине пара называется регенеративным подогревом питательной воды. Технически такой процесс осуществляется следующим образом. В процессе расширения пара часть его отбирается из турбины и направляется в специальные теплообменные аппараты (регенеративные подогреватели) для нагрева конденсата (питательной воды), рисунок 12. С термодинамической точки зрения выигрыш от регенеративного подогрева состоит в следующем. При чисто конденсационном цикле весь пар, подводимый к турбине, доходит до конденсатора, в котором происходит его полная конденсация, и теплота конденсации уносится в окружающую среду с охлаждающей водой. В цикле с регенерацией теплота отбираемого пара возвращается (регенерируется) обратно в цикл. Очевидно, что регенеративный подогрев питательной воды является одним из способов использования частично отработанной теплоты в схеме самой станции. Это позволяет заметно повысить тепловую экономичность цикла и является одним из важнейших мероприятий в усовершенствовании рабочего процесса энергетических установок, работающих по циклу Ренкина.

Строго говоря, корректно изобразить рабочий цикл с регенеративным подогревом в T-s или h-s диаграмме затруднительно, т.к. такие диаграммы строятся для постоянного количества рабочего тела, а в регенеративном цикле количество рабочего тела в процессе расширения меняется из-за отборов пара на регенерацию. Поэтому такой цикл изображают либо условно, либо вводят третью переменную – расход рабочего тела. На рисунке 13 представлено условное изображение цикла с регенерацией в T-s диаграмме. Чем ближе линия 1-2 к плавной линии, эквидистантной линии 3-4-5, тем ближе к.п.д. такого цикла к к.п.д. цикла Карно. На практике реализовать цикл с эквидистантными кривыми нельзя.

А теперь посмотрим, какие факторы влияют на к.п.д. регенеративного цикла.

Введем в рассмотрение некоторые понятия. Степень регенерации:

(4.1)

Другими словами - это отношение фактического подогрева питательной воды к максимально возможному. Следует несколько подробнее остановиться на максимально возможном подогреве питательной воды. Т.к. греющей средой в регенеративных подогревателях является пар из отборов турбины, то максимальная температура питательной воды зависит от максимальной температуры греющего пара. Максимальную температуру имеет пар перед входом в турбину, т.е. острый пар. Поэтому в предельном случае питательную воду можно нагреть до температуры, равной температуре насыщения при давлении острого пара.

5

б)

Рис. 12. Принципиальная тепловая схема без регенерации (а) и с регенерацией тепла (б).

ИТ – источник тепла, ТУ- турбоустановка, К – конденсатор, ЦН- циркуляционный насос, РП – регенеративный подогреватель. Цифры на схеме соответствуют обозначениям на Т-s-диаграмме (см. рис. 13).

Рис. 13. Цикл Ренкина с регенерацией (изображен условно).

Обозначим через долю пара, поступающего в конденсатор, а через доли пара, поступающего из отборов турбины на регенеративные подогреватели.

Тогда можно записать:

- работа, совершаемая в турбине долей пара, прошедшей через турбину в конденсатор.

- работа, совершаемая в турбине долями пара, ушедшими в отборы на регенеративный подогрев.

- отвод тепла из цикла в конденсаторе.

- тепло, подводимое в источнике для выработки доли пара .

- тепло, подводимое в источнике для выработки долей пара .

Исходя из общего определения, запишем выражение для к.п.д. цикла:

. (4.2)

Подставив выражения для q₁ и q₂, получим в общем виде выражение для к.п.д. цикла с регенерацией:

, (4.3)

где - термический к.п.д. цикла без регенерации, а - энергетический коэффициент цикла, то есть отношение работы, совершаемой паром отборов, к работе конденсационного потока пара.

Сравним к.п.д. цикла с регенерацией и к.п.д. цикла без регенерации:

. (4.4)

Для цикла с регенерацией энергетический коэффициент А_Р 0, поэтому , причем чем выше А_Р, тем больше . В свою очередь, энергетический коэффициент А_Р зависит от ряда факторов: количества подогревателей, теплоперепадов , температуры питательной воды и их соотношений. Поэтому надо искать оптимум величины А_Р в зависимости от всех этих параметров. Это одна из задач расчета схемы регенеративного подогрева.

Характер зависимости экономии теплоты от степени регенерации и числа регенеративных подогревателей представлен на рисунке 14.

Кривые построены для случая равномерного распределения подогрева по ступеням регенерации. Из рисунка 14 видно, что при увеличении числа подогревателей к.п.д. цикла с регенерацией растет, а оптимальная степень регенерации увеличивается. Максимальная энергетическая эффективность регенеративного подогрева достигается при бесконечном числе регенеративных подогревателей и степени регенерации, равной единице. Однако анализ показывает, что относительный прирост к.п.д. с каждым последующим дополнительным подогревателем быстро уменьшается. С термодинамической точки зрения такая зависимость объясняется необратимостью процессов теплообмена в подогревателях при их конечном числе. При числе подогревателей, стремящемся к бесконечности, температурные перепады в подогревателях стремятся к нулю, и процесс теплообмена приближается к равновесному (обратимому), что и обусловливает максимальный к.п.д. цикла, который стремится к к.п.д. цикла Карно.

Оптимизация распределения подогрева питательной воды по ступеням обязательна при разработке и расчете регенеративных схем подогрева.