1.2. Тепловой цикл паротурбинной установки. Учет потерь

Паротурбинные установки, в которых пар из последней ступени турбины направляется при давлении ниже атмосферного в кон­денсатор, называют конденсационными.

Идеальный цикл конденсационной паротурбинной установки, работающей на перегретом паре (без промежуточного перегре­ва), в p,v- и T,s-диаграммах показан на рис. 1.2, а, б.

Рис. 1.2. p,vиT,s– диаграммы (а,б) идеального цикла конденсационной ПТУ, работающей на перегретом паре без промежуточного перегрева

Все процессы идеального цикла считают обратимыми и совершаю­щимися неизменным количеством (1 кг) рабочего тела. В цикле ПТУ — это вода и водяной пар. Идеальный цикл без учета потерь энергии в турбине и насосах протекает следующим образом. В конденсатном и питательном насосах давление питательной воды повышается от р_к до р₀ — изоэнтропный процесс 1—2. При этом температура питательной воды повы­шается незначительно и получается некипящая жидкость, со­стояние которой соответствует точке 2. Поскольку жидкость практически несжимаема, изоэнтропный процесс одновременно является изохорным.

Далее питательная вода при постоянном давлении р₀ подо­гревается до кипения — процесс 2—3 и испаряется — процесс 3—4, а сухой пар перегревается — изобарный процесс 4—5. Пе­регретый пар при давлении р₀ и температуре t₀ поступает в тур­бину, где расширяется до давления р_к по изоэнтропе — процесс 5—6. Отработавший пар конденсируется в конденсаторе при давлении р_к — изобарный процесс 6—1. Замыкается цикл в точке 1. Описанный цикл называют циклом Ренкина без промежу­точного перегрева.

Необходимо отметить, что для не очень высоких параметров пара нижняя пограничная кривая 1—3 на р, v -диаграмме мало отличается от вертикали 1—2. Поэтому часто линию 1—2 при­ближенно изображают совпадающей с линией 1—3 так, что в р, v-диаграмме точки 2 и 3 совпадают, а в Т, s-диаграмме точ­ка 2 совмещается с точкой 1.

Абсолютный КПД идеальной конденсационной паротурбинной установки (без потерь в турбине) η_t , работающей по циклу Ренкина без промежуточного перегрева, равен отношению рабо­ты цикла L_ц к подведенной к рабочему телу теплоте Q. Теплота, подведенная к рабочему телу в котле 1, равна

(1.2)

где h₀=h₅ — энтальпия пара, вышедшего из котла; h_пв=h₁ —энтальпия питательной воды при входе в котел; h'_K — энтальпия конденсата.

Теплота Q, переданная питательной воде и пару, изобра­жается на T,s-диаграмме (рис. 1.2,б) площадью 8- 1- 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8.

Теоретический и действительный процесс расширения пара в турбине в h, s-диаграмме показаны на рис. 1.3, а.

Рис. 1.3. h,sиT,s– диаграммы (а,б) процесса расширения пара с учетом и без учета потерь энергии в турбине

Работа цикла равна разности работ идеальной турбины и насоса:

(1.3)

где L_T=H_o=h_o—h_Kt — работа, которую может совершить 1 кг пара в идеальной турбине, называемая располагаемой работой (или располагаемым теплоперепадом) турбины; h_Kt — энтальпия пара в конце процесса расширения в идеальной турбине; L_Н= h_пв - h_k^´ — работа, затрачиваемая насосами при перекачке конденсата и питательной воды и повышении давления в насо­сах от р_к до р₀.

Используя формулы (1.2) и (1.3), получим абсолютный КПД идеальной установки:

. (1.4)

Если пренебречь работой насосов, т. е. принять, как это обычно делают, L _н = h_пв—h_к' = 0, то получим

. (1.5)

Абсолютный КПД идеального цикла паротурбинной установ­ки η_t называют также термическим КПД цикла.

В реальной турбине в результате потерь процесс расширения отклоняется от изоэнтропного, как это показано в h,s-диаграм­ме, где линия ab — изоэнтропный процесс расширения пара в идеальной турбине, а линия ас — действительный процесс в реальной турбине. Таким образом, фактическая энтальпия h_K отработавшего в реальной турбине пара выше энтальпии h_Kt отработавшего в идеальной турбине пара, а действительно разви­ваемая турбиной работа меньше теоретической на значение потерь в турбине:

. (1.6)

Теплоперепад в турбине, соответствующий фактической ра­боте, называют использованным теплоперепадом

_, (1.7)

где — потери энергии в турбине.

Действительный процесс расширения пара в турбине изобра­жается на T,s-диаграмме линией 5—6' (рис.1.3,б), а теплота, пе­реданная рабочему телу в котле,— площадью 8—1—2—3—4—5—6—7—8. Теплота, отданная охлаждающей воде и изображае­мая площадью 8—1—6—6'—7'—7—8, по сравнению с теплотой идеального цикла увеличивается. При этом работа, развиваемая паром в турбине, уменьшается и изображается разностью пло­щадей фигур 1—2—3—4—5—6—1 и 7—6—6'—7'—7. Площадь 7—6—6'—7'—7 —это отводимая охлаждающей водой теплота, обусловленная потерями при расширении пара в турбине.

Отношение использованного H_i теплоперепада к располагае­мому Н_о называют относительным внутренним КПД турбины:

, (1.8)

где Ni и N₀ — внутренняя (использованная) и располагаемая мощности турбины.

Отношение теплоты, превращенной в турбине в работу, к теп­лоте, переданной рабочему телу в котле, называют абсолютным внутренним КПД турбины:

. (1.9)

Мощность, развиваемая паром внутри турбины, не вся ис­пользуется потребителем: часть ее расходуется на преодоление механических потерь в турбине. Эффективная мощность N_е, раз­виваемая на муфте, соединяющей вал турбины с валом генера­тора, меньше внутренней мощности и составляет

(1.10)

где N_i— внутренняя мощность турбины; ΔN_м - механические по­тери в турбине.

Отношение эффективной мощности турбины к внутренней на­зывают механическим КПД

. (1.11)

Отношение эффективной мощности к мощности идеальной турбины называют относительным эффективным КПД

, (1.12)

а отношение эффективной мощности к теплоте, переданной ра­бочему телу в

парогенераторе в единицу времени,— абсолютным эффективным КПД

(1.13)

,

так как

, (1.14)

где D — расход пара, кг/с.

Электрическая мощность N_э, передаваемая с зажимов генера­тора, меньше эффективной мощности N_е на значение потерь в генераторе ΔN_э.г и составляет

. (1.15)

Отношение электрической мощности на зажимах генератора к эффективной называют КПД электрического генератора

. (1.16)

Отношение электрической мощности на зажимах генератора к мощности идеальной турбины называют относительным элект­рическим КПД

. (1.17)

Отношение электрической мощности к теплоте, переданной рабочему телу в котле в единицу времени, называют абсолют­ным электрическим КПД

. (1.18)

Приведенные уравнения КПД характерны для простейшей схемы ПТУ, показанной на рис.1.4.

Рис. 1.4 Простейшая схема ПТУ

1-котел, 2-турбина, 3-электрический генератор, 4-конденсатор, 5-питательный насос

Такая ПТУ не имеет промежуточного перегревателя и регенеративных подогревателей питательной воды. Теплота Q подводится к рабочему телу в котле 1. Затем в турбине 2 происходит преобразование энергии пара в энергию вращения вала. В электрическом генераторе 3 энергия вращения вала преобразуется в электрическую энергию. Отработавший в турбине пар конденсируется в конденсаторе 4, а затем питательными насосами 5 направляется в котел 1.

Абсолютный электрический КПД паротурбинной установки η_э показывает, что доля теплоты, преобразованной в электрическую энергию, определяется произведением абсолютного КПД теоретического теплового цикла (термического КПД η_t) и относительного электрического КПД η_о.э. турбоагрегата (системы турбина — электрический генератор). Следо­вательно, существуют два пути повышения доли теплоты, преобразуемой в электрическую энергию.

Первый связан с увеличением термического КПД цикла η_t и в основном достигается расширением пределов теплового процесса — увеличением разности температур подвода теплоты в котел и отвода ее в конденсаторе, второй заключается в повышении относительного электрического КПД турбоустановки и состоит в том, чтобы сократить до минимума потери в турбине и электрическом генераторе.

Н

(1.19)

еобходимо отметить, что абсолютный электрический КПДη_э не является окончательной характеристикой эффективности эле­ктростанции, так как не учитывает потерь теплоты в котле, расхода энергии на привод насосов (основная составляющая так называемых собственных нужд станции), а также потерь давле­ния в трубопроводах и др. Иногда подсчитывают абсолютный КПД паротурбинной установки нетто, вычитая из ее мощности мощность, необходимую для привода питательного и других на­сосов:

Задачей обслуживающего персонала является обеспечение максимального КПД установки в течение длительного времени поддержанием номинальных параметров теплового процесса, тщательным уходом, своевременным и высококачественным ремонтом.