1.3. Влияние параметров пара на кпд цикла

Параметры пара существенно влияют на КПД цикла паротурбинной установки. Так, термический КПД цикла при изменении начальных давления (от 10 МПа до 23,5 МПа) и температуры (от 500 до 565°С), а также давления в конденсаторе (от 4 до 6 кПа) может изменяться от 0,43 до 0,48. Рассмотрим, как влияют начальные параметры (температура t₀ и давление p₀) пара, наличие промежуточного перегрева пара и его температуры t_пп, а также давление конденсаторе р_к на термический КПД [3].

Начальное давление пара. Повышение начального давления пара р₀ связано с увеличением температуры его насыщения, т. е. уровня, при котором происходит передача теплоты в котле. Как известно, наиболее совершенным термодинамическим циклом является цикл Карно, КПД которого

η_{к =} 1- Т_к/Т₀, где Т₀ и Т_к - температуры подвода и отвода теплоты. Для любого цикла, например цикла Ренкина, можно определить эквивалентную температуру подвода теплоты Т_э=(Т₀)_к, которая обеспечила бы соответствующий термический КПД η_t

. (1.20)

На рис. 1.1,б была показана эта эквивалентная температура Т_э.

Для сравнения на рис. 1.5(а), изображены в T,s-диаграмме два идеальных цикла ПТУ при начальных давлениях пара р₀ и р_01.

Рис.1.5. Сравнение T,s-диаграмм циклов ПТУ с разными начальными темпера­турами (а), давлениями (б), с промежуточным перегревом (в) и разными давлениями в конденсаторе (г).

В цикле 1—2—3'—4'—5'—1 с повышенным начальным давлением p₀₁>p₀ подвод теплоты происходит на более высоком температурном уровне, т. е. T_э1>T_э. Следовательно, этот цикл более экономичен, чем цикл 1—2—3—4—5—1.

Необходимо отметить, что увеличение начального давления пара при той же температуре приводит к росту влажности в кон­це процесса расширения, что при прочих равных условиях отри­цательно влияет на надежность турбины (увеличивается эрозия металла) и снижает ее относительный внутренний КПД.

Однако по мере увеличения начального давления пара экви­валентная температура T_э сначала возрастает, а затем начинает постепенно уменьшаться. Таким образом, существует оптималь­ное по эквивалентной температуре T_э начальное давление пара. Причем, чем выше эта температура, тем выше давление, при ко­тором получают максимальный термический КПД.

Начальная температура пара. Повышение начальной темпе­ратуры t_о пара существенно увеличивает экономичность ПТУ. Если сравнить два цикла, различающиеся только начальными температурами пара (рис. 1.5,б), то КПД первого цикла 1—2—3— 4'—5'—1 с более высокой температурой Т₀₁ будет выше КПД вто­рого цикла 1—2—3—4—5—1 с меньшей температурой Т_о. При прочих равных условиях начальная температура T_э1 подвода теплоты в первом цикле выше начальной температуры Т_э подво­да теплоты во втором цикле.

Трудности, которые возникают при повышении температуры, связаны с тем, что стали, применяемые в современном энергомашиностроении, теряют прочность при высоких температурах, так как резко падают пределы их текучести и прочности, а также снижается предел длительной прочности. Последнее обстоятельство приводит к необходимости ограничивать срок службы деталей или применять дорогие жаростойкие высоколегированные стали.

Кроме того, увеличение температуры t_о в реальных турбинах уменьшает влажность в конце процесса расширения пара. Это повышает надежность и срок службы турбины вследствие менее интенсивной эрозии металла, а также несколько увеличивает ее относительный внутренний КПД.

Промежуточный перегрев пара. В цикле с промежуточным перегревом пар после расширения в ЧВД турбины (см. рис. 1.1,а) от давления р₀ до давления р₁ направляется в промежуточный перегреватель, где к нему дополнительно подводится теплота и повышается его перегрев. Затем пар вновь возвращается в турбину и расширяется до давления р_к в конденсаторе.

Как видно из T,s-диаграммы, показанной на рис. 1.5,в, промежуточный перегрев может вызвать повышение экономичности цикла. В самом деле, начальная температура T_Э1 эквивалентного цикла Карно в схеме с промежуточным перегревом выше соответствующей температуры Т_э в цикле без промежуточного перегрева. Повышение КПД цикла произойдет только в том случае, если промежуточный перегрев осуществляется до такой температуры, при которой эквивалентная температура (T_Э)_ПП присоеди­ненного цикла 4—5—6—7—4 окажется выше, чем основного, изображенного на рис.1.5,в площадью 1—2—3—4—1.

При введении промежуточного перегрева влажность пара в конце процесса расширения уменьшается, что повышает относительный внутренний КПД турбины. При этом интенсивность эрозии уменьшается, что положительно сказывается на надежности работы турбины.

Для дальнейшего повышения термического КПД можно при­менять двукратный промежуточный перегрев, который из-за усложнения ПТУ мало распространен.

Давление в конденсаторе. При уменьшении давления р_к в конденсаторе понижается температура Т_к, при которой произво­дится отвод теплоты от пара охлаждающей водой. В результа­те увеличивается средняя разность температур в цикле, а следовательно, и его термический КПД. Для сравнения на рис. 1.5,г изображены в T,s-диаграмме два идеальных цикла, отличаю­щиеся только давлением пара р_к в конденсаторе. Располагаемая работа цикла с пониженным давлением р_к 1'—2—3—4—5—1' превышает располагаемую работу цикла 1—2—3—4—5—1 с бо­лее высоким давлением на значение, эквивалентное площади 1—5—5'—1'—1. Но в этом случае увеличивается влажность па­ра в конце процесса расширения и потеря энергии с выходной скоростью, что отрицательно сказывается на надежности турбины и снижает ее относительный внутрен­ний КПД.