Національний університет водного господарства та природокористування

Кафедра теплоенергетики і машинознавства

В.З. Кочмарський

л е к ц і ї

з дисципліни

ТЕПЛОВІ ТА АТОМНІ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ

спеціальність 7. 090510

„ теплоенергетика”

Тема 2. Термодинамічні цикли паротурбінних установок

Рівне 2005

Тема 2. Термодинамічні цикли паротурбінних установок

Тут ми розглянемо основні термодинамічні цикли, що використовуються при проектуванні та розробці теплоенергетичних установок (ТЕУ): ТЕС, АЕС, ТЕЦ, та проаналізуємо можливі шляхи підвищення їх ефективності.

При цьому пам’ятаємо, що для заданого інтервалу температур, у якому працює теплова машина, максимальну корисну роботу забезпечує оборотний цикл Карно. Він зображений на рис.2.1 фігурою 1234′1. Термічний ККД цього циклу рівний відношенню корисної роботи, площі фігури 1234′1.

maxl = S_1234′1 = (T₁ – T₂)∙(S₂ – S₃);

до кількості тепла, що отримало робоче тіло за цикл (площа фігури 12’3’3’4’1),

Q₁= S_{12’3’4’1} = T₁∙(S₂ – S₃);

.

Ф ізико – хімічні властивості води роблять технічну реалізацію циклу Карно 1234′1 неможливою. Справді, на ділянці 3-4 (волога пара) пару можна адіабатно стиснути компресором до точки 4. Дальше (ділянка 4-4′) вода переходить у рідкий стан (від точки 4 до 4′) і адіабатне стиснення необхідно продовжити водяним насосом. Оскільки точки на ділянці 4′- 4 відповідають температурі Т > Т_кр, то відповідно до властивостей води, не існує ізотермічного процесу, яким можна перетворити воду в пару і навпаки, тобто ізотермічний процес 4′-1 не може бути реалізованим. Теоретично можна собі представити реалізацію циклу Карно на насиченій парі при тисках і температурах, що нижчі від критичних (Р_кр = 22.13МПа, t_кр = 374.1^оС ) для води. Схема такої установки показана на рис.2.2, лише живильний насос необхідно замінити на компресор вологої пари. Проте компресор, що працює з низьким початковим тиском на вологій парі, є дуже громіздким і неефективним. Недоліків циклу Карно на вологій парі можна уникнути, якщо в конденсаторі повністю сконденсувати пару і стискати воду перед подачею в котел простим і компактним водяним насосом. Цикл, який при цьому отримують, був запропонований в середині ХІХ ст. фізиком Ренкіном і сьогодні носить його ім’я.

2.1 Термодинамічний цикл найпростішої паротурбінної установки

Замкнутий термодинамічний процес, який може бути без труднощів реалізованим для води, називається циклом Ренкіна. Він зображений на рис.2.1 фігурами 3456123 та 34566’34. Перша відповідає циклу з перегрівом пари, а друга – на насиченій парі.

Теплова схема найпростішої ПТУ зображена на рис.2.2. Вона включає такі основні елементи: котлоагрегат (КА), парову турбіну (ПТ), електрогенератор (ЕГ), конденсатор турбіни (КТ) та живильний насос (ЖН). Проаналізуємо на Т – S діаграмі процеси, що відбуваються з теплоносієм (робочим тілом), який виконує цикли Ренкіна на насиченій та перегрітій парі.

2.1.1. Цикл Ренкіна на насиченій парі

Приймемо за початок циклу процес 3 - 4.

3-4: конденсат з початковою температурою Т₃ ≈ Т_6′ стискається живильним насосом, див. рис.2.2, від Р₃ до тиску Р₄ = Р₁ і подається у економайзер котла; при цьому насосом виконується робота стиснення l₃₄ = v∙(P₁ – P₃), v – питомий об’єм води, v ≈ 10^-3 м³ , і дещо зростає температура ( Т₃ →Т₄).

4-5: у економайзері вода, отримуючи тепло q₁′, нагрівається до температури насиченої пари Т₅ = Т_н, що відповідає тиску Р₁;

5-6: у парогенераторі при Т₅ = Т₆ = const та тиску Р₁ вода кипить, отримуючи тепло q₁′′ і теплоносій у вигляді сухої насиченої пари подається у турбіну;

6-6’: у турбіні пара адіабатно розширюється (ідеальний процес), виконуючи роботу l_66′ = h₆ – h_6′, кінцеві параметри пари P_6′, T_6′, h_6′ (ентальпія); при цьому, див. рис. 2.1, знижується сухість пари х і в кінці розширення вона може досягти критичної для турбіни величини 85%;

6’-3: процес конденсації пари у КТ, відбувається при сталих температурі і тиску (P_6′, T_6′) і пара перетворюється у рідину (воду) з ентальпією h_3.

Термічний ККД , будь-якого циклу означається як відношення роботи, що виконана за цикл l_ц , до затраченого в циклі тепла q _зт , тобто

. (2.1)

У нашому випадку l_ц = h₆ – h_6′ , а q _зт = h₆ – h₄ , тому для термічного ККД циклу Ренкіна на насиченій парі отримуємо вираз

(2.1а)

величина якого може бути близькою до ККД циклу Карно з температурами Т_н та Т_к, див рис. 2.1.

Цикл на насиченій парі має суттєвий недолік – високу вологість пари, яка появляється в процесі її розширення в турбіні. З рис. 2.1 бачимо, що вологість змінюється у межах 0 – 30%, а це, якщо не вживати заходів, призводить до ерозії лопаток частини низького тиску (ЧНТ) турбіни. Проте цикли на насиченій парі широко застосовуються на АЕС, а прийнятна сухість пари (у межах 90-86%) забезпечується паросепаратором, який встановлюють після частини високого тиску (ЧВТ) турбіни.