9 .3.2. Система коэффициентов полезного действия для оценки эффективности пту. Тепловой баланс пту

На рис. 9.13 представлен действительный цикл Ренкина 1-2д-2 (без учета затраты работы на насос):

1-2д – необратимый адиабатный процесс расширения пара в турбине (s_2д > s₁);

1-2 – обратимый адиабатный процесс расширения (s₂ = s₁).

Термический КПД характеризует термодинамическое совершенство обратимого цикла 1-2-2:

где N, Вт - мощность обратимого цикла, G, кг/с – расход пара, Q₁, Вт – тепловая мощность парового котла.

Относительное термодинамическое совершенство действительного цикла по сравнению с обратимым характеризует внутренний относительный КПД цикла

(9.13)

где N_i = l_iG – внутренняя мощность (мощность действительного цикла).

Потери тепла в паровом котле (от химического и механического недожога топлива, от теплообмена с окружающей средой, с уходящими газами и др.) характеризуются КПД парового котла

,

(9.14)

где q, Дж/кг – теплота, выделившаяся при сгорании топлива, отнесенная к 1 кг пара; , Вт – тепловой эффект реакции горения топлива; B, кг/с – расход топлива; , Дж/кг – теплотворная способность топлива.

Механические потери (потери на трение между деталями, затрата энергии на привод масляного насоса, осуществляющего смазку) характеризуются механическим КПД

,

(9.15)

где N_e = l_eG– эффективная мощность (на валу турбины), l_e- эффективная работа.

Все потери в ПТУ (без учета потребителя энергии) характеризуются эффективным КПД

,	(9.16)
.	(9.17)

Справедливость (9.17) легко проверить, если подставить значения всех КПД.

Механические и электрические потери в генераторе электрического тока учитываются КПД генератора

,

(9.18)

где l_Э, N_Э = l_Э ^.G – соответственно электрическая работа и электрическая мощность.

Все потери в энергетической паротурбинной установке, вырабатывающей электрическую энергию, учитываются электрическим КПД

,	(9.19)
.	(9.20)

Пределы изменения приведенных выше КПД следующие:

Система коэффициентов полезного действия позволяет рассчитать составляющие уравнения теплового баланса

.

Для паротурбинной установки с циклом Ренкина

,

потери тепла в паровом котле

,

потери тепла в конденсаторе

,

механические потери в турбине

,

потери в электрогенераторе

.

9.3.3. Эксергетический анализ пту

Целью эксергетического анализа любого теплового устройства является:

• расчет составляющих уравнения эксергетического баланса:

,

где – потери эксергии в отдельных узлах устройства, рассчитываемые по формуле

;

• определение эксергетических КПД узлов и устройства в целом:

.

Эксергетический КПД паротурбинной установки, вырабатывающей электроэнергию, совпадает с электрическим КПД

.

Уравнение эксергетического баланса для ПТУ с циклом Ренкина (рис. 9.13) имеет вид

.

Потери эксергии в узлах паротурбинной установки и эксергетические КПД узлов рассчитываются по формулам

- для парового котла

;

- для паровой турбины

;

- для конденсатора

;

- для электрогенератора

.

Для паротурбинной установки с циклом Ренкина при параметрах пара

p ₁ = 100 бар, t₁ =530 ⁰С, p₂ = 0,04 бар и коэффициентах полезного действия расчет составляющих теплового и эксергетического балансов дал результаты, представленные в виде потоков тепла (рис. 9.14) и потоков эксергии (рис. 9.15).

Анализ уравнений теплового и эксергетического балансов дает

,

но потери эксергии и потери тепла для конкретного узла установки могут существенно различаться, например в паровом котле и конденсаторе. В паровом котле потери тепла составляют 10% (_ПК = 0,9), потери эксергии -57,7% ( = 0,423). КПД парового котла учитывает, главным образом, потери тепла с уходящими газами. Эксергетический КПД, кроме потерь эксергии с уходящими газами, учитывает дополнительно:

• потери эксергии от необратимости теплообмена между продуктами сгорания топлива, имеющими температуру ~ 2000⁰С и рабочим телом (водой и водяным паром со средней температурой ~ 350⁰С);

• потери эксергии от необратимости процесса горения;

• потери от присоса атмосферного воздуха и смешения его с горячими газами.

В конденсаторе потери тепла составляют 55,4%, в то время как потеря эксергии этого низкопотенциального тепла равна всего 3,6%.

Таким образом, только применение двух методов термодинамического анализа (метода КПД и эксергетического) дает возможность выявить для каждого узла установки количество тепловых потерь и их качество.

Какие существуют возможности для уменьшения потерь в паровом котле? Наибольшие потери эксергии связаны с необратимостью процесса горения и теплообменом между газами и рабочим телом (водой и водяным паром). Первые потери неустранимы, пока есть горение, вторые потери могут быть уменьшены, если уменьшить перепад температур между источником тепла и рабочим телом. Это можно сделать:

• за счет увеличения параметров пара, вырабатываемого в паровом котле;

• за счет регенеративного подогрева конденсата, подаваемого в паровой котел;

• за счет промежуточных перегревов пара в паровом котле;

• за счет применения комбинированных циклов (бинарные ПТУ, парогазовые установки, ПТУ с МГД-генератором).