13. Циклы паротурбинных установок

13.1 Введение

В настоящее время подавляющая часть электроэнергии производится на тепловых электростанциях при помощи паротурбинных установок с использованием водяного пара.

Принципиальная схема паротурбинной установки показана на рисунке 13.1. Её работа осуществляется следующим образом.

При сгорании топлива в топке 1 парогенератора 2 образуются газообразные продукты сгорания, теплота которых передается затем воде и пару через металлическую стенку труб. Вода подогревается до кипения и переходит в насыщенный пар, который при движении через пароперегреватель подсушивается и перегревается. Перегретый пар направляется в паровую турбину 3, где его теплота переходит в механическую работу вращения ротора турбины. В электрическом генераторе, сидящем на одном валу с турбиной, механическая работа переходит в электрическую энергию. После турбины отработавший пар с низким давлением поступает в конденсатор 4, через который прокачивается охлаждающая вода. Здесь пар отдает теплоту воде и конденсируется. Конденсат откачивается насосом 5, снова подается в парогенератор и цикл повторяется.

13.2 Цикл Карно для водяного пара

На рисунке 13.2 в координатах р-v изображен теоретический цикл Карно насыщенного водяного пара.

Установка, работающая по циклу Карно, должна состоять из парогенератора, паровой турбины, компрессора и конденсатора. Изобарно-изотермический процесс a-b осуществляется в парогенераторе, в котором, за счет подводимого тепла кипящая жидкость состояния а переходит в сухой насыщенный пар состояния b. Полученный пар по адиабате b-c расширяется в турбине и совершает работу, которая на диаграмме изображается пл. ebcf и определяется по формуле

l_bc=i_b—i_c. (13.1)

Рисунок 13.2 – Цикл Карно для сухого насыщенного пара

Отработавший пар поступает в конденсатор, где осуществляется частичная конденсация вследствие отдачи теплоты охлаждающей воде при постоянных температуре и давлении по линии с-d.

Влажный насыщенный пар состояния d поступает в компрессор, сжимается по адиабате d-а и снова переходит в жидкость состояния а, которая подается в парогенератор и цикл повторяется.

Работа компрессора на рисунке 13.2 изображается заштрихованной пл. eadf и определяется по уравнению

l_da=i_a—i_d. (13.2)

В современных паротурбинных установках давление в конденсаторе поддерживается в интервале 0,0035 – 0,005 МПа, поэтому удельный объем влажного пара v_d, поступающего в компрессор, во много раз превышает объем жидкости. В связи с этим компрессор получается громоздким и на него расходуется большое количество металла. Кроме того, на сжатие влажного пара затрачивается чрезмерно большая работа, составляющая значительную часть работы, совершаемой паром в турбине.

Расчеты показывают, что если паротурбинная установка будет работать в пределах от 10,0 МПа в парогенераторе до 0,005 МПа в конденсаторе, то теоретическая работа компрессора составляет около 38% работы пара в турбине. Практически вследствие ряда потерь на привод компрессора затрачивается еще большая работа.

На основании вышеизложенного осуществление цикла Карно в паротурбинных установках затруднительно и экономически невыгодно, поэтому на практике он не применяется.