6.3. Цикл паротурбинной установки

Если рабочим телом является пар (например, воды или какой-либо

легкокипящей жидкости), то подвод к системе и отвод тепла можно осу-

ществить в изотермических условиях, как в цикле Карно.

Цикл Карно на насыщенном водяном паре и принципиальная схема

ПТУ изображены на рис. 6.8. Образованный в паровом котле (ПК) при

подводе тепла q1 сухой насыщенный пар с давлением р1 (точка 1) адиабатно

расширяется в турбине (ПТ) до состояния влажного насыщенного пара

низкого давления р2 (точка 2). Затем этот пар поступает в теплообменник-

конденсатор (К), где от него при постоянной температуре и одновременно

при постоянном давлении отводится теплота q2 (процесс конденсации 2 _

3). Пар конденсируется не полностью, а его степень сухости становится

меньше, т. е. х3 < х2. При полной конденсации до состояния кипящей воды

при р2 конец процесса соответствовал бы точке 5 на диаграмме. Но для

цикла Карно

точка 3 соответствует такому положению, чтобы последующее адиабатичес-

96

Рис. 6.8. Цикл Карно для насыщенного пара на диаграмме T – s (a)

и схема паросиловой установки (б)

кое сжатие 3 _ 4 в насосе или компрессоре (Н) при s = соnst привело бы

пар к состоянию кипящей воды при давлении р1 (точка 4 на линии х = 0).

Изобарно-изотермический процесс испарения кипящей воды до состояния

сухого насыщенного пара при подводе теплоты q1 (4 _ 1) совершается в

паровом котле (ПК). Теплота q1 поступает от продуктов сгорания топлива, а

теплота q2 отводится охлаждающей водой. Этот цикл, также как и рассмот-

ренный ранее в гл. 5 цикл Карно для идеального газа, состоит из двух изо-

терм (4 _ 1) и (2 _ 3) и двух адиабат (1 _ 2) и (3 _ 4).

Термический к. п. д. рассмотренного цикла, как и любого другого

прямого цикла Карно, в общем виде записывается так:

1 4

2 3

1

2

1

2

1

η 1 1 1 h h

h h

T

T

q

q

q

lц

−

−

= = − = − = − (6.11)

Любой другой цикл для того же интервала температур будет иметь

меньшую эффективность. Несмотря на очевидные преимущества, цикл Карно

в паросиловых установках не применяется. Основным препятствием является

невозможность осуществить процесс сжатия 3 _ 4 в компрессоре, на входе в

который поступал бы влажный пар (точка 3), а на выходе была бы жидкость

(точка 4). Компрессор служит для сжатия газов (паров), для жидкости

используются насосы.

Избежать недостатков, связанных с использованием компрессора,

позволяет цикл, предложенный Ренкиным. Этот цикл осуществляется в

современных паротурбинных установках. Принципиальная схема установки

(ПТУ), работающей по циклу Ренкина, аналогична рис. 6.8 б, а цикл в

диаграммах р _ v и Т _ s приведен на рис 6.9. Цикл Ренкина может быть

осуществлен как на сухом насыщенном паре (1' _ 2' _ 3 _ 4 _ 5 _ 1'), так и

на перегретом паре (1 _ 2 _ 3 _ 4 _ 5 _ 6 _ 1). Рассмотрим цикл на сухом

насыщенном паре. Сухой насыщенный пар, полученный в котле (ПК),

97

Рис. 6.9. Цикл Ренкина на насыщенном (пунктир) и пересыщенном

паре: p – v (а) и T – s (б) диаграммах

адиабатно расширяется в турбине (ПТ) 1' _ 2' (пунктирная линия). Влажный

пар после турбины поступает в конденсатор (К), где от него при р2 = соnst и

T2 = соnst отводится теплота q2 (процесс 2' _ 3). В отличие от цикла Карно

здесь пар конденсируется полностью до состояния кипящей жидкости при

р2. Затем жидкость поступает в насос, где происходит адиабатное сжатие до

давления р1. Ее объем практически не меняется. В процессе повышения

давления от р2 до р1 температура жидкости повышается ничтожно мало, на

диаграмме Т _ s точки 3 и 4 практически совпадают. Но так как температура

жидкости (в точке 4) на выходе из насоса ниже, чем температура насыщения,

жидкость перед поступлением в испарительные поверхности котла подогре-

вают до кипения в специальном теплообменнике _ экономайзере. Это

изобар-ный процесс р1 = соnst (4 _ 5), который протекает при добавочном

подводе теплоты q'1. Подогрев в экономайзере осуществляется в том же

котле за счет тепла отходящих продуктов сгорания топлива. За ним следует

5 _ 1' _ процесс парообразования при подводе теплоты q"1 при T1 = соnst

и р1 = соnst. Таким образом, подвод теплоты q1 = q'1+ q"1 происходит при

средней температуре _ ⎟

⎟

⎠

⎞

⎜ ⎜

⎝

⎛ ′ +

2

4 1 Т Т

меньшей, чем температура в точке 1'. Это

является причиной того, что и к. п. д. цикла Ренкина оказывается меньшим,

чем для цикла Карно. Термодинамическую эффективность цикла Ренкина

можно повысить, если увеличить параметры пара (р1 и Т1) на входе в

турбину. Повышение только давления р1 не приводит к заметному росту эф-

фективности цикла, а связанное с этим увеличение влажности пара на выходе

из турбины может привести к ухудшению условий работы проточной части

турбины. Значительный эффект достигается при повышении температуры,

т. е. при перегреве сухого насыщенного пара за котлом до Т1 в специальном

98

тепло-обменнике-пароперегревателе (ПП) (рис.6.10) при р1 = соnst, где

подводится тепло q"'1

(линия на диаграмме 6 _ 1). Цикл Ренкина на

перегретом паре имеет площадь 1_2 _ 3 _ 4 _ 5 _ 6 _ 1 больше, чем на на-

сыщенном паре. Средняя температура подвода тепла также выше. Разность

энтальпий h1 _ h2 определяющая удельную работу пара в турбине,

называемая располагаемым теплопадением, будет при этом заметно

больше, чем h1' _ h2') на насыщен-ном паре. Термический к. п. д. цикла

Ренкина ( R η ) с перегретым паром выражается следующим образом:

'2

1

1 2

1 4

1 2

1

η ц

h h

h h

h h

h h

q

l

R −

−

=

−

−

= = . (6.12)

Здесь принято h4 ≈ h3, а энтальпия жидкости в точке 3 равна h3 = h'2, т. е.

энтальпии кипящей воды при давлении р2.

Современные паротурбинные установки ТЭЦ работают по циклу с

перегревом пара. При использовании низколегированных сталей для котлов и

турбин перегрев пара находится в пределах 535 _ 565 ｰС при давлении до