1150

1.3.Паросиловые установки

1.3.1.Цикл паросиловой установки – цикл Ренкина

Паросиловая установка (рис. 1.11, а) работает следующим образом. Питательная вода из резервуара 1 насосом 2 подается в экономайзер 3, где происходит ее подогрев уходящими из парового котла 4 газами.

в) г)

Рис. 1.11. Теоретический цикл паросиловой установки – цикл Ренкина: а – принципиальная схема установки; б - г – теоретические циклы в диаграммах: 1 – резервуар питательной воды; 2 – насос питательной воды; 3 – экономайзер; 4 – паровой котел; 5 – пароперегреватель; 6 – паровая турбина; 7 – электрогенератор; 8 – конденсатор; 9 – насос конденсатный; 10 – насос охлаждающей воды

В котле-парогенераторе происходит парообразование, затем отсепарированный с небольшой влажностью пар поступает в пароперегреватель 5, откуда перегретый пар подается к паровой турбине 6 (поршневые паровые машины уже почти не применяются). Работа

20

расширения в турбине используется для привода генератора 7 электрического тока и частично на работу насосов.

Отработавший в турбине пар охлаждается в конденсаторе 8, превращается в жидкую воду – конденсат, подаваемый насосом 9 в резервуар питательной воды 1. Насос 10 предназначен для подачи охлаждающей воды.

Теоретический цикл такой установки с турбиной называется циклом Ренкина, а с поршневой расширительной машиной (поршневой машиной) – циклом Майера.

Рассмотрим цикл Ренкина в термодинамических диаграммах р

(рис. 1.11, б), Т s (рис. 11, в) и h s (рис. 1.11, г).

Процесс 3-4 – подача воды насосом в котел; 4-5 – подогрев воды в котле до кипения; 5-6 – образование пара в котле; 6-1 – перегрев насыщенного пара в пароперегревателе; 1-2 – расширение перегретого пара в турбине (совершение работы); 2-3 – конденсация пара.

Количество теплоты, подаваемой в изобарном процессе 4-5-6-1 нагрева воды, парообразования и перегрева

q1 = h1 – h3,

где h3 – энтальпия конденсата, подаваемого в котел.

Количество теплоты, отводимой в изобарном процессе 2-3 конденсации пара,

q2 = h2 – h3.

Полезная работа, совершаемая в турбине,

l = q1 – q2 = (h1 – h3) – (h2 – h3) = h1 – h2.

Термический КПД цикла Ренкина

КПД t увеличивается с увеличение h1 и уменьшением h2, т.е. с увеличением начальных параметров пара р1 и t1 и уменьшением конечных р2 и t2 (рис. 1.12).

Конечные параметры пара связаны между собой, так как пар в этой области влажный.

Увеличение t1 ограничивается жаропрочностью материалов, увеличение р1 – допустимой степенью влажности пара в конце расшире-

21

стью. Другой путь – приближение его конфигурации к конфигурации цикла Карно за счет регенерации теплоты, промежуточного перегрева пара между ступенями турбины, применение бинарных циклов. Третий путь – комбинированная выработка механической энергии (преобразующейся на электростанциях в электричество) и теплоты для технологических нужд промышленности и отопления, осуществляемая на теплоэлектростанциях (ТЭЦ). В теплофикационных турбоустановках конденсатор исключается вообще или же давление в нем повышается до 30-60 МПа.

1.3.2. Цикл паротурбинной установки с регенерацией

24

Цикл ПТУ с регенерацией (рис. 1.14, а) осуществляется путем подогрева питательной воды перед котлом в регенераторе паром, отбираемым между ступенями турбины, т.е. полностью еще не расширившимся и не совершившим всей работы. На рис. 1.14, б условно изображен процесс регенеративного подогрева питательной воды.

Регенеративный подогрев позволяет, когда это желательно, исключить экономайзер (подогрева питательной воды уходящими газами), использовав теплоту уходящих газов для подогрева поступающего в топку воздуха.

Увеличение КПД при применении регенерации составляет 10–15 %. При этом экономия теплоты в цикле возрастает с повышение начального давления р1 пара. В настоящее время регенеративный подогрев применяется на всех крупных паротурбинных электростанциях.

1.3.3. Цикл паротурбинной установки с промежуточным перегревом пара

Цикл с промежуточным перегревом пара (рис. 1.15, а) позволяет:

–избежать повышенной влажности пара в конце расширения, которая снижает внутренний относительный КПД турбины и вызывает эрозию лопаток турбины;

–повысить КПД цикла t за счет приближения его по мере увеличения числа ступеней перегрева к циклу Карно.

Количество подведенной теплоты

q1 = q'1 + q"2 ,

где q'1 = h1 – h'2 – теплота, подведенная в котле; h'2 – энтальпия конденсата, подаваемого в котел; q"1 = hb – ha – теплота, подведенная в промежуточном перегревателе.

Количество теплоты, отводимой в изобарном процессе конденсации пара,

q2 = h2 – h'2 .

Термический КПД

25

В теплофикационном цикле паротурбинной установки производство механической работы уменьшено на величину, пропорциональную пл. 6-2-3-7-6, с целью увеличения количества теплоты пропорциональной площади 6-10-9-7-6, отводимой при t0 = 150-200 ОС на удовлетворение нужд промышленности, отопления и т.п.

Рис. 1.16. Теплофикационный цикл (а) и три типа установок: с противодавлением (б), с ухудшенным вакуумом (в) и с регулируемыми отборами пара (г); 1 паровой котел; 2 – паровая турбина; 3 – питательный насос; 4 – электрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – потребитель теплоты; 7 – сетевой насос; 8 – турбина высокого давления; 9 – регулятор количества отбираемого пара; 10 – турбина низкого давления

В теплофикационных установках используются турбины трех типов:

–с противодавлением, р2 = 0,12–1,2 МПа (рис. 1.16, б);

–с ухудшенным вакуумом, р2 = 0,05–0,09 МПа (рис. 1.16, в);

–с регулируемыми отборами пара (рис. 1.16, г).

27

Турбины с противодавлением относительно просты, малогабаритны и дешевы, но применяются они мало, поскольку количество электроэнергии, вырабатываемое с их помощью, зависит не от электрических, а от тепловых потребителей, весьма нестабильных.

Турбины с ухудшенным вакуумом при отсутствии тепловых потре-

бителей могут работать с расширением пара до глубокого вакуума, как конденсационные, но выработка электроэнергии у них тоже зависит расхода теплоты.

Турбины с регулируемыми отборами не имеют отмеченных недос-

татков, позволяя свободно изменять электрическую и тепловую нагрузку, т.е. работать по свободному графику. Они в основном применяются на ТЭЦ. На рис. 1.16, г приведена схема такой установки с одним регулируемым, в зависимости от потребителей в электроэнергии и теплоте, отбором пара рОТБ . Давление устанавливается с помощью клапана 9, расположенного на магистрали между ступенями турбины высокого 8 и низкого 10 давления.

Критерий эффективности теплофикационного цикла называют в отличие от КПД коэффициентом использования теплоты. Он опре-

деляется отношением общего количества получаемой работы w и теплоты q2 к количеству затраченной теплоты q1:

В идеальном случае И.Т = 100 %, реально – 70–75 %.

1.4. Газотурбинные установки

Газотурбинные установки (ГТУ) относятся к числу двигателей внутреннего сгорания. Газ, получившийся в результате сгорания топлива в камере сгорания, направляется в турбину. Продукты сгорания, расширяясь в сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины, производят на колесе турбины механическую работу.

В основе работы ГТУ лежат идеальные циклы, состоящие из простейших термодинамических процессов. К числу возможных идеальных циклов ГТУ относятся:

цикл с подводом теплоты при постоянном давлении р = const;

цикл с подводом теплоты при постоянном объеме = const;

цикл с регенерацией теплоты.

28

Из перечисленных циклов наибольшее распространение получил цикл с подводом теплоты при р = const.

1.4.1. Цикл с подводом теплоты при р = const

Схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении представлена на рис. 1.17. Компрессор К, приводимый в движение газовой турбиной ГТ, подает сжатый воздух в камеру сгорания КС, в которую впрыскивается топливо. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины и выбрасываются в атмосферу.

Рис. 1.17. Схема ГТУ с подводом теплоты при р = const (а) и цикл в диаграммах р- (б) и Т-s (в): К компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина

Втермодинамических диаграммах р и Т s (см. рис. 1.17, б и в) цикл ГТУ 1-2-3-4-1. Работа цикла на р -диаграмме представляет собой разность площадей 2"-4-3-2' и 2"-1-2-2', соответственно равных работе турбины и компрессора.

Вэтих диаграммах: 1-2 – процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты в камеру сгорания при р = const; 3-4 – адиабатное расширение газа в турбине; 4-1 – изобарная отдача теплоты окружающему воздуху.

Параметрами цикла являются: степень повышения давления воз-

духа и степень предварительного расширения :

Термический КПД цикла определяется из выражения

29