Энергетические установки

D = d N.

Исследование выражений (2.1) и (2.2) показывают, что ηt увеличивается, а d уменьшается с увеличением i1 и уменьшением i2 , т.е. с увеличением начальных параметров пара P1, t1 и уменьшением конечных параметров P2 , t2. Конечные пара-

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

Увеличение t1 ограничивается жаропрочностью материалов, увеличение P1 – допустимой степенью влажности пара

в конце расширения. Повышенная влажность приводит к эрозии деталей турбины.

В настоящее время на электростанциях в основном исполь-

щейся в зависимости от климатических условий от 0 до 30 °С. При малой разности t2 −tохл интенсивность теплообмена падает, а размеры конденсатора растут. Кроме того, с понижением p2

становится все большим удельный объем пара, что ведет к увеличению размера конденсатора, а также последних ступеней турбины.

Регенеративный цикл. Для повышения экономичности работы паротурбинных установок, помимо повышения параметров пара, применяют так называемый регенеративный цикл, в котором питательная вода до ее поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагреву паром, отбираемому из промежуточных ступеней паровой турбины. На рис. 2.3 пред-

31

ставлена принципиальная схема паросиловой установки с регенеративным подогревом питательной воды, где α1, α2 и α3 –

доли отбираемого пара из турбины. Изображение в Т,s-диа- грамме носит условный характер, так как количество пара (рабочего тела) меняется по длине проточной части турбины, а диаграмма строится для постоянного количества.

а

б

Рис. 2.3. Регенеративный подогрев питательной воды в цикле Ренкина: а – схема установки: 1 – котел; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина с промежуточным отбором пара; 4 – электрогенератор; 5 – регенеративные подогреватели подогреватели; 6 – насосы; 7 – конденсатор; б – изображение (условное) процесса в T,s-координатах: 1–7 –

точки диаграммы

32

Следует отметить, что поскольку питательной воде передается теплота отобранного пара, включающая в себя теплоту парообразования, а при получении работы используется лишь часть теплоты пара, не включающая теплоту парообразования, то потеря работы в результате отборов будет значительно меньше, чем увеличение энтальпии питательной воды. Поэтому в целом КПД цикла возрастает. Однако возрастает и удельный расход пара, так как отобранная часть пара не полностью участвует в совершении работы, и для получения заданной мощности его расход следует увеличить. В то же время это обстоятельство позволяет облегчить конструкцию последних ступеней турбин, уменьшая длину их лопаток.

Применение регенеративного подогрева позволяет при необходимости 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 повышением начального давления пара P1. Это связано прежде

всего с тем, что с повышением P1 увеличивается температура

кипения воды, а следовательно, увеличивается количество теплоты, которое можно подвести воде при подогреве ее отобранным паром. В настоящее время регенеративный подогрев применяется на всех крупных электростанциях.

Цикл с промежуточным (вторичным) перегревом пара.

Из анализа регенеративного цикла следует, что при применении пара высокого давления влажность его в турбине в конце процесса расширения становится значительной даже при очень высокой начальной его температуре. Между тем работа турбин на влажном паре недопустима, так как она вызывает увеличение потерь и износ (эрозию) турбинных лопаток в результате механического воздействия на них находящихся в паре частиц влаги.

При использовании пара высокого давления повышение его начальной температуры до значений, допустимых по соображе-

33

ниям прочности металла пароперегревателя и паровой турбины, может оказаться недостаточным для обеспечения допустимой влажности пара в конце процесса расширения в турбине. Поэтому пар на некоторой стадии расширения приходится отводить из турбины и подвергать повторному перегреву в специальном пароперегревателе, после чего перегретый пар повторно вводится в турбину, где и заканчивается процесс его расширения. В результате этого при окончательном расширении пара до принятых на практике давлений влажность его не превышает допустимых значений.

Паротурбинные установки, в которых используется такой метод, называют установками с промежуточным перегревом пара. При правильном выборе давления отбора пара для его промежуточного перегрева и температуры промежуточного перегрева не только предотвращается чрезмерное увлажнение пара в конце процесса расширения, но и достигается некоторое увеличение термодинамического КПД установки.

Применение одного промежуточного перегрева пара приводит к повышению термического КПД установки на 2–3 %. Схема паросиловой установки с промежуточным перегревом пара представлена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Промежуточный перегрев пара в цикле Ренкина: а – схема установки: 1 – котел; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина; 4 – электрогенератор; 5 – промежуточный (вторичный) пароперегреватель; 6 – конденсатор; 7 – насос (питательный); б – изображение процессов в T,s- и i,s-координатах: 1–5 – точки диаграммы

34

Теплофикационный цикл. В тех случаях, когда прилегающие к тепловым электростанциям районы потребляют большое количество тепловой энергии, более целесообразно использовать комбинированный способ выработки теплоты и электроэнергии, чем раздельно снабжать эти районы теплотой от специальных котельных, а электроэнергией – от конденсационных электростанций. Установки, которые служат для комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Они работают по так называемому теплофикационному циклу.

Простейшая схема теплофикационной установки показана на рис. 2.5. Цифрой 5 обозначен тепловой потребитель (например, система отопления). Охлаждающая вода под действием насоса 6 циркулирует по замкнутому контуру, в который включен потребитель теплоты. Температура воды на выходе из конденсатора несколько ниже температуры конденсатора tн, но доста-

точно высока для обогрева помещений.

Рис. 2.5. Схема простейшей теплофикационной установки: 1 – котел; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина; 4 – конденсатор; 5 – отопительная система; 6 и 7 – насосы; 8 – генератор

35

Конденсат при температуре tн забирается насосом 7 и по-

сле сжатия подается в котел 1. Охлаждающая вода нагревается за счет теплоты конденсирующегося пара и под напором, создаваемым насосом 6, поступает в отопительную систему 5. В ней нагретая вода отдает теплоту окружающей среде, обеспечивая необходимую температуру в помещениях. После выхода из отопительной системы охлаждающая вода вновь поступает в конденсатор и в нем опять нагревается поступающим из турбины паром. При наличии более или менее постоянного потребителя производственного пара пользуются турбиной, работающей

спротиводавлением без конденсатора.

Втеплофикационных установках, цикл которых показан на рис. 2.6, а, используются турбины трех типов: с противодавле-

нием P2 = 1,2...12 бар (рис. 2.6, б); ухудшенным вакуумом Р2 =

= 0,5…0,9 бар (рис. 2.6, в) и регулируемыми отборами пара

(рис. 2.6, г).

Турбины с противодавлением относительно просты, малогабаритны и дешевы, но применяются редко, поскольку количество электроэнергии, вырабатываемое с их помощью, зависит не от электрических, а от тепловых потребителей, потребление пара которыми не всегда стабильно.

Турбины с ухудшенным вакуумом при отсутствии тепловых потребителей могут работать с расширением пара до глубокого вакуума, как конденсационные, но выработка электроэнергии у них также зависит от расхода теплоты.

Турбины с регулируемыми отборами не имеют указанных недостатков, позволяют свободно изменять электрическую и тепловую нагрузки, т.е. работать по свободному графику. Они в основном и применяются на ТЭЦ. На рис. 2.6, г приведена схема такой установки с одним регулируемым отбором пара при

(в зависимости от потребностей в электроэнергии и тепло-

те), которое устанавливается с помощью клапана 12, расположенного на магистрали между ступенями турбины высокого 11 и низкого 13 давлений.

36

(P2 =3...5 кПа), производя при

этом полезную работу, и превращается в охладителе в конденсат, а отнятая от него в конденсаторе теплота полностью теряется с охлаждающей водой. Это объясняется тем, что в теплофикационном цикле конечное давление пара P2 значительно превосходит

обычное давление в конденсаторе паровой турбины, работающей по конденсационному циклу. Увеличению давления P2 , как это видно из Т,s-диаграммы (см.

рис. 2.7), соответствует сокращение количества теплоты qпол, используемой в паровой турбине (уменьшение площади 1–2–3– 4–5), и увеличение количества теплоты q2 , уносимой охлаждающей водой (увеличение площади 1–5–4′–1′), и в итоге – уменьшение ηt .

Термический КПД теплофикационного цикла не может служить полноценной мерой экономичности, поскольку он не учитывает полезное использование потребителем той части теплоты, которая не превращается в работу, т.е. теплоты q2.

Поэтому для оценки экономичности теплофикационных циклов пользуются так называемым коэффициентом использования теплоты, представляющим собой отношение всего количества полезно использованной теплоты (т.е. суммы теплоты, превращенной в работу и равной qпол, и теплоты, использован-

ной потребителем без ее превращения в работу, равной q2 ) ко всему количеству подведенной к рабочему телу теплоты:

38

равен единице. Практически же величина его колеблется от 0,65

до 0,7.

Это говорит о том, что в теплофикационном цикле степень теплоиспользования почти в два раза больше, чем в чисто конденсационном цикле. Следовательно, комбинированный способ выработки теплоты и электрической энергии значительно экономичнее способа их раздельной выработки.

Цикл энергетической стационарной газотурбинной ус-

тановки. В отличие от паротурбинного (паросилового цикла Ренкина для водяного пара), в циклах газотурбинных установок рабочим телом служат сжатые газы, нагретые до высокой температуры. В качестве таких газов чаще всего используют смесь воздуха и продуктов сгорания жидкого (или газообразного) топлива.

Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ) представлена на рис. 2.8. Воздушный компрессор К сжимает атмосферный воздух, повышая его давление от P0 до P2 , и непре-

рывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же специальным насосом непрерывно подается необходимое количество жидкого топлива. Образующиеся в камере продукты сгорания выходят из нее с температурой T3 и практически с тем же давлением P2

(если не учитывать сопротивления), что и на выходе из компрессора (P2 = P3 ). Следовательно, горение топлива (т.е. подвод

теплоты) происходит при постоянном давлении.

В газовой турбине (ГТ) продукты сгорания адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до T4 , а давление уменьшается до атмосферного P0. Весь перепад давлений P3 − P0 используется для получения технической работы

39

в турбине lтех. Большая часть этой работы lк расходуется на привод компрессора, разность lтех −lк затрачивается на произ-

водство электроэнергии в электрическом генераторе Г или на другие цели. Эта разность и составляет полезную работу цикла (расход энергии на привод топливного насоса невелик, и в первом приближении его можно не учитывать).

Рис. 2.8. Схема газотурбинной установки

Коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ

Одной из основных характеристик цикла газотурбинной установки является степень повышения давления в компрессоре

40