Теоретические основы энерготехнологии химических производств

сверхзвуковых), что приводит к высокой скорости вращения рабочего ко­ леса и к большим конструктивным и эксплуатационным трудностям, кото­ рые связаны с возможным отрывом лопаток за счет центробежной силы (окружные скорости движения лопаток не должны превышать 300-400 м/с), быстрого изнашивания деталей турбины и т.п. Поэтому одноступенчатые турбины имеют ограниченное применение для невысоких давлений пара и соответственно вырабатывают небольшую удельную мощность.

Снижение частоты вращения колеса турбины без снижения парамет­ ров пара возможно только за счет снижения скорости истечения пара, а следовательно, снижения теплоперепада. Это можно сделать путем уве­ личения количества ступеней турбины. Поэтому все современные про­ мышленные турбины делаются многоступенчатыми (рис.4.12,6). В отли­ чие от одноступенчатых, многоступенчатые турбины состоят из несколь­ ких ступеней, разделенных диафрагмами с круговыми системами сопел. Таким образом, общий перепад давления равномерно распределяется ме­ жду ступенями, поэтому чем больше ступеней, тем при меньшей частоте вращения колеса достигается максимальный КПД турбины. Так как объем пара с падением его давления увеличивается, то размер сопел, лопаток и проточной части корпуса должны увеличиваться от ступени к ступени.

Работа турбины как теплового двигателя характеризуется внутренней (индикаторной) мощностью (А//), развиваемой лопатками, эффективной мощностью, т.е. мощностью на валу (N E)9 и мощностью, которую разви­ вала бы идеальная турбина (No)» Естественно, эффективная мощность все­ гда будет меньше индикаторной, т.к. в любой машине существуют меха­ нические потери на трение, привод и т.д. Однако, современные турбины являются достаточно совершенными, и величина TJMEX=NE/NJ » 0,99-0,995. Кроме механических потерь, существуют внутренние потери энергии за счет трения потока пара, завихрений в каналах, перетоков пара мимо сопл, в зазорах между ступенями и т.д. Величина внутреннего КПД: tJoi= Nf/N0 «г 0,7-0,88. Для оценки эффективности работы турбины, кроме КПД турбины используется еще величина удельного расхода пара на вы­ работку одного киловатта (кг/кВт).

По классификации турбины делятся на:

-конденсационные (К),

-конденсационные с промежуточным (между ступенями) отбором отопительного (теплофикационного) пара с давлением 0,18 МПа (Т),

-с отбором пара для промышленного потребления (П),

-с двумя регулируемыми отборами пара (ПТ),

-с противодавлением (Р),

-с противодавлением и производственным отбором пара (ПР),

-с противодавлением и отопительным отбором пара (ТР).

Вобозначении турбины, после указания ее типа указывается ее номи­ нальная мощность в МВт, а затем давление входящего пара в кгс/см2 Дальнейшие цифры будут указывать на номинальное давление производст­ венного отбора пара (кгс/см2), величину противодавления (кгс/см2) и т.п.

Например, турбина ПТ-60-130/13 имеет номинальную мощность 60МВт, начальное давление пара 130 кгс/см2, производственный отбор пара

сдавлением 13 кгс/см2 и теплофикационный (отопительный) отбор пара. Так как мощность турбины определяется располагаемым теплопере-

падом в турбине или разностью энтальпий пара до и после турбины (zMT), которая в свою очередь определяется параметрами рабочего тела (темпе­ ратурой и давлением), то чем выше будет энтальпия (параметры пара) до турбины и ниже после турбины, тем выше будет ее удельная мощность. Однако верхний предел параметров пара определяется металлургически­ ми ограничениями при создании котлов (прочностью и термостойкостью металла), т.е. уровнем развития техники, а нижний -- параметрами окру­ жающей среды. Если турбина имеет давление пара на выходе выше 1 атм, т.е. температура пара на выходе турбины больше 100°С, то она называет­ ся т урбиной с п рот и водавлен и ем . Если пар, выходящий из турбины, на­ правляется в конденсатор, а теплота конденсаций отдается охлаждающей воде и полностью теряется (теплота процесса 5-6 на рис. 1.29), тогда тур­ бина называется конденсационной . Большинство мощных турбин является конденсационными (типа К). Таким образом, давление за турбиной опре­ деляется температурой хладагента, подаваемого в конденсатор. Обычно в качестве хладагента используется вода.

Допустим, среднегодовая температура воды, подаваемой в конденсатор, равна 10-15°С, тогда из конденсатора она может выходить с температурой не ниже 20-25°С. Поэтому для обеспечения движущей силы теплопередачи температура пара не может быть ниже 25-35°С, что соответствует давлению 3-5 кПа или 300-510 мм вод.ст. Это является пределом снижения давления и повышения степени использования тепловой энергии. Однако степень ис­ пользования тепловой энергии можно повысить и другим способом. Так, пар после турбины можно использовать для целей централизованного отопления и горячего водоснабжения или т еплофикации (рис.4.13). В этом случае теп-

ловая электростанция будет называться ТЭЦ - теплоэлектроцентралью. Так как пар с температурой ниже 100°С использовать практически невозможно,

Рис. 4.13. Схема соеместного использования тепловой энергии

то давление пара после турбины повышают до параметров, когда температу­ ра пара будет позволять его использовать для этих целей. Рассмотрим ос­ новные принципы комплексного использования тепловой энергии (теплофи­

сывается в окружающую среду с охлаждающей водой (площадь А-6-5-В). Обычно потери с охлаждающей водой - значительные.

При использовании системы теплофикации, теплота конденсации па­ ра будет использоваться потребителями, однако это потребует изменить давление пара, выходящего из турбины с Рх до Рх (/>,</>,'). Это приведет к увеличению температуры конденсации с Гконд ДО Гконд' (Тконд^конд)- При. этом количество полезно используемой теплоты, т.е. мощность тур­ бины, снизится (площадь 1,-2-3-4-5'-6'). Однако выделяющееся в конден­ саторе увеличенное количество теплоты (площадь A 9-69-5-B) не будет выбрасываться в окружающую среду, а будет использоваться потребите­ лями. Таким образом, при снижении степени преобразования теплоты в работу общее количество полезно используемого тепла увеличится.

Однако основной задачей ТЭЦ является выработка электроэнергии для промышленных потребителей, поэтому мощность станции практиче­ ски не совпадает с количеством теплоты, расходуемой потребителями, например зимой или летом. Поэтому с целью одновременного решения двух задач, для обеспечения целей теплофикации производят промежу­ точный регулируемый отбор пара между ступенями турбины (рис.4.15).

Рис.4.15. Схема совместного использования тепловой энергии с

регулируемым отбором пара

Согласно этой схеме турбина состоит из двух частей: часть высокого давления и часть низкого давления. Давление пара в части высокого дав­ ления турбины снижается от начального до необходимого давления отбо­ ра, а в части низкого давления - до давления пара в конденсаторе. Таким

образом, такая турбина позволяет легко регулировать выработку электро­ энергии и обеспечивать теплом потребителей. Кроме того, такая турбина может иметь несколько регулируемых отборов пара, причем можно про­ изводить отбор как отопительного пара с давлением 0,18 МПа (марка турбины - Т), так и промышленного пара (марка турбины - П).

Например, приводом компрессора цикла синтеза аммиака является конденсационная турбина, работающая на перегретом паре с давлением 105,5 ати и температурой 482°С, и имеющая давление пара в конденсаторе около 230 мм вод.ст. Эта турбина имеет отбор промышленного пара с дав­ лением 40,5 ати и температурой 371°С, который далее используется в тех­ нологических целях (для приготовления парогазовой смеси, в качестве за­ щитного пара и т.п.) и в качестве рабочего тела для других турбокомпрес­ соров (технологического воздуха, природного газа, АХУ и т.д.).

Кроме регулируемых отборов пара турбины обычно имеют несколько нерегулируемых отборов пара, которые подаются для регенеративного подогрева питательной воды котла, т.е. в обход конденсатора. Это позво­ ляет получить большее количество пара высоких ‘параметров без увели­ чения нагрузки на котел по топливу.

Газотурбинные установки (ГТУ)

По принципу работы газовые турбины практически не отличаются от паровых, т.е. все процессы и их математическое описание - идентичны. От­ личие заключается только в рабочем теле, режимах работы турбины и в том, что часть работы турбины расходуется на сжатие воздуха, часть которого поступает в камеру сгорания, а часть - на смешение с продуктами сгорания.

В настоящее время газовые турбины нашли очень широкое примене­ ние, т.к. позволяют развить достаточно высокую удельную мощность, а также меньше и проще паровых турбин. Кроме того, их быстрый прогрев и выход на рабочий режим позволяют их использовать для покрытий пи­ ковых нагрузок в энергосистеме, в качестве привода для электрогенера­ тора на передвижных объектах (например, на морских судах), привода для компрессоров перекачки природного газа на газокомпрессорных станциях магистральных трубопроводов, приводов насосов для транспор­ тировки нефти и нефтепродуктов, в качестве двигателей машин, самоле­ тов, вертолетов, военной техники и т.п. КПД газовых турбин обычно не превышает 15-30%, однако, несмотря на высокий расход топлива, не­

большие размеры турбины делают ее незаменимой во многих областях. Принцип действия газовой турбины (рис.4.16) заключается в том, что

воздух, предварительно сжатый в осевом компрессоре, находящимся на одной оси с турбиной, подается в камеру сгорания (рис.4.17). В обычной

камере сгорания (рис.4.17,а) ъюжет сжигаться природный газ, жидкое топливо либо очищенные доменный, коксовый или генераторный газы. Объем этой камеры сгорания разделяется на зону горения, где происхо-

Рис.4.17. Схемы камер сгорания газовых турбин

дит сгорание топлива с меньшей частью воздуха, и зону смешения, где к продуктам сгорания подмешивается остальной воздух. Такая сложная конструкция необходима, т.к. горение топлива происходит при темпера­ турах около 2000°С, и лопатки колеса турбины, уже нагруженные цен­ тробежной силой, могут выйти из строя. Поэтому с целью снижения тем­ пературы газов, подающихся на турбину, они смешиваются с оставшейся частью воздуха (Коэффициент избытка воздуха на выходе камеры сгора­ ния достигает 5-10). Температура газов После смешения составляет 7501100°С для стационарных турбйн И до 1400°С у авиационных турбин.

Основным направлением повышения КПД газовых турбин является по­ вышение начальной температуры газов.

Так как процесс горения происходит при очень высоких температу­ рах, то дымовые газы содержат значительное количество оксидов азота, который затем выбрасывается в атмосферу. Увеличение количества пер­ вичного воздуха, подаваемого на горелку с целью снижения температуры горения, весьма проблематично, т.к. это может вызвать нестабильность факела. Поэтому с целью стабилизации процесса горения при низких температурах и больших избытках воздуха могут быть использованы ка­ талитические камеры сгорания (рис.4.17, б).

В химической промышленности газовые турбины применяются зна­ чительно реже, чем паровые. Однако их можно использовать в качестве автономных энергоустановок или в системах утилизации теплоты техно­ логических потоков, имеющих высокую температуру. Например, в техно­ логии азотной кислоты выходящие технологические газы предварительно подогреваются путем сжигания природного газа на катализаторе с одно­ временной очисткой от оксидов азота, а затем подаются на газовую тур­ бину, которая является приводом компрессора в "голове" технологиче­ ской цепочки.

При работе газовой турбины температура отработанных дымовых газов на ее выходе обычно достаточно высока. Так, для стационарных турбин она может достигать 350-450°С, поэтому ее можно и нужно ис­ пользовать. Путями ее использования могут быть:

-подогрев воды системы отопления или питательной воды парового котла, однако Количество потребляемой теплоты обычно много меньше, чем количество теплоты отходящих газов турбин;

-подогрев сжатого воздуха после компрессора турбины, однако не­ высокая разность температур приведет к достаточно большим теплооб­ менным поверхностям;

-подача выхлопных газов турбины в горелки котла или установка в потоке горячих газов дополнительной камеры сгорания, необходимой для повышения температуры с последующим использованием потока газов в котле-утилизаторе.

Тем не менее, в настоящее время большинство газовых турбин не имеют никаких устройств утилизации тепла, поэтому одним из вариантов снижения удельных затрат на совершение газовой турбиной работы яв­ ляется использование этих резервов.

Список рекомендуемой литературы

1.Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника. - М.: Высшая школа, 1986.-344 с.

2.Теплотехника /Под ред. А.П.Баскакова. - М.: Энергоиздат, 1991. - 264 с.

3.Лейтес И.Л., Сосна М.Х., Семенов В.П. Теория и практика химической энерготехнологии. - М.: Химия, 1988. - 304 с.

4.Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анали­ за. - М.: Энергия, 1973. - 296 с.

5.Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодина­ мика. - М.: Энергия, 1979. - 512 с.

6.Шаргут Я., Петела Р. Эксергия /Под. ред. В.М.Бродянского. - М.: Энергия, 1968. - 279 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ К РАСЧЕТНЫМ РАБОТАМ

ЗадамиеЛН

Газовая смесь с массой G, заданная объемными долями, нагревается при постоянном объеме V/ от температуры /; до t2, а затем охлаждается при постоянном давлении до началь­ ной температуры //.

Определить: конечное давление, объем смеси, величину работы и тепла процессов, а также изменение энтропии 1 кг смеси.

Расчет иллюстрировать изображением процесса в Л Г- и T,S- координатах. Значение теплоемкости взять среднее в интервале температур.

Мольная изобарная теплоемкость газов Ср,Дж /(моль -К)