ТОТ (лекции) / ТД(лекц_я 9)

Відносний внутрішній ККД. Дійсний цикл протікає необоротно (розширення пари у турбіні супроводжується тертям пари по стінках каналів, завихреннями і т. п.). Робота тертя перетворюється у теплоту, за рахунок якої підвищується ентальпія пари у кінцевому стані від h₂ до h_2д. Дійсний процес адіабатного розширення пари в турбіні, який протікає необоротно (внутрішня необоротність) із збільшенням ентропії, зображається умовною кривою 1-2_д (див. рис. 12.2). Тому питома корисна робота у дійсному тепловому двигуні (так звана питома внутрішня або індикаторна робота) менше за роботу ідеального двигуна . Відношення питомої дійсної роботи до теоретичної називається відносним внутрішнім ККД теплового двигуна

і дорівнює 80 … 90 %.

Відношення питомої дійсної роботи до підводжуваної теплоти q₁ називається абсолютним внутрішнім ККД циклу

.

При цьому

Наприклад, при р₁ = 17 МПа, t₁ = 550 ^оС и р₂ = 0,004 МПа термічній ККД циклу Ренкіна за виразом (12.3) дорівнює = 0,46. Прийнявши = 0,85, отримаємо = 0,46·0,85 = 0,39, тобто тільки 39 % підведеної теплоти перетворюється у циклі в корисну роботу.

Степінь термодинамічної досконалості будь-якого циклу оцінюється відношенням його ККД до ККД циклу Карно, який здійснюється у діапазоні температур T_max и T_min циклу:

де визначається за формулою (6.1).

Степінь термодинамічної досконалості ураховує зовнішню необоротність циклу внаслідок кінцевої різниці температур у процесах підведення і відведення теплоти. Таким чином, абсолютний внутрішній ККД циклу дорівнює

.

Цикл паросилової установки з регенеративним підігрівом живильної води (регенеративний цикл). Особливість регенеративного циклу паросилової установки полягає в тому, що конденсат, який після конденсатора має температуру t₂ = 28 ... 30 ^оС, підігрівається в спеціальних теплообмінниках-регенераторах П1 ... П3 (рис. 12.6, а) парою, яка відбирається з проміжних ступенів турбіни. При цьому можна реалізувати ідею регенеративного циклу Карно, як показано на рис. 12.6, б для ділянки циклу в області насиченої пари. Збільшуючи кількість відборів до нескінченності, процес розширення можна наблизити до штрихової лінії, яка буде еквідистантна лінії процесу підігріву живильної води 4-4´. При цьому цикл наближається до гранично-регенеративного. На практиці з економічної точки зору застосовують від п’яти до восьми ступенів підігріву.

а б Рис. 12.6. Схема (а) і регенеративний цикл (б) паросилової установки з трьома ступенями підігріву

Зображений на рис. 12.6, б цикл є умовним, оскільки в циклі з регенерацією кількість пари уздовж турбіни змінюється. При відборах пари на підігрів, з одного боку, зменшується витрата питомої теплоти q₁ на отримання пари у паровому котлі, з іншого боку, зменшується і питома робота пари в турбіні. Не дивлячись на протилежний характер цих впливів, регенеративний підігрів живильної води завжди підвищує термічний ККД установки. Це пояснюється тим, що підведення зовнішньої теплоти здійснюється тільки на ділянці 4´-5-6-1 і таким чином збільшується середня темпратура в процесі підведення теплоти. Крім того, регенеративний підігрів живильної води зменшує зовнішню необоротність в процесі передачі теплоти від газів до води на ділянці 4´-5, оскільки зменшується різниця температур між газами і попередньо підігрітою водою. Застосування регенеративного підігріву живильної води збільшує термічний ККД циклу паросилової установки на 8 ...12 %.

Розглянемо розрахунок основних характеристик регенеративного циклу для випадку двох відборів, причому розрахункові співвідношення неважко узагальнити на будь-яке кінцеве число відборів. З кожного кілограма пари, яка надходить у турбіну, відбирається: у перший відбір – кг з ентальпією , тиском і температурою ; у другий відбір – кг з ентальпією , тиском і температурою . Кількість пари, що надходить в конденсатор – (1 – – ) кг.

Питома робота пари (на 1 кг пари, яка надходить у турбіну):

(12.4)

де – повне теплопадіння при заданих параметрах установки.

Питома затрата теплоти:

, (12.5)

де – ентальпія живильної води, яка надходить у котел, відповідно до тиску у першому відборі.

Термічний ККД регенеративного циклу

(12.6)

Витрати пари у відборах визначаються за тепловими балансами підігрівників, для яких приймається, що температура живильної води і конденсату у кожному підігрівнику дорівнює температурі насичення пари, яка проходить через нього. Наприклад, до першого підігрівника входить вода з другого підігрівника у кількості (1-) з ентальпією , а також пара з відбору турбини у кількості з ентальпією . Виходить з підігрівника 1 кг живильної води з ентальпією . Отже рівняння теплового балансу підігрівника можна написати так:

звідки

.

Аналогічно неважко знайти вирази для будь-якої кількості відборів, ведучи розрахунок послідовно, починаючи з відбору при найбільшому тиску, тобто з першого відбору.

Регенеративний підігрів живильної води, який широко застосовується у сучасних паросилових установках, вносить істотні зміни в роботу всіх її основних елементів. В котельній установці розвантажується підігрівальна (економайзерна) частина, що дає можливість посилити за рахунок теплоти відхідних газів підігрів повітря, яке надходить у топку, і інтенсифікувати процес горіння палива. В турбінах зменшується витрата пари в останніх ступенях, що поліпшує умови експлуатації турбіни і дає можливість спростити її конструкцію. Знижується також навантаження конденсатора. Проте основним призначенням регенерації слід вважати підвищення термічного ККД циклу.

Цикл з повторним (проміжним) перегрівом пари. Для запобігання підвищенню вологості пари в кінці адіабатного розширення в турбіні понад допустиму, яка дорівнює 10 ... 12 %, застосовують повторний (проміжний) перегрів пари. Сутність останнього полягає в тому, що пара після розширення 1-2 в перших ступенях турбіни (рис. 12.7) зазнає повторного перегріву у проміжному пароперегрівнику при постійному тиску p_пр до температури Т₃ (процес 2-3), потім пара розширюється до тиску в конденсаторі (процес 3-4). Внаслідок цього ступінь сухості пари збільшується від до , що поліпшує умови роботи турбіни.

Якщо підібрати тиск і температуру проміжного перегріву так, що середня температура в процесі перегріву 2-3 буде вище за середню температуру підведення теплоти в циклі з однократним перегрівом, можна підвищити термічний ККД циклу. Проте основним призначенням проміжного перегріву слід вважати зниження кінцевої вологості пари. Вибір оптимальної величини проміжного тиску pпр роблять, виходячи з цих особливостей циклу (звичайно пара в точці 2 на рис. 12.7 близька до стану сухої насиченої).

Рис. 12.7. Цикл паросилової установки з повторним (проміжним) перегрівом пари

Теплофікаційний цикл. Згідно з другим законом термодинаміки значна частина теплоти (більше 50 %), яка передається парі у паровому котлі, має передаватися у конденсаторі охолоджувальній воді, що має температуру після конденсатора 15 ... 30 °С. Теплота з такою низькою температурою (низькопотенціальна теплота) не може бути використана ані для опалювальних, ані для технологічних потреб.

Для використання цієї теплоти необхідно підвищити її температуру хоча б до 80 ... 100 °С. Для цього слід збільшити тиск пари р₂, що виходить з турбіни, відповідно до 0,077…0,1 МПа. Такі установки працюють з погіршеним вакуумом або з протитиском. Поряд із виробленням електроенергії вони відпускають зовнішньому споживачу теплоту у вигляді пари або гарячої води і називаються теплофікаційними (рис. 12.8, а).

У таких установках, що не мають конденсатора, пара після турбіни ПТ з підвищеним тиском і температурою Т_п (точка 2' на рис. 12.8, б) спрямовується до споживача теплоти СТ. Віддавши йому теплоту , пара конденсується (процес 2'-3'), а конденсат за допомогою насосу Н повертається до парового котла ПК.

Таким чином, замість конденсаційного циклу 123451 реалізується теплофікаційний цикл 12'3'451, у якому теплоти, що віддається холодному джерелу (пл. 2'3'аб2'), використовується для опалення будівель, у технологічних процесах різних виробництв і т.д. Електростанції, що працюють згідно з цим комбінованим принципом, називаються теплоелектроцентралями (ТЕЦ).

а б

Рис. 12.8. Схема теплофікаційної паросилової установки (а) та цикл її роботи (б)

Підвищення протитиску призводить до зменшення вироблення 1 кг пари електроенергії і термічного ККД (пл. 12'3'451 < 123451), але загальне використання теплоти при цьому значно збільшується, оскільки теплота відпрацьованої пари вже не втрачається, а корисно використовується:

.

Характеристикою теплофікаційного циклу слугує відношення питомої використаної енергії до питомої підведеної теплоти , що називається коефіцієнтом використання теплоти:

.

У ідеальному випадку, коли використовується вся питома теплота , = 1 (або 100 %). У реальних умовах частина теплоти втрачається та економічність теплофікаційних установок з протитиском становить 60 … 80 %, що набагато вище економічності конденсаційних установок (у циклі Ренкіна коефіцієнт дорівнює термічному ККД циклу).

Не дивлячись на явну перевагу застосування турбін з протитиском, їх використання на теплоелектроцентралях обмежене, тому що тиск пари на виході з турбіни та витрата пари установлюються споживачем і, отже, вироблення електроенергії визначається тепловим споживачем (турбіна з протитиском працює за вільним тепловим та вимушеним електричним графіками).

Для того, щоб було можливо у більшому діапазоні незалежно змінювати теплове та електричне навантаження, на більшості теплоелектроцентралях використовують конденсаційні турбіни з проміжними відборами пари при тисках, які необхідні для споживачів теплоти. Одна з таких схем показана на рис. 12.9.

Тут частина пари відбирається з проміжних ступенів турбіни (як і у випадку регенерації) і спрямовується до теплових споживачів СТ; інша частина пари при більш низькому тиску відбирається і надходить до теплових мереж для опалення. Конденсат цих двох потоків пари повертається через живильний бак ЖБ до установки. Основна частина пари, яка необхідна для вироблення електроенергії, продовжує розширюватися у турбіні ПТ і надходить до конденсатора К.

Рис. 12.9. Схема ТЕЦ з регульованими

відборами пари

Таким чином, відпущення теплоти споживачам і вироблення електроенергії у турбін з регульованими відборами пари можуть змінюватися незалежно одне від одного. Комбіноване вироблення електроенергії та теплоти на теплоелектроцентралях є одним із головних методів підвищення економічності теплових електростанцій і слугує основою теплофікації.

Комбіновані (бінарні) цикли. Як вже було відмічено, верхня температурна границя для паросилових установок, що працюють на водяній парі, обмежується міцністю сталі (при тиску біля 30 МПа температура не допускається більше 600 °С).

Нижня температура у циклі Ренкіна складає 15 … 30 °С. У той час верхня границя температури у газотурбінних установках в залежності від міцності матеріалів допускається біля 1000 °С, що набагато вище температури перегріву пари у паросилових установках, проте нижня границя температури дорівнює 350 … 450 °С при розширенні продуктів згоряння до атмосферного тиску.

Істотного збільшення ефективності використання теплоти продуктів згоряння палива можна досягти шляхом комбінування газотурбінних і паросилових установок. Одна з можливих схем такої парогазової установки зображена на рис. 12.10. Атмосферне повітря компресором КП подається до топки високонапірного парвого котла ПК (процес а-b на рис. 12.10, б), куди надходить рідке або газоподібне паливо. Теплота, отримана при спалюванні палива (процес b-c), частково використовується для отримання перегрітої водяної пари у котлі (процес 4-5-1) і частково перетворюється у корисну роботу у газовій турбіні ГТ (процес c-d). Після турбіни продукти згоряння, які мають ще досить високу температуру, спрямовуються до регенеративного газоводяного підігрівника ГВ, де охолоджуються (процес d-a) і підігрівають конденсат (процес 3-4), що утворюється у конденсаторі К парової турбіни ПТ і подається насосом Н до котла ПК.

а б

Рис. 12.10. Схема парогазової установки (а) і цикл її работи (б)

Таким чином, повний термодинамічний цикл парогазової установки (див. рис 12.10, б) складається з двох циклів: газового (a-b-c-d) та парового (1-2-3-4-5). Розрахунки показують, що термічний ККД комбінованого циклу збільшується у порівнянні з окремо узятими ККД парового і газового циклів і дає економію палива до 15 %.

Особливості циклів атомних електростанцій. У зв’язку з дефіцитом органічного палива ядерна енергетика набуває все більшого значення у народному господарстві держави. Ядерний реактор є джерелом теплоти, енергетичне застосування якої східне з застосуванням теплоти, що виділяється при згорянні органічного паливав у топках котельних агрегатів чи камерах згоряння газотурбінних установок. Тому термодинамічні цикли атомних електростанцій подібні циклам звичайних теплових електростанцій, що працюють на органічному пальному.

Більш застосовуваними енергетичними реакторами є водо-водяні, у яких вода виконує подвійну функцію: відбирає теплоту реакції поділу ядерного палива і водночас уповільнює нейтрони, які необхідні для підтримання ланцюгової реакції. Такі реактори називаються також реакторами на теплових (повільних) нейтронах.

Теплота, що виділяється у реакторі, може передаватися робочому тілу або шляхом безпосереднього його нагрівання у активній зоні реактора, або за допомогою проміжного теплоносія, який відводить теплоту від активної зони реактора та далі у теплообмінному апараті (парогенераторі) передає її робочому тілу теплосилової установки. У першому випадку схема установки називається одноконтурною (рис. 12.11, а), а у другому – двоконтурною (рис. 12.11, б). Бувають і триконтурні схеми атомних електростанцій з додатковим проміжним контуром.

В одноконтурних схемах може використовуватися також газовий теплоносій, який після безпосереднього нагріву в активній зоні реактора використовується у замкненому циклі газотурбінної установки. Недоліками цих схем є: можливість забруднення турбіни продуктами корозії тепловидільних елементів реактора, небезпека праці обслуговуючого персоналу через наявність слідів радіоактивності робочого тіла. Переваги двоконтурної системи полягають у тому, що у вторинному контурі відсутні сліди радіоактивності робочого тіла (немає загрози для обслуговуючого персоналу) та для охолодження реактора можна використовувати будь-який теплоносій, зокрема рідкі метали.

Рис. 12.11. Схеми одноконтурної (а) і двоконтурної (б) атомних електростанцій

Термічний ККД циклів атомних електростанцій, як і паросилового циклу Ренкіна, залежить від початкових і кінцевих параметрів пари. Початкові параметри пари обмежуються допустимою температурою покриттів тепловидільних елементів реактора, яка у залежності від матеріалу оболонки складає 400 … 600 ^оС, а також граничною температурою ядерного палива, вище якої відбуваються його фазові перетворення. Тому для сучасних атомних електростанцій характерне низьке перегрівання пари, яка надходить до турбіни насиченою. Для того щоб уникнути ерозійного зношення лопаток через велику вологість пари у процесі розширення, передбачають виведення її з проміжних ступенів турбіни для сепарації вологи, а інколи і для перегрівання (рис. 12.12). Усі вирази ККД циклів атомних електростанцій ідентичні виразам ККД циклів звичайних теплових електростанцій, що працюють на органічному паливі. Зараз починають застосовуватися теплофікаційні ядерно-енергетичні установки, які слугують джерелами теплоти для різноманітних технологічних і комунальних потреб.

Рис. 12.12. Цикл атомної електростанції у T-s координатах