1.2.11. Паровая теплосиловая установка, работающая по регенеративному циклу с частичным отбором пара из промежуточных ступеней турбины.

В отличие от схемы 1.30, в рассматриваемой схеме 1.31 от промежуточных ступеней турбины отбирается не весь пар, а только часть его, идущая на регенеративный подогрев питательной воды. Остальная часть пара сохраняет такое же состояние, как в цикле без регенерации.

В зависимости от типа подогревателей, различают смешивающую и каскадную схемы регенеративного подогрева. В смешивающей схеме используются подогреватели смешивающего типа, а в каскадной – поверхностные подогреватели. Так, схема 1.30 относится к каскадной схеме регенеративного подогрева.

Рис. 1.31 Схема паровой теплосиловой установки, работающей по регенеративному циклу с частичным отбором пара от промежуточных ступеней турбины:

ПК – паровой котел;

ПП – пароперегреватель;

Э – экономайзер;

ПТ1, ПТ2, ПТ3 – первая, вторая, третья группы ступеней турбины;

Р1, Р2 – первая и вторая ступень регенератора (подогревателя);

ЭГ – электрогенератор;

К – конденсатор;

ЦН – циркуляционный насос;

ПН – питательный насос;

ДН1, ДН2 – дренажные насосы.

На рис.1.31 представлена смешивающая схема регенеративного подогрева. Для упрощения рассмотрим регенеративный цикл, совершаемый 1 кг пара. В первой группе ступеней турбины ПТ1 расширяется весьпар, после чего от него отбирается α₁кг пара с параметрами первого отбора Р₀₁, Т₀₁,i₀₁. Пар первого отбора направляется в регенератор Р1, остальные 1- α кг пара с параметрами Р₀₁, Т₀₁,i₀₁подаются на вторую группу ступеней ПТ2, где пара расширяется до давления Р₀₂, температуры Т₀₂и энтальпииi₀₂. Далее от него производится второй отбор пара в количестве α₂кг. Пар второго отбора с параметрами Р₀₂, Т₀₂,i₀₂направляется в регенератор Р2. Остальные (1- α₁-α₂) кг пара с теми же параметрами и подаются на третью группу ступеней турбины ПТ3, где расширяются до состояния с параметрами Р₂, Т₂,i₂, после чего поступают в конденсатор К. В конденсаторе пар полностью конденсируется при Р₂=const. Образовавшаяся при этом кипящая вода с параметрами Р₂, Т₂= Т_н2сжимается питательным насосом ПН до давления Р₁ и подается в регенератор (подогреватель) Р2, где подогревается паром второго отбора. В результате теплообмена с питательной водой пар второго отбора конденсируется в регенераторе Р₂при Р₀₂=const.

Этот конденсат с параметрами Р₀₂и Т₀₂подмешивается к питательной воде за регенератором Р2 с помощью дренажного насоса ДН2. Наличие дренажного насоса ДН2 объясняется тем, что давление питательной воды равно Р₁, а давление конденсата Р₀₂<P₁. Далее питательная вода под давлением Р₁подается в регенератор Р1, где подогревается паром первого отбора из турбины. При этом пар первого отбора конденсируется в регенераторе Р1 при Р₀₁=constи с помощью дренажного насоса ДН1 конденсат подмешивается к питательной воде.

Питательная вода, подогретая в регенераторах Р1 и Р2, а также за счет подмеса конденсата за ними, поступает при давлении Р₁иi_пв=i_fв котлоагрегате КА.

В котлоагрегате питательная вода сначала нагревается до Т_н1, равной температуре насыщения при давлении Р₁, в экономайзере Э, затем превращается в сухой насыщенный пар в паровом котле ПК и перегревается до температуры Т₁> Т_н1при Р₁=constв пароперегревателе ПП.

Прямое изображение этого цикла в фазовых диаграммах P-V,T-Sиi-Sневозможно, так как масса рабочего тела в процессах регенеративного цикла по схеме 1.31 переменна вследствие отборов пара в турбине.

На рис. 1.32 и 1.33 дано условное изображение регенеративного цикла Ренкина с частичным отбором пара для подогревателя и питательной воды.

Рис. 1.33 Условное изображение регенеративного цикла с частичным отбором пара на диаграмме i-S.

Рис. 1.32 Условное изображение регенеративного цикла с частичным отбором пара на диаграмме Т-S.

Отбираемые из турбины α₁кг пара совершают цикл 1-01-01’-5-6-1. α₂кг пара совершают цикл 1-02-02’-01’-5-6-1. α₃= 1- α₁- α₂кг пара совершают полный цикл 1-2-3-4-5-6-1. Удельная работа в регенеративном цикле Ренкина с частичным отбором пара из турбины по формуле (1.10)

А_ц=А_Т1+ А_Т2+ А_Т3– А_нас

В соответствии с формулами (1.9) и (1.7), которые записаны для 1 кг рабочего тела, в случае частичного отбора пара

А_Т1 = (i₁-i₀₁)*1кг – работа пара в первых ступенях турбины ПТ1

А_Т2 = (i₀₁-i₀₂)(1-α₁) – работа пара во вторых ступенях турбины ПТ2

А_Т3 = (i₀₂-i₂)(1-α₁- α₂) – работа пара в третьих ступенях турбины ПТ3

А_нас = А_п.н. + А_ДН1 + А_ДН2 – суммарная работа насосов ПН, ДН1 и ДН2

Тогда (1.40)

Или после простейших преобразований

А_ц = (i₁-i₂) – α₁(i₀₁-i₂) – α₂(i₀₂-i₂) - А_нас

(1.41)

Таким образом, удельная работа пара равна работе 1 кг пара при полном его расширении за вычетом работы, не выполненной ступенями турбины, перед которыми был произведен отбор пара.

В общем виде формулу (1.41) можно записать так:

(1.42)

где n₀– число регенеративных подогревателей, равное общему числу частичных отборов пара (число отборов пара может достигать 9);

j– номер отбора пара из турбины;

α_j – доля пара, отбираемого дляj-го подогревателя;

А_нас– работа насосов, количество которых зависит от типа регенеративных подогревателей и схемы их включения.

Подведенная в цикле теплота:

q₁=i₁ - i_п.в

где i_п.в. – энтальпия питательной воды, определяемая по заданной температуре Т_п.в.

Тогда термический КПД регенеративного цикла Ренкина с двумя отборами пара

(1.43)

Или в общем виде

(1.44)

Количество пара, отбираемого от турбины и подаваемого в подогреватель, определяется из баланса энтальпии. Энтальпия питательной воды, включая энтальпию подмешиваемого к ней конденсата из подогревателя, равна сумме энтальпии воды и пара отбора, поступающих в подогреватель.

(

i_п.в. = i_e(1- α₁) + α_1* i₀₁

1.45)

Энтальпия воды на входе в подогреватель Р1 (i_e) определяется по заданной температуре Т_е.

Из уравнения теплового баланса (1.45)

(1.46)

Аналогично можно записать уравнение баланса для воды в точке «е»

i_e(1-α₁) = i₄(1 -α­­­₁ – α₂) + α₂ * i₀₂

(1.47)

Откуда

(1.48)

П

ри А_нас≈0i₄ ≈ i₃, тогда

(1.49)

Значения α­­­₁ и α­­­₂ определяются из совместного решения уравнений (1.46) и (1.48).

При заданных значениях давления отборов Р₀₁и Р₀₂, а также Р₁, Т_1­и Р₂значенияi₀₁,i­₀₂,i₃определяются поi-Sдиаграмме и таблицам насыщенного пара.

Особенностью смешивающей схемы регенеративного подогрева, рассмотренной выше (рис. 1.31), является то, что питательный насос ПН, повышающий давление кипящей воды из конденсатора К от Р₂до Р₁, установлен сразу за конденсатором. Это повлекло за собой установку еще двух насосов: дренажного насоса ДН2 – для повышения давления конденсата в подогревателе Р2 с Р₀₂до Р₁, и дренажного насоса ДН1 – для повышения давления конденсата в подогревателе Р1 от Р₀₁до Р₁.

Рассмотрим еще одну смешивающую схему регенеративного подогрева, в которой значения энтальпий i_fиi_eзадаются гораздо проще, чем при схеме 1.31. На схеме 1.34 питательный насос ПН установлен после подогревателей Р1 и Р2. Верхняя часть схемы совпадает с рис.1.31 и поэтому не изображена.

Рис. 1.34 Вариант установки питательного насоса в смешивающей схеме подогрева питательной воды в паросиловой установке, работающей по циклу Ренкина с частичным отбором пара от турбины:

ПН – питательный насос;

Р1, Р2 – регенеративные подогреватели;

Н2, Н3 – насосы;

КА – котлоагрегат;

ПТ2, ПТ3 – вторая и третья группа ступеней турбины;

К – конденсатор.

В отличие от схемы 1.31, давление в подогревателе Р1 равно Р₀₁, а в подогревателе Р2 – Р₀₂. Обозначим:

­i₀₁– удельная энтальпия пара в первом отборе;

­i₀₂– удельная энтальпия пара во втором отборе;

­–энтальпия конденсата при давлении первого отбора Р₀₁;

­–энтальпия конденсата при давлении второго отбора Р₀₂;

­i₃() –энтальпия конденсата при конечном давлении пара Р₂на выходе из конденсатора.

(В некоторых изданиях и справочниках величина i₃обозначена как, по аналогии си).

Обычно полагают:

i_п.в. = i_f ≈ ,

i_{α ≈} ,

i_e ≈ i_c ≈ .

Тогда при двух отборах пара по формуле (1.43)

(1.50)

Уравнения баланса энтальпии для подогревателей Р1 и Р2 записываются аналогично (1.45) и (1.47)

≈(1- α₁) + α_1* i₀₁

(1-α₁) ≈(1 -α­­­₁ – α₂) + α₂ * i₀₂

(1.51)

и

(1.52)

Тогда (1.52)

и (1.53)

Значения иопределяются из совместного решения, уравнений (1.52) и (1.53). Значения,,,,определяются подиаграмме и таблицам насыщенного пара при заданных давлениях отбораи, а также,и.

Рассмотрим каскадную схему регенеративного подогрева с частичным отбором пара от турбины (рис 1.35)

Рис 1.35 Схема паровой теплосиловой установки, работающей по регенеративному циклу Ренкина с частичным отбором пара от турбины для подогрева питательной воды в поверхностных подогревателях (каскадная схема):

КА – котлоагрегат;

ПТ – паровая турбина;

ЭГ – электрогенератор;

К-конденсатор;

Р1, Р2 – подогреватели (регенераторы);

ПН – питательный насос.

В расчетах регенеративных циклов обычно считается, что в подогревателях вода нагревается до температуры конденсатора греющего пара.

Тогда баланс первого подогревателя

(1.54)

баланс второго подогревателя

(1.55)

Полезная работа в цикле Ренкина с регенерацией меньше, чем в обычном цикле Ренкина при тех же начальных и конечных параметрах пара.

Подведенная теплота в цикле с регенерацией меньше, чем в обычном цикле Ренкина, но превышает уменьшениев регенеративном цикле.

В итоге термический КПД регенеративного цикла получается больше КПД обычного цикла Ренкина

В цикле Ренкина с регенерацией среднеинтегральная температура теплоподвода выше за счет более высокой температуры питательной воды, подогреваемой в экономайзере.

Конечная температура теплоотвода при этом не изменяется, поэтому термический КПД в цикле с регенерацией увеличивается.

Преимущества цикла Ренкина с регенеративным подогревом питательной воды:

1. Увеличение КПД на 10-14% (чем выше начальное давление пара , тем больше прирост КПД).

2. Уменьшается габариты последних ступеней турбины из-за уменьшения количества пара, проходящего через них.

3. Уменьшаются поверхности нагрева экономайзеров, а теплоту дымовых газов используют для подогрева воздуха, подаваемого в горелки или в топку котла.

Для каждой установки, работающей по регенеративному циклу существует оптимальное значение температуры питательной воды, подаваемой в экономайзер.

Превышение этой температуры может привести к тому, что уменьшение из-за отбора от турбины пара с более высокими параметрами (,) может оказаться большим, чем уменьшение подводимой теплоты, в результате чего термический КПД начнет уменьшаться. Каждая последующая ступень регенеративного подогрева вносит все меньший и меньший вклад в рост.

Низкий термический КПД паросиловых установок, работающих по циклу Ренкина (30-40%), объясняется большими потерями теплоты () на получение пара. Недостатки паросиловых установок с регенеративным циклом:

1. Увеличение расхода пара при заданной мощности установки.

2. Применение подогревателей увеличивает габариты паросиловой установки, ее металлоемкость и стоимость.

Распределение мест отбора пара по ступеням турбины производится по результатам специального анализа, так как от этого зависит термический КПД паросиловой установки.