1.2.12 Теплофикационный цикл паросиловой установки

Конденсационными называются паросиловые установки, в которых вырабатывается электрическая или механическая энергия, а вся теплота конденсата уносится охлаждающей водой, обычно нагреваемой до 15…30^оС.

Низкая температура охлаждающей воды на выходе из конденсатора таких установок существенно затрудняет ее утилизацию. Термический КПД конденсационных паровых установок составляет 0,36…0,42, таким образом, в них теряется до 64% теплоты сгорания топлива.

Если повысить температуру охлаждающей воды до 70…100^оС, то ее можно использовать для теплоснабжения жилых и производственных зданий, а также в технологических процессах различных производств (сушка, варка и т.д.).

Для повышения температуры охлаждающей (циркуляционной) воды необходимо повысить температуру конденсации Т₂= Т_Н2за счет повышения конечного давления – давления на выходе из турбины (противодавления).

Паросиловые установки, которые вырабатывают не только электрическую, но и тепловую энергию для отопительных и технологических нужд, называются теплофикационными установками, или теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Теплофикация – это комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. Теплофикация получила широкое распространение в СССР и России.

Теплофикационный цикл паросиловой установки представлен на рис.1.36.

Рис.1.36 Циклы теплофикационной и конденсационной паросиловой установки:

теплофикационная установка;

_ _ _ _ _ конденсационная установка.

Работе цикла теплофикационной установки А_цтсоответствует площадь 1-2’-3’-4’-5-6-1.

Работе цикла конденсационной установки А_цсоответствует площадь 1-2-3-4-5-6-1.

Как следует из рисунка, повышение конечного давления (противодавления) и Р₂до Р_2Тпривело к уменьшению работы цикла от А_цдо А_цт. Теплоте, отводимой в конденсаторе теплофикационной установкиq_2Т,соответствует площадь 2’-3’-8-7-2’.

Теплоте, отводимой в конденсаторе конденсационной установки q₂, соответствует площадь 2-3-9-7-2.

Теплоте, подводимой к рабочему телу в экономайзере, паровом котле и пароперегревателе теплофикационной установки q_1Т, соответствует площадь 4’-5-6-1-7-8-4’.

Теплоте, подводимой к рабочему телу в конденсационной установке q₁, соответствует площадь 4-5-6-1-7-9-4.

Как следует из рисунка 1.36,

q_2Т>q₂

q_1Т<q₁

Тогда термический КПД теплофикационной установки

Будет меньше термического КПД конденсационной установки

Таким образом, повышение конечного давления Р2 при неизменных начальных параметрах Р1 и Т1, приводит к уменьшению термического КПД в теплофикационном цикле. Однако, экономичность теплофикационных установок при этом возрастает до 70…75% за счет высокой степени использования теплоты.

Для гибкого изменения соотношения между количеством вырабатываемой электрической и тепловой энергии на практике применяют теплофикационный цикл с регулируемым промежуточным отбором пара в конденсатор.

1.2.13. Бинарный состав паросиловой установки

На рис.1.37 представлены для сравнения циклы Ренкина и Карно при одинаковых значениях Т₁, Т₂и отводимой теплотыq₂.

Рис.1.37 Циклы Ренкина и Карно в одинаковом температурном диапазоне и равных значениях отводимой теплоты:

цикл Ренкина;

_ _ _ _ _ цикл Карно.

Полезной работе цикла Карно А_ц^карносоответствует площадь 1-2-3-4-1, а работе цикла Ренкина А_ц^ренк– площадь 1-2-3-5-6-1. Как следует из сравнения этих площадей, при одинаковых Т₁, Т₂иq₂работа цикла Ренкина значительно меньше работы цикла Карно. Чем больше значение температуры насыщения Т_Н1у рабочего тела при заданном давлении Р₁, тем ближе А_ц^ренкк А_ц^карно.

Термодинамическое совершенствоцикла характеризуется коэффициентом заполняемости

(1.56)

У разных веществ различная зависимость температуры насыщения Т_Нот давления. Казалось бы, что используя в качестве рабочего тела не воду, а другое вещество с более высокой температурой насыщения при том же давлении Р₁, можно существенно повысить А_ц^ренки η_tренк.

В качестве альтернативы воде рассматривались ртуть и дефинил.

К рабочему телу паросиловых установок предъявляются следующие требования:

1. Высокая критическая температура Т_крпри достаточно широком критическом давлении Р_кр.

2. Низкая температура насыщения Т_Нпри низких давлениях, близкая к температуре охлаждающей воды (10…15^оС).

3. Малая теплоемкость в жидкой фазе.

4. Высокая теплоемкость перегретого пара.

Вода удовлетворяет лишь второму требованию, так как при Р=3…6 кПа температура насыщения t_н= 25…35^оС.

Недостатком водяного пара как рабочего тела является сравнительно невысокая критическая температура t_к=374,14^оС при высоком критическом давлении Р_к=22,129 МПа.

Учетом всех требований к рабочему телу осуществить цикл Ренкина только в ртути или в дефиниле нельзя, поэтому реализуются так называемые бинарные циклы.

Бинарные циклы – это циклы с двумя рабочими телами.

В области высоких температур в бинарном цикле используется первоерабочее тело, имеющее высокую критическую температуруt_крпри достаточно низком критическом давлении Р_кр, то есть соответствующее лишь первому требованию к рабочим телам.

Второерабочее тело должно соответствовать второму требованию, то есть иметь при низких давлениях низкие температуры насыщения, превышающие температуру окружающей среды(охлаждающей воды) на 15…20 градусов. В качестве первого рабочего тепла используют ртуть, и в качестве второго – воду.

На рис 1.38 представлена принципиальная схема бинарной ртутно-водяной паросиловой установки.

Рис 1.38 Схема бинарной ртутно-водяной паросиловой установки :

РПК – ртутный паровой котел; РЭ – ртутный экономайзер; РПН – ртутный питательный насос; РПТ – ртутная паровая турбина; К-И – конденсатор-испаритель; ВПТ – пароводяная турбина; ВПП – водяной пароперегреватель; ЦН – циркуляционный насос охлаждающей воды; ЭГ – электрогенератор.

На рис 1.39 представлен цикл бинарной установки в диаграмме .

Зависимость между давлением и температурой насыщения воды и ртути представлена на рис 1.40.

Рис 1.39 Цикл бинарной ртутно-водяной установки в диаграмме :

Ртутный цикл

Пароводяной цикл

Рис 1.40 Зависимость между давлением и температурой насыщения воды и ртути.

Процессы ртутного цикла:

1Р-2Р – адиабатное расширение ртутного пара на лопатках ртутной турбины РПТ; 2Р-3Р – конденсация ртутного пара в конденсаторе-испарителе К-И при ис передачей теплотына испарение воды;

3Р-4Р – сжатие жидкой ртути насосом РПН с повышением давления от до;

4Р-5Р – подогрев жидкой ртути при до температуры кипенияв ртутном экономайзере РЭ;

5Р-1Р – парообразование ртути в ртутном котле РПК.

Процессы пароводяного цикла:

1-2 – адиабатное расширение водяного пара на лопатках пароводяной турбины ВПТ с понижением давления от дои температуры отдо;

2-3 – конденсация водяного пара при ив конденсаторе водяного пара ВК;

3-4 – сжатие воды в насосе ВПН от до;

4-5 – подогрев воды при до температуры кипениятеплотой конденсации ртутного парав конденсаторе-испарителе К-И;

5-6 – парообразование воды в конденсаторе-испарителе К-И при и;

6-1 – перегрев водяного пара при отдов водяном пароперегревателе ВПП за счет теплоты, получаемой от продуктов сгорания топлива в котле ртутного котла РПК.

Температура насыщенного ртутного пара выбирается исходя из допустимых значений температуры для материалов установки (540…600 градусов) и допустимых значений давления для ее конструкции. (Для справки: температуре насыщения ртутного парасоответствует давление)

Конечное давление для ртути выбирают в зависимости от начального давления для водыиз условия

Так при и

и соответственно .

Энтальпия насыщенного ртутного пара от дов 10…12 раз меньше энтальпии воды из водяного конденсатора ВК () и ее сухого насыщенного пара (и2). Для стационарной теплопередачи от ртутного пара к воде из конденсатора ВК и ее насыщенному пару в конденсаторе-испарителе К-И массовый расход ртути (циркуляционная масса ртути) в ртутном цикледолжен быть в М раз больше массового расхода воды в пароводяном цикле.

Обозначим (1.57)

(1.57) – кратность циркуляции ртути.

Из теплового баланса конденсатор-испаритель К-И

(1.58)

При и, соответственно,окончательно получим

(1.59)

или (1.60)

Термический КПД бинарного цикла

(1.61)

(1.62)

где (1.63)

- теплота, подведенная в ртутном котле РПК при к М кг ртути в процессах 4Р-5Р и 5Р-1Р, а также к 1 кг водяного пара прив процессе его перегрева 6-1 отдо.

При одинаковых температурных пределах Т₁…Т₂и с учетом потерь теплоты в реальных процессах

Так, при Т₁= Т_Н1Р = 500^оС, Т_Н2= 30^оС и Р₁= 2,4 МПа получено

, а

В зависимости от выбранных параметров бинарного цикла кратность циркуляции ртути М = 10…12, то есть на 1 кг водяного пара требуется 10…12 кг ртути.

Справка:

Для ртути Т_кр= 1400^оС, Р_кр= 98 МПа.

При Р=0,00405МПа температура насыщения ртути составляет 217^оС. (Для сравнения, у воды при том же давлении Р=0,00405МПа температура насыщения Т_н=27^оС).

С целью предотвращения замерзания жидкости, охлаждающий конденсатор второго (нижнего) теплоносителя, в северных районах в холодное время года применяют в качестве второго теплоносителя низкокипящие жидкости, в частности, фреон-12. Пример такой ПСУ представлен на рис.1.41 и 1.42.

Рис.1.41 Схема паросиловой установки с бинарным циклом вода-фреон-12.

Рис.1.42 Бинарный цикл вода-фреон-12 в T-Sдиаграмме

ВПК – водяной паровой котел;

ВПП – водяной пароперегреватель;

ВПТ – водяная паровая турбина;

ВПН – водяной питательный насос;

К-И – конденсатор-испаритель;

ФПТ – фреоновая паровая турбина;

ФК – конденсатор фреона;

ФПН – фреоновый питательный насос.