10. Цикли паросилових установок

У сучасній стаціонарній енергетиці в основному використовуються паро-ві теплосилові установки. Робочим тілом у них є водяна пара – найдешевше і найбільш поширене в природі РТ. Характерною ознакою паросилового циклу є зміна у ньому агрегатного стану водяної пари. Ідеальним циклом паросилової установки є цикл Ренкіна. Теплова схема такого циклу показана на рис. 25, а зображення на діаграмах стану – на рис.26.

Рис.25. Схема циклу Ренкіна

1 – паровий котельний агрегат ; 2 – пароперегрівач; 3 – парова турбі-на; 4 – генератор електричної енергії; 5 – конденсатор; 6 – помпа.

У паровому котельному агрега – ті (1) теплота, що виділяється при згоранні палива, передається робочому тілу – воді, яка в межах котла перетворюється спочатку в насичену суху пару, а потім у пароперегрівачі (2) – в перегріту пару з параметрами точки 1: Р₁, Т₁, υ₁.

Із пароперегрівача пара надходить у парову турбіну (3), де розширюється і виконує роботу з обертання робочого колеса турбіни. У генераторі (4) виробляється електрична енергія, що і є кінцевою метою паросилового циклу. Із турбіни зім’ята пара виходить із параметрами т.2: Р₂, Т₂, υ₂ та надходить у конденсатор (5). У ньому пара віддає залишки не перетвореної в роботу теплоти охолоджуючій воді. Пара при цьому конденсується і за допомогою помпи (6) знову направляється в котел. Охолоджуюча вода нагрівається у конденсаторі й повертається в навколишнє середовище. Параметри конденсату після конденсатора (5) відповідають стану т.3: Р₃ = Р₂, Т₃ = Т₂, υ₃. Точка 4 характеризує стан конденсату на вході в котел: Р₄ > Р₃, Т₄ > Т₃, υ₄.

Рис. 26. Цикл Ренкіна з перегрітою парою в координатах P-υ ,T-S,i-S

Точка 4´ на діаграмах стану рис.26 відповідає стану киплячої води при тиску Р₁ = Р₄ = const, а точка 4" – стану сухої насиченої пари при Р₁ = Р₄ = const.

Розглянемо термодинамічні процеси – складові циклу Ренкіна:

процес 1-2 адіабатний процес розширення пари на лопатках

dq = 0 турбіни

S₁ = S₂ q_1-2 = 0;

l_1-2 = i₁ – i₂ ~ площі 1-2-3-4 у P-υ -діаграмі;

процес 2-3 ізобарно-ізотермічний процес конденсації водяної

P₂ = P₃ = const пари після турбіни, супроводжується віддачею теплоти

T₂ = T₃ = const q₂ у навколишнє середовище

q₂ = q_2-3 = i₃ – i₂, кДж/кг;

процес 3-4 адіабатне стискування конденсату в помпі; витрати на

dq = 0 стискування

S₃ = S₄ l_3-4 = i₄ – i₃ = υ ·(P₄ – P₃), кДж/кг.

Розрахунок показує, що витрати роботи у помпі на стискування конденсату, дорівнюють 5-10 кДж/кг, що становить 0,5-0,8 % від розраховува-ного перепаду ентальпій і₁ – і₂;

процес 4-4"

P₄ = P_4" складається з ізобарного процесу нагрівання води до

T_4′ T_4" киплячого стану (4-4´) й ізобарно - ізотермічного гене-

T_4′ > T_4" нерування сухої насиченої пари (4´- 4") у котлі

q_4-4" = i_4" – i₄;

процес 4"-1 ізобарний процес перегрівання пари у пароперегрівачі

P₄=P_4"=P₁ q_4"-1 = i₁ – i_4".

Загальна кількість теплоти на генерування пари у процесі 4-1

q_4-1 = i₁ – i₄, кДж/кг.

Корисна робота, що одержується у циклі,

l₀ = l_1-2 – l _3-4 = (і₁ – і₂) - (і₄ – і₃), або

l₀ = q₁ – q₂ = (і₁ – і₄) - (і₂ – і₃), кДж/кг. (136)

Якщо прийняти, що і₃ ≈ і₄ , а l_3-4 ≈ 0, то (136) можна записати у вигляді:

l₀ = і₁ – і₂.

За такої умови термічний ККД ідеального циклу Ренкіна буде визначатись за залежністю

, част.од. (137)

Аналіз (137) показує, що ККД паросилового циклу залежить від початкових і кінцевих параметрів робочого тіла:

• із підвищенням тиску Р₁ й температури Т₁ пари до турбіни ККД циклу збільшується. Але підвищення вказаних параметрів у реальних циклах обмежене властивостями металу. В даний час на теплових електростанціях використовується пара з температурою до 600⁰С і тиском до 16-18 МПа;

• із зменшенням тиску і температури на виході з турбіни (Р₂, Т₂) величина коефіцієнта корисної дії циклу збільшується. Для зменшення кінцевого тиску Р₂ на виході пари з турбіни створюють вакуум за допомогою конденсатора. Вакуум 3-4 кПа відповідає температурі насичення 28-35⁰С. При таких температурах проходить процес у реальних конденсаторах.

При зниженні тиску до 2 кПа температура Т₂ зменшується до 17,2⁰С, але підтримання такого низького вакууму проблематичне. Крім того, при зменшенні величини Р₂ збільшується об’єм пари і зростають розміри конденсатора. Температура охолоджуючої води обмежена до того ж температурою навколишнього середовища.

Таким чином, нижні параметри стану робочого тіла (води) також обмежені.

Крім ККД, економічність паросилового циклу характеризується питомими витратами пари й кількості теплоти на одиницю роботи відпо-відно d (кг/МДж) і q (кДж/МДж), що визначаються за залежностями

– питомі витрати пари , кг/кДж; (138)

– питомі витрати теплоти , кДж/МДж. (139)

Згідно з ідеальним циклом Ренкіна працюють конденсаційні електростанції (КЕС). Збільшення величини ККД таких станцій досягається за рахунок таких заходів:

• підвищення тиску і температури пари перед турбіною;

• зменшення тиску і температури у конденсаторі;

• додаткового перегрівання пари у двоступеневих пароперегрівачах;

• використання відпрацьованої у турбіні пари для нагрівання конденсату, що подається в паровий котел.

Зазначені заходи дають можливість підвищити ККД паросилового циклу на 8-10%, але у реальних конденсаційних електростанціях величина ККД не перевищує 35-40%. При цьому до 50% теплоти витрачається в конденсаторі. Отже, половина теплоти віддається охолоджуючій воді й марно втрачається у навколишньому середовищі.