Тема 2.9 Цикли паросилових установок

Самостійна робота № 11 Цикл Карно для водяної пари. Вплив основних параметрів пари на термічний к.к.д. циклу Ренкіна (2 год.)

Питання 1 Паросилова установка, призначення і складові

Паросилова установка – сукупність пристроїв, призначених для перетворення теплоти па-лива в енергію пари, яка в подальшому витрачається на вироблення механічної, електричної енергії. Вона включає в себе:

- паровий котел, в якому виробляється пара;

- турбіну, де протікає процес розширення пари від тиску до , за рахунок чого виконується

механічна робота обертання ротора;

- конденсатору, в якому відбувається конденсація відпрацьованої пари;

- живильного насосу для подачі конденсату в котел.

Рисунок 2.13 – Принципова схема паротурбінної установки

Принципова схема паротурбінної установки (ПТУ) показана на рисунку 2.13, а її робота здійснюється наступним чином. При спалюванні палива в топці парогенератора 1 утворюються димові гази, теплота котрих передається потім воді і парі через металеву стінку труб. Вода піді-грівається до кипіння і переходить в насичену пару, яка при русі через пароперегрівач 2 підсу-шується і перегрівається. Перегріта пара направляється в парову турбіну 3, де її теплота перехо-дить в механічну роботу обертання ротора турбіни. В електричному генераторі, який сидить на одному валу з турбіною, механічна робота переходить в електричну енергію. Після турбіни від-працьована пара з низьким тиском надходить в конденсатор 4, через який прокачується охолод-жувальна вода. Тут пара віддає теплоту воді і конденсується. Конденсат відкачується насосом 5, знову подається в парогенератор і цикл повторюється.

Питання 2 Цикл Ренкіна

Паросилові установки працюють за циклом Ренкіна, який є теоретичним циклом ПТУ. Його основна відмінність від циклу Карно в тому, що в конденсаторі відбувається повна конденсація пари, що надходить з турбіни. У зв’язку з цим замість громіздкого компресору застосовується більш компактний насос, в котрому внаслідок малої стисненості води робота, яка витрачається, в десятки разів менша, ніж в компресорі. В ПТУ ТЕС, які працюють по циклу Ренкіна, замість насиченої пари застосовують перегріту. Це забезпечує більш високі значення к.к.д. установки.

На рисунку 2.14 зображений в координатах і теоретичний цикл Ренкіна для 1 кг перегрітої пари. Внаслідок малої стисненості процес в насосі зображується ізохорою , при-чому точка знаходиться лівіше нижньої прикордонної кривої. Робота стиснення в насосі зобра-жується площею 4а2^І3, яка заштрихована на діаграмі.

Ізобарний процес а – в – с – 1 здійснюється в парогенераторі, причому ділянка а – в відпо-відає підігріву води до кипіння, ділянка в – с – пароутворенню і ділянка с – 1 – перегріву пари в пароперегрівачі.

Процес 1 – 2 є адіабатним розширенням пари в турбіні, а робота, яка здійснюється, дорів-нює різниці ентальпій і зображується площею 1234, а корисна робота пари в циклі зображу-ється площею а122^І.

Рисунок 2.14 – Цикл Ренкіна для перегрітої пари в і діаграмах.

Ізобарно – ізотермічний процес 2 – 2^І протікає в конденсаторі, де відпрацьована пара пов-ністю конденсується; стан конденсату визначається точкою 2^І , котра знаходиться на нижній прикордонній кривій.

Термічний ККД циклу Ренкіна

(2.48)

Отже, робота 1 кг пари, яка зображується площею а122^І, дорівнює різниці ентальпій адіа-батного розширення пари в турбіні

(2.49)

Питома витрата пари в паровій турбіні

, (2.50)

Питання 3 Цикл Карно для водяної пари

На рисунку 2.15 в координатах Р,v зображений теоретичний цикл Карно насиченої водяної пари.

Установка, яка працює за даним циклом, повинна складатися з парогенератора, парової турбіни, компресора і конденсатора. Ізобарно - ізотермічний процес а – в здійснюється в пароге-нераторі, в якому за рахунок підведеної теплоти кипляча рідина стану а переходить в суху наси-

пару стану в. Отримана пара по адіабаті в – с розширюється в турбіні і здійснює роботу, яка на діаграмі зображується площею евсf і визначається по формулі

(2.51)

Відпрацьована пара надходить в конденсатор, де здійснюється часткова конденсація внаслі-док віддачі теплоти охолоджувальній воді при постійних температурх і тисках по лінії с – d. Воло-га насичена пара стану d надходить в компресор, стискається по адіабаті d – a і знову переходить в рідину стану а, котра подається в парогенератор і цикл повторюється. Робота компресора на ри-сунку 19 зображується заштрихованою площею еаdf і визначається по рівнянню

(2.52)

Відпрацьована пара надходить в конденсатор, де здійснюється часткова конденсація внаслі-док віддачі теплоти охолоджувальній воді при постійних температурх і тисках по лінії с – d. Воло-га насичена пара стану d надходить в компресор, стискається по адіабаті d – a і знову переходить в рідину стану а, котра подається в парогенератор і цикл повторюється. Робота компресора на ри-сунку 19 зображується заштрихованою площею еаdf і визначається по рівнянню

(2.53)

В сучасних паротурбінних установках (ПТУ) тиск в конденсаторі підтримується в інтервалі 0,0035-0,005 МПа. Тому питома об’єм вологої пари , яка надходить до компресору, в багато ра-зів перевищує об’єм рідини. У зв’язку з цим компресор громіздкий і на нього витрачається велика кількість металу. Крім того, на стиснення вологої пари витрачається надмірно велика робота, яка

Рисунок 2.15 – Цикл Карно Рисунок 2.16 – Збільшення роботи, Рисунок 2.17 – Збільшення степені

для сухої насиченої пари яка є в наявності, циклу Ренкіна сухості пари при підвищенні його

з підвищенням його початкового початкової температури в циклі

тиску пари Ренкіна

складає значну частину роботи, що здійснюється парою в турбіні.

На підставі вище викладеного здійснення циклу Карно в ПТУ ускладнено і економічно не-вигідно, тому на практиці він не застосовується.

Питання 4 Вплив основних параметрів пари на термічний к.к.д. циклу Ренкіна

Термічний к.к.д. цикду Ренкіна по рівнянню

(2.54)

визначається значеннями ентальпій , і , які в свою чергу залежать від тиску і температу-ри пари, яка надходить в турбіну, та її тиску в кінці адіабатного розширення.

Розглянемо вплив кожного з параметрів - , і - на термічний к.к.д. В іs – діаграмі (рисунок 2.16) показані адіабатні процеси розширення при початковому тиску пари , який підвищується ( ) і постійних значеннях і . По діаграмі видно збільшення роботи циклу ( ) і зменшення початкової ентальпії пари . У відповідності з рівнянням (2.48) термічний к.к.д. збільшується. Одначе з підвищенням початкового тиску одночасно збільшується кінцева вологість пари ( ) , що викликає ерозійне зношення лопаток останніх ступеней турбіни і може призвести до аварії. Припустима кінцева вологість пари не може бути більше 10 – 12 %.

При підвищенні початкової температури і постійних тисках і збільшуються енталь-пія пари і робота циклу , котрі оказують протилежний вплив на (рисунок 2.17). Розрахунки показали, що робота росте більш інтенсивно, ніж ентальпія , і тому термічний к.к.д. збільшу-ється. З іs – діаграми (рисунок 2.16) також видно, що з підвищенням початкової температури відбувається збільшення кінцевої степені сухості пари. У зв’язку з цим зменшуються внутрішні втрати в турбіні і забезпечуються більш надійні умови її роботи. Термічний к.к.д. циклу підвищу-ється більш інтенсивно, якщо з підвищенням початкового тиску пари збільшується і його тем-пература , причому вологість пари в кінці адіабатного розширення залишається в припустимих межах. Все вище викладене пояснює, чому розвиток ПТУ супроводжувався одночасним підвищенням і тиску, і температури перегрітої пари.

Підвищення початкових параметрів пари і вимагає застосування якісних металів для виготовлення різних елементів парогенератору і турбіни, котрі дотикаються з парою високих пара-метрів і здатні тривалий час працювати без помітної зміни своїх властивостей. Зниження кінцево-го тиску пари при постійних і збільшує роботу циклу при незмінній ентальпії пари , і термічний к.к.д. підвищується.Одначе отримання глибокого вакууму в конденсаторі обмежується температурою охолоджувальної води, яка в свою чергу визначається районом розташування стан-ції і порою року.

При високих початкових параметрах пари ми глибокому вакуумі термічний к.к.д. циклу Ренкіна не перевищує 45-47 %.

Для виконання самостійної роботи № 11 необхідно зробити конспект теоретичної час-тини.