7.3. Циклы паросиловых установок

В современной стационарной теплоэнергетике в основном используются паровые теплосиловые установки. На долю паротурбинных электростанций приходится более 80% вырабатываемой электроэнергии. В паровых теплосиловых установках в качестве рабочего тела, как правило, используется водяной пар, что объясняется доступностью и дешевизной воды.

На рисунке 7.8 приведена схема паросиловой установки.

Рисунок 7.8. Принципиальная

схема паросиловой установки

Из парового котла ПК перегретый пар с параметрами поступает в паровую турбину . При расширении в сопловом аппарате пар приобретает значительную кинетическую энергию, которая в роторе турбины превращается в техническую работу. Механическая энергия турбины превращается в электрогенераторе в электрическую энергию. После турбины пар с давлением р₂ и энтальпией h₂ поступает в конденсатор , представляющий собой теплообменник, в трубках которого циркулирует вода, охлаждающая пар. В конденсатор отводится теплота в количестве , в результате чего пар конденсируется. Конденсат подается насосом в котел, и цикл повторяется вновь. Таким образом, характерная особенность паросиловых установок — фазовое превращение рабочего тела в цикле,

Рассмотрим описанный замкнутый процесс в -, - и координатах (рисунок 7.9).

Точка 4 соответствует состоянию рабочего тела перед паровым котлом. В котле происходят: нагрев жидкости (4— 5), парообразование (5—6) и перегрев пара (6—1). Теплота , подведенная к 1 кг рабочего тела в изобарном процессе, равна разности энтальпий в конечной и начальной точках процесса .

В паровой турбине осуществляется адиабатный процесс расширения (1—2). В результате перегретый пар превращается в сухой насыщенный пар, а затем во влажный с параметрами точки 2. Конденсация пара происходит при постоянном давлении (процесс 2—3). Изобары в области влажного пара являются одновременно и изотермами, т. е. на участке 2—3 давление р₂ и температура Т₂ остаются неизменными.

При этом от рабочего тела отводится в окружающую среду количество теплоты .

Рисунок 7.9. Цикл Ренкина:

а  в -координатах; б  в - координатах; в  в - координатах

Процесс 3—4 подачи конденсата в котел насосом изображается изохорой, так как вода практически несжимаема. Точки 3 и 4 на - и -диаграммах не совпадают, но это отклонение столь мало, что им пренебрегают. Образованный таким образом термодинамический цикл называется циклом Ренкина (по имени шотландского физика, предложившего его в середине прошлого столетия).

Термический КПД цикла Ренкина

.

Как уже говорилось, можно принять, что , т. е.

(7.11)

где — энтальпия конденсата в точке 3.

Выражение в числителе равняется работе цикла.

Из приведенной формулы следует, что термический КПД цикла Ренкина определяется значениями энтальпий пара до турбины и после нее и энтальпии воды при температуре конденсации пара . Поэтому при определении значения цикла паросиловой установки удобно пользоваться - диаграммой.

Для повышения термического КПД паросиловой установки следует расширить пределы рабочего процесса, а именно повысить давление и температуру перегретого пара (т. е. повысить значение ) и понизить давление р₂ пара за турбиной.

На современных тепловых электростанциях начальное давление (применяется также сверхкритическое давление, равное 24 МПа), температура пара . Давление пара за турбиной р₂ = 3...5 кПа.

Так как с увеличением давления при постоянном предельном значении температуры повышается влажность пара в конце процесса расширения (на -диаграмме процесс сдвигается влево), то применяют промежуточный перегрев пара. Давление промежуточного перегрева выбирают так, чтобы работа цикла при этом увеличивалась в большей степени, чем расход теплоты (с учетом дополнительного расхода на промежуточный перегрев пара).

В паросиловой установке термический КПД повышается при ее работе по регенеративному циклу, что обусловлено приближением цикла к регенеративному циклу Карно. В регенеративном цикле паросиловой установки часть пара отбирается из турбины на участке расширения 1—2 и направляется в теплообменник, где, смешиваясь с конденсатом, повышает его температуру перед котлом. В результате такого мероприятия работа цикла несколько уменьшается, но вследствие снижения расхода теплоты в котле КПД цикла становится выше.

Оптимальные значения давления отбора пара из турбины (а следовательно, температуры подогрева конденсата) определяют на основании соответствующих технико-экономических расчетов.

Эффективность топлива, сжигаемого в паросиловой установке, можно повысить, если удаляемую теплоту (а она составляет не менее половины количества теплоты, подведенной от источника с более высокой температурой) исполь­зовать для отопления и горячего водоснабжения или для различных технологических процессов. В конденсационных электростанциях, предназначенных для выработки только электрической энергии, охлаждающая вода после конденсатора имеет температуру 20...35 °С, и использовать теплоту этой воды (ввиду низкой температуры она называется низкопотенциальной теплотой) практически сложно. Для нужд отопления, горячего водоснабжения и т. п. температура воды должна быть не менее 80…100 ^СС. Этого можно достигнуть, если повысить давление пара р₂, выходящего из турбины. Такие турбины называют турбинами с ухудшенным вакуумом. Если давление р₂ выше атмосферного, то турбины называют турбинами с противодавлением. Обычно давление пара за турбиной 0,10... 0,15 МПа, в то время как на станциях без отпуска теплоты потребителям р₂ =3... 5 кПа.

Станция, одновременно вырабатывающая электрическую энергию и теплоту для внешнего теплоснабжения, называется теплоэлектроцентралью (ТЭЦ).

Схема такой станции изображена на рисунке 7. 10. Диаграмма теплофикационного цикла в -координатах показана на рисунке 7.11.

Рисунок 7.10. Схема установки для совместной выработки электрической энергии и теплоты без регулируемого отбора пара из турбины:

ПК  паровой котел; Т  паровая турбина; К  конденсатор; Н  насос; ТП  тепловой потребитель

Рисунок 7.11. Диаграмма теплофикационного цикла в -координатах

На принципиальной схеме (рис. 7.10) цифры соответствует наиболее характерным точкам на диаграмме (см. рис. 7.11). Количество теплоты, которое можно использовать для отопления технологических процессов различных производств и т. д., определяют площадью 2— 4—8—7—2. Уменьшение полезной работы вследствие повышения давления за тепловой машиной равно площади 2—2'—4'—4—2, Поэтому термический КПД такого цикла ниже, чем у конденсационной установки, но общее использование теплоты значительно больше.

Характеристикой теплосиловых установок, вырабатывающих электрическую и тепловую энергию (ТЭЦ), служит коэффициент использования теплоты

, (7.12)

где — работа цикла, используемая до получения электрической энергии; — теплота, отпускаемая потребителю; —подвод теплоты от источника.

Теоретически может иметь значение, равное единице, а в реальных условиях коэффициент использования теплоты достигает величины 0,6... 0,8.

Существенный недостаток тепловых станций, работающих по схеме, изображенной на рисунке 7.10, заключается в том, что электрическая мощность и тепловая мощность (количество отпускаемой теплоты за единицу времени) не являются независимыми друг от друга. В то же время графики тепловой и электрической энергии могут не совпадать во времени. Более рациональны в этом отношении ТЭЦ, на которых применяют конденсационные турбины с промежуточными регулируемыми отборами пара при давлениях, необходимых для потребителей теплоты. Отбор называется регулируемым, поскольку система регулирования обеспечивает независимость параметров отбираемого пара от расхода пара через турбину.

Одна из таких схем показана на рисунке 7.12

Рисунок 7.12. Схема установки с турбиной с регулируемым отбором пара

Часть пара при давлении отбирается из промежуточных ступеней турбины и направляется потребителям. Остальная часть пара ( ) поступает в конденсатор. Теплота и электрическая энергия у турбин с регулируемым отбором пара, отпускаемые потребителю, могут изменяться независимо друг от друга. При необходимости предусматривается два или три регулируемых отбора с разными параметрами пара. При этом, как правило, для технологических потребностей, отбирается пар при более высоком давлении, а для систем отопления и горячего водоснабжения — при более низком. Кроме регулируемых отборов, осуществляются также нерегулируемые отборы пара, предназначенные для регенеративного подогрева воды после конденсатора.