2. Нерегенеративные тепловые схемы ктэу

Тепловые схемы простейших КТЭУ

Для построения тепловой схемы простейшей котлотурбинной установки открытого цикла (рис. 71) достаточно трех элементов: главного котла, главной турбины и насоса. В такой тепловой схеме питательный насос подает забортную воду в паровой котел. Котел вырабатывает перегретый пар заданных параметров с энтальпией i ₁ в количестве G_K . Весь выработанный котлом пар направляется в главную турбину (G_r=G_K ). Совершивший в турбине полезную работу пар выбрасывается в атмосферу.

Такая тепловая схема в принципе работоспособна, но на практике применялась только на заре возникновения судовых паросиловых установок. Питание забортной водой современных высоконапряженных паровых котлов приводит к интенсивному накипеобразованию и выходу из строя трубных поверхностей нагрева. Выброс пара из турбины в атмосферу снижает КПД цикла и приводит к необходимости постоянного пополнения рабочего тела из внешнего источника. Для открытого цикла КТЭУ характерны следующие термодинамические процессы:

2' - 3 - сжатие воды в насосе;

3-4 - подогрев питательной воды до температуры кипения;

4-5 - испарение воды в котле;

5-1 - перегрев пара в пароперегревателе;

1-2 - расширение пара в турбине до атмосферного давления;

2-2' - условный замыкающий процесс охлаждения пара в атмосфере.

В тепловой схеме КТЭУ закрытого цикла (рис. 72) к прежним трем элементам добавляется четвертый - главный конденсатор. В такой тепловой схеме весь пар, выработанный котлом - G_K , с энтальпией i ₁ направляется в главную турбину (G_r=G_K). Отработавший в главной турбине пар с энтальпией i₂ поступает в главный конденсатор, где от него отводится теплота к забортной воде. При охлаждении пар конденсируется, образовавшийся конденсат с энтальпией i₂ забирается насосом и подается в главный котел. В главном конденсаторе, за счет значительного уменьшения объема пара при его конденсации, образуется вакуум, в результате чего обеспечивается более полное расширение пара в главной турбине до давления ниже атмосферного - _Рк .

Так как при сжатии в насосе изменения термодинамического состояния конденсата не происходит, то считаем значения энтальпии конденсата после главного конденсатора, на выходе из насоса, и питательной воды на входе в котел, равными: 1=i ₃=i_т. Рассмотренная простейшая тепловая схема КТЭУ закрытого цикла работает в полном соответствии с термодинамическим циклом Ренкина. Для закрытого цикла КТЭУ характерны следующие термодинамические процессы:

1-2 - расширение пара в главной турбине до давления в главном конденсаторе;

2-2' - конденсация пара в главном конденсаторе;

2'-3 - сжатие конденсата в насосе;

3-4 - подогрев питательной воды до температуры кипения в котле;

4-5 - испарение воды в котле;

5-1 - перегрев пара в пароперегревателе котла.

Рис. 72. Тепловая схема и термодинамический цикл простейшей КТЭУ закрытого типа.

Кр - главный конденсатор;

р_к - давление в главном конденсаторе; р_а - атмосферное давление.

КПД любого теплового двигателя равен отношению полезной теплоты к затраченной. В тепловых схемах КТЭУ полезной теплотой считается теплота, отданная паром в главной турбине. Значение полезной теплоты равно произведению расхода пара в главной турбине на яазность энтальпий пара на входе в турбину и на выходе из нее: Затраченной теплотой считается теплота, ушедшая на парообразование и перегрев пара в котле. Ее значение равно произведению паропроизводительности котла на разность энтальпий перегретого пара на выходе из котла и питательной воды на входе в него: Или, с учетом равенства . На основании

изложенного, выражение для КПД тепловой схемы будет иметь вид:

Учитывая, что для простейшей тепловой схемы КТЭУ весь пар, выработанный котлом направляется только на главную турбину выражение для КПД тепловой схемы, работающей по циклу Ренкина, примет вид:

В теории ПСУ с целью упрощения расчетов принимаются следующие допущения:

• полезная работа совершается только в главной турбине;

• КПД котла, главной турбины и ВМ равны 1,0 (100 %);

• отсутствуют гидравлические и тепловые потери в трубопроводах;

• площади теплообмена в теплообменных аппаратах (ТОА) равны бесконечности (идеальная теплопередача).

Тепловая схема КТЭУ со вспомогательными механизмами,

Работающими на вакуум (СХЕМА «К»)

В любой котлотурбинной установке в состав обслуживающих систем входит достаточно большое количество вспомогательных механизмов, в большинстве своем имеющих турбопривод. Наиболее простым способом включения вспомогательных турбомеханизмов в тепловую схему является подача на их турбоприводы пара полных параметров, вырабатываемого главным котлом, и сброс отработавшего во вспомогательных механизмах пара в главный конденсатор (т.е. включение турбоприводов ВМ параллельно главной турбине). С точки зрения теплотехники работа тепловой схемы не зависит от количества турбоприводов, поэтому для упрощения схемы объединим все турбоприводы вспомогательных механизмов в один привод насоса питательной воды.

Тепловая схема КТЭУ со вспомогательными механизмами, работающими на вакуум, показана на рис. 73. Пар из котла с расходом G_K и энтальпией i ₁ поступает на главную турбину - G_r, и на турбоприводы вспомогательных механизмов - G_BM. Из главной турбины и турбоприводов ВМ отработавший пар с энтальпией i₂ сбрасывается в главный конденсатор. Конденсат с энтальпией i'₂ забирается насосом и подается в главный котел.

В этой тепловой схеме, благодаря наличию турбоприводов ВМ, появляется вспомогательный цикл КТЭУ. Но поскольку начальные параметры пара для главной турбины и турбоприводов ВМ одинаковы, как одинаковы и параметры отработавшего в них пара, то главный и вспомогательный циклы полностью совпадают, и ничем не отличаются от термодинамического цикла простейшей КТЭУ, работающей по циклу Ренкина.

Затраченная работа в такой установке равна соответствует теплоте, ушедшей на испарение водыи перегрев пара в паровом котле

Полезная работа цикла равна и соответствует

работе, совершенной паром в главной паровой турбине.

Соответственно КПД схемы «К»:

Отношение- называется относительной паропроизводительностъю котлов.

Отношение - КПД идеалъного циклаРенкина.

Учитывая вышеизложенное, КПД простейшей тепловой схемы ПСУ со вспомогательными механизмами, примет вид:

Относительная паропроизводительность котлов fi может принимать значения от 1.15 - на полных ходах, до 2.0 - на малых ходах.

Тепловая схема КТЭУсо вспомогательными механизмами,

Работающими на противодавление (схема «я»)

Тепловая схема с работой вспомогательных механизмов на вакуум имеет свои недостатки. При включении ВМ в работу параллельно главной турбине в турбоприводах вспомогательных механизмов приходится срабатывать теплоперепады, равные теплоперепаду главной турбины. Это приводит к следующим явлениям:

• увеличению удельного объема пара при расширении в турбоприводах вспомогательных механизмов, и соответственно, к увеличению диаметров трубопроводов отработавшего пара и малогабаритных показателей как турбоприводов вспомогательных механизмов, так и всей КТЭУ в целом;

• снижению надежности установки из-за работы части паропроводов под давлением ниже атмосферного;

• определенным трудностям при проектировании экономичных турбин приводов вспомогательных механизмов малой мощности.

Снизить значение теплоперепадов, срабатываемых в турбинах ВМ, возможно, если заставить турбомеханизмы работать не на вакуум, а на давление выше атмосферного. С этой целью на трубопровод отработавшего пара вспомогательных механизмов устанавливают автоматический клапан, поддерживающий за турбинами приводов ВМ постоянное давление выше атмосферного - p_отр. При превышении давления в трубопроводе отработавшего пара выше заданного, клапан открывается и перепускает излишки отработавшего пара в главный конденсатор. При понижении давления клапан полностью закрывается, восстанавливая заданное значение давления. Трубопровод отработавшего пара от турбоприводов ВМ до автоматического клапана называют системой отработавшего пара вспомогательных механизмов, а сам клапан - клапаном излишков отработавшего пара. При перепуске излишков пара в главный конденсатор через клапан излишков, в нем происходит процесс дросселирования пара от давления в системе отработавшего пара p_ОТР, до давления в главном конденсаторе - p_к.В главном конденсаторе пар вспомогательных механизмов смешивается с паром главной турбины, охлаждается и конденсируется. Конденсат, образовавшийся из пара главной турбины и пара ВМ, забирается насосом и подается в главный котел. В итоге в турбоприводах ВМ срабатывается теплоперепад, соответствующий процессу 1-2,_м, а в главной турбине -соответствующий процессу 1-2.

Тепловая схема и термодинамический цикл КТЭУ с ВМ, работающими на противодавление (схема «П»).

КИ - клапан излишков; Р_ОТР - давление в системе отработавшего пара ВМ;

Главный цикл КТЭУ: 1-2-2'-3-4-5-1;

Вспомогательный цикл КТЭУ: 1 - 2_ВМ - g - k - 2' -3-4-5-1.

Главный цикл КТЭУ состоит из термодинамических процессов:

1-2 - расширение пара в главной турбине до давления в главном конденсаторе;

2-2' - конденсация пара главной турбины в главном конденсаторе;

2'-3 - сжатие конденсата в насосе;

3-4 - подогрев питательной воды до температуры кипения в котле;

4-5 - испарение воды в котле;

5-1 - перегрев пара в пароперегревателе котла;

К вспомогательному циклу КТЭУ относятся следующие процессы:

- дросселирование отработавшего пара в клапане излишков до давления в главном конденсаторе (изоэнтальпный процесс);

- охлаждение отработавшего пара ВМ в главном конденсаторе до температуры насыщения;

- конденсация отработавшего пара ВМ в главном конденсаторе;

- сжатие конденсата в насосе;

- подогрев питательной воды до температуры кипения в котле;

- испарение воды в котле;

- перегрев пара в пароперегревателе котла.

Применение в тепловых схемах турбоприводов ВМ, работающих на вакуум или на противодавление, приводит к дополнительным потерям теплоты в цикле КТЭУ, и дополнительным затратам топлива в котле на генерирование пара для работы вспомогательных механизмов. По этой причине КПД любого цикла КТЭУ со вспомогательными механизмами всегда меньше КПД цикла Ренкина.

Работа вспомогательных механизмов на противодавление приводит к дополнительным потерям тепла во вспомогательном цикле:

где:

-потеря тепла по пару - потеря тепла по воде

Вывод КПД цикла с ВМ, работающими на противодавление:

КПД цикла ПСУ: , но

Расход пара на вспом. механизмы: Расход пара на главные механизмы: Отсюда:

где :относительная мощность вспомогательных

механизмов.

Рассмотрим дробь:

Умножим числитель и знаменатель дроби на

в этой дроби:

где:

- коэффициент охлаждения, показывающий относительное

увеличение затрат тепла в котле на 1 кг пара, работающего во вспомогательных механизмах;

- КПД цикла Ренкина для вспомогательных механизмов. С учетом изложенного КПД ПСУ, выполненной по «Схеме П» выглядит:

Таким образом, появление в схеме клапана излишков КИ привело к появлению , связанного с потерей - и , связанного с

потерей