Регенеративный цикл паротурбинной установки

Регенеративным циклом ПТУ обычно называется такой цикл, в котором осуществляется подогрев питательной воды за счет теплоты пара, отбираемой из различных точек проточной части турбины. Пар отбирается из турбины после того, как он пройдет ряд ее ступеней и совершит работу; при этом давление понижается от начального p₁ до давления р⁰, которое поддерживается в отборе.

Отбираемый пар направляется в подогреватели, куда также поступает конденсат или питательная вода. Здесь в результате теплообмена пар конденсируется, а вода нагревается и затем подается в парогенератор. Конденсат отборного (греющего) пара также поступает в парогенератор.

Для подогрева воды применяются поверхностные и смешивающие подогреватели, которые называются регенеративными подогревателями. В смешивающих подогревателях вода нагревается до температуры кипения в результате смешения воды и конденсата пара, в поверхностных подогревателях вода не догревается на 2-3°С до температуры кипения, так как теплообмен между паром и водой происходит через разделяющую их поверхность труб.

Рисунок 13.11 – Принципиальная схема ПТУ с двумя смешивающими регенеративными подогревателями

Экономически целесообразно подогревать питательную воду последовательно в нескольких подогревателях, количество которых устанавливается технико-экономическим расчетом. Число и места отборов пара зависят от многих факторов и в первую очередь от начальных параметров пара (р₁и t₁), мощности установки и конечной температуры подогрева питательной воды.

В современных мощных ПТУ подогрев питательной воды осуществляется в регенеративных подогревателях поверхностного типа, количество которых может доходить до десяти.

Рассмотрим особенности регенеративного цикла применительно к ПТУ с двумя смешивающими подогревателями, схема которой изображена рисунке 13.11.

Процессы в установке протекают следующим образом. Из парогенератора ПГперегретый пар с давлением p₁ и температурой t₁поступает в турбину Т. Здесь одна часть пара расширяется до давления р⁰₁<p₁ , поступает в первый отбор (точка а) и направляется в смешивающий подогреватель СП-1. Другая часть пара расширяется до более низкого давления р⁰₂<p⁰₁ и поступает во второй отбор (точка b), откуда направляется в смешивающий подогреватель СП-2.

Основная (третья) часть пара проходит все ступени турбины, расширяется до конечного давления р₂ и поступает в конденсатор К, где полностью конденсируется. Образующийся конденсат, называемый основным, последовательно прокачивается конденсатными насосами КНчерез смешивающие подогреватели СП-2и СП-1. В каждом из них основной конденсат смешивается с конденсатом отборного пара и ступенчато подогревается до температуры кипения, соответствующей давлениям отборов р⁰₂ и p⁰₁. После подогревателей нагретая вода питательным насосом ПН подается снова в парогенератор, чем и заканчивается цикл.

Для исследования и расчета основных характеристик регенеративного цикла применяются следующие обозначения:

- α₁ – доля пара, поступающего в первый отбор;

- α₂ – доля пара, поступающего во второй отбор;

- 1-α₁-α₂ – доля пара, поступающего в конденсатор.

Параметры пара, поступающего в турбину: давление p₁, температура t₁и энтальпия i₁.

Параметры пара первого отбора: давление p⁰₁, температура t⁰₁ энтальпия i⁰₁ энтальпия его конденсата i^0’₁.

Параметры пара второго отбора: давление p⁰₂, температура i⁰₂, энтальпия i⁰₂энтальпия его конденсата i^0’₂.

Параметры пара при входе в конденсатор: давлениеp₂энтальпия i₂энтальпия его конденсатораi^’₂.

Процесс расширения пара и турбине считается обратимым адиабатным; гидравлические и тепловые потери трубопроводов отборного пара и тепловые потери подогревателей не принимаются во внимание, работа насосов не учитывается. При указанных условиях состояния пара в i-s–диаграмме находятся как точки пересечения соответствующих изобар и адиабаты расширения (рисунок 13.12).

Энтальпии пара находятся непосредственно из i-s–диаграммы; энтальпии конденсата – при помощи таблиц водяного пара. Количество пара, поступающего в подогреватели из отборов турбины, находят из теплового баланса подогревателей.

Составим эти тепловые балансы и найдем соответствующие доли α₁ и α₂.

Рисунок 13.12 – Адиабатный процесс расширения пара в регенеративном цикле

Подогреватель СП-2.В этот подогреватель из конденсатора поступает 1-α₁-α₂ кг воды, из второго отбора – α₂ кг пара и выходит 1-α₁ кг воды. Учитывая ранее принятые обозначения, составим уравнение теплового баланса (рисунок 13.11)

. (13.17)

После преобразований получим

(13.18)

Подогреватель СП-1.В этот подогреватель из первого отбора поступает α₁ кг пара, из подогревателя СП-2 – 1-α₁ кг конденсата и выходит 1 кг воды (рисунок 13.11). В соответствии с принятыми обозначениями тепловой баланс подогревателя выражается уравнением

, (13.19)

откуда

(13.20)

После подогревателя СП-1 вода с энтальпией i^0’₁. поступает в парогенератор и превращается в перегретый пар. Количество теплоты, затраченной в парогенераторе для получения 1 кг перегретого пара, составляет

, (13.21)

что меньше, чем в цикле Ренкина.

Количество теплоты, отданной в конденсаторе охлаждающей воде, на 1 кгпара, поступающего в турбину, найдем по уравнению

(13.22)

что тоже меньше, чем в цикле Ренкина.

Термический К.П.Д. регенеративного цикла выражается уравнением

(13.23)

Работа 1 кг пара в рассматриваемом регенеративном цикле может быть определена следующим образом. Часть пара, поступающая в первый отбор при понижении давления отp₁ до p⁰₁, совершает работу

(13.24)

Другая часть пара, расширяясь между начальным давлением p₁ и давлением отбора p⁰₂, совершает работу

(13.25)

Оставшаяся основная часть пара проходит через всю турбину, расширяется и понижает давление от начального p₁ до конечного р₂, работа этой части пара равна

. (13.26)

Суммарная работа трех потоков есть работа 1 кг пара

. (13.27)

После преобразований уравнение (13.27) приводится к виду

(13.28)

Из сравнения уравнений (13.6) и (13.28) видно, что при одних и тех же начальных и конечных параметрах работа 1 кг пара в цикле Ренкина l_Рен больше, чем в регенеративном цикле, т. е. l_Рен > l_рег.

Используя уравнения (13.28) и (13.21), получаем другое выражение для определения термического К.П.Д. регенеративного цикла:

(13.29)

Таким образом, при осуществлении регенеративного цикла затрата теплоты в парогенераторе q₁ и работа 1 кг пара будут меньше, чем в цикле Ренкина. Однако теплота q₁уменьшается более интенсивно, чем работа, и поэтому термический К.П.Д. регенеративного цикла всегда больше, чем в цикле Ренкина. Экономичность регенеративного цикла повышается с увеличением начальных параметров пара p₁, t₁и числа отборов; термический К.П.Д. цикла может быть на 10-12% выше, чем в цикле Ренкина.

Удельный расход пара может быть определен из выражения

. (13.30)

Поскольку l_Рен > l_рег, то удельный расход пара будет больше, чем в цикле Ренкина.

Применение регенеративного подогрева поды не только повышает термический К.П.Д., но и оказывает большое влияние на конструктивное выполнение основных агрегатов паротурбинной установки.