ПАРОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ

Паросиловые установки (ПСУ) предназначаются для получения электрической энергии и водяного пара, идущего на производственные нужды промышленных предприятий. В настоящее время все крупные химические заводы и комбинаты имеют свои собственные ПСУ.

На рис.20 представлена принципиальная схема паросиловой установки. ПСУ состоит из парового котла (1,1'), паровой турбины (2), конденсатора (3) и питательного насоса (4). Паровой котел является сложным инженерным сооружением. На схеме условно изображены лишь два его элемента – барабан котла (1) и пароперегреватель (1').

Рис. 20. Принципиальная схема паросиловой установки

Работа установки состоит в следующем. Питательная вода (конденсат и вода, возвращающаяся с предприятия) насосом (4) нагнетается в барабан парового котла (1). В барабане за счет химической теплоты топлива, которое сжигается в топке котла (топка на рис. 3 не показана), а в некоторых случаях за счет энергетического потенциала горючих или высокотемпературных вторичных энергоресурсов вода при постоянном давлении превращается во влажный насыщенный пар (Х = 0,9 – 0,95). Затем влажный насыщенный пар поступает в пароперегреватель котла (1'), где перегревается до заданной температуры. Перегретый пар направляется в паровую турбину (2). Здесь он адиабатно расширяется с получением полезной работы, которая с помощью генератора трансформируется в электрическую энергию. Современные турбины имеют ряд отборов, через которые пар направляется на технологические нужды цехов промышленного предприятия. После турбины отработанный пар направляется в конденсатор (3). Конденсатор представляет из себя обычный кожухотрубный теплообменник, основное назначение которого состоит в создании вакуума за турбиной. Это приводит к повышению теплопадения в турбине, что повышает экономичность цикла ПСУ. В конденсаторе за счет отвода теплоты от отработанного пара к охлаждающей воде он конденсируется. Полученный конденсат насосом (4) вновь подается в барабан котла.

Рис. 21. Цикл П.С.У. в Р – υ и Т – S диаграммах

На рис. 21 представлен цикл ПСУ в диаграммах Р – υ и Т – S. В этих диаграммах линия 1–2–3–4 соответствует изобарному процессу получения перегретого пара в паровом котле. Участок 1-2 характеризует процесс нагревания питательной воды до температуры кипения, участок 2-3 соответствует процессу парообразования, т.е. превращение воды в пар, участок 3-4 характеризует процесс перегрева пара. Линия 4-5 отражает адиабатный процесс расширения пара в турбине. Отрезок 5-6 – изобарный процесс конденсации пара в конденсаторе. Линия 6-1 характеризует процесс повышения давления питательной воды в насосе. Процесс повышения давления воды в насосе практически протекает при постоянной температуре и без теплообмена с окружающей средой. Кроме того, учитывая, что жидкости практически не сжимаются, это можно считать и изохорным. При этих условиях процесс 6-1 протекает при q = 0, Т = const, υ = Р – υ и Т – S и S = Р – υ и Т – S. Поэтому линия 6-1 в Т - S диаграмме трансформируется в точку.

При анализе циклов паросиловых установок вводятся следующие понятия:

1. Техническая работа турбины. Под технической работой турбины понимают работу всех термодинамических процессов цикла.

(7.11)

Для изобарного процесса 1-4 имеем:

(7.12)

В процессе адиабатного расширения пара в турбине:

(7.13)

При изобарном процессе конденсации в конденсаторе:

(7.14)

Для процесса 6-1, характеризующего техническую работу насоса при q = 0,

Т = const , υ = const и S = const, получаем

(7.15)

Следовательно:

(7.16)

2. Работа цикла. Работа цикла определяется как разность между технической работой Трубины и работой затрачиваемой насосом.

(7.17)

Оценка эффективности цикла ПСУ осуществляется с помощью коэффициентов полезного действия цикла. Различают термический и внутренний относительный КПД цикла. Под термическим коэффициентом полезного действия цикла понимают отношение работы цикла к теплоте, подведенной от верхнего источника. Работа цикла определяется по формуле (7.17). Верхним источником теплоты в данном случае являются дымовые газы, получаемые в процессе горения топлива, или высокотемпературные В.Э.Р.

Теплота от верхнего источника к рабочему телу (q₁) подводится в паровом котле в процессе 1-2-3-4. Эта теплота численно равна:

(7.18)

В этом случае термический КПД цикла ПСУ можно записать следующим образом:

(7.19)

На практике при анализе работы ПСУ часто используют формулу, не учитывающую работу насоса, ввиду ее малости по сранению с технической работой цикла:

(7.20)

где Δh – теплопадение в турбине.

В действительном цикле ПСУ адиабатный процесс расширения в соплах паровой турбины является необратимым. Необратимость связана с возрастанием энтропии, поэтому действительное теплопадение Δh_д меньше теоретического Δh. На рис. 22 представлено теоретическое и действительное теплопадение в паровой турбине в h - S диаграмме.

Рис. 22. Графическое представление теплопадения в турбине на h – S диаграмме.

Термический КПД реального цикла ПСУ определится по выражению:

. (7.21)

Отношение и и называют внутренним относительным КПД цикла:

. (7.22)

При расчетах паросиловых установок и ее отдельных элементов требуется знание массового удельного расхода пара. Теоретический массовый удельный расход пара в килограммах на 1 МДж составляет:

, (7.23)

где h₄ и h₅ - энтальпия, кДж/кг.

Потери от необратимости, уменьшая полезную работу, увеличивают удельный расход пара:

. (7.24)