Циклы паровой турбинной установки

Простой цикл (цикл Ренкина) - это цикл с полным расширением пара. Термический КПД идеального цикла Ренкина составляет η_t = 0,35-0,45. Величина η_t, находится в прямой зависимости от начальных параметров пара и в обратной — от давления в конденсаторе.

С учетом допустимой влажности пара в последних ступенях турбины для каждого из значений температуры перегрева Тпе и давления в конденсаторе Pх имеется свое оптимальное значение начального давления Pnк , при котором конечная влажность х_доп не превышает указанной величины. Такие параметры — давление перегрева и температура — называются сопряженными. Для t_пе = 510 ÷ 520 °С сопряженное давление Pп.к= 6 ÷ 8 МПа, для t_пе= 450 ÷ 480 °С соответственно P_п.к = 4 ÷ 5 МПа.

Идеальный регенеративный цикл. Регенеративным называется такой цикл, который осуществляется в контуре ГД ПТУ при условии использования для подогрева питательной воды пара, частично совершившего работу расширения в турбине.

Сущность регенеративного цикла заключается в том, что уменьшаются потери теплоты в конденсаторе (самые большие потери в ПТУ) в связи с тем, что теплота некоторой части пара, совершившего полезную работу в турбине, используется для подогрева питательной воды. Естественно, что в этих условиях мощность турбины понизится, но не пропорционально количеству отобранного пара, поскольку он совершил полезную работу прежде, чем был отобран.

Идеальный регенеративный цикл — это цикл, в котором подогрев воды происходит в бесконечно большом числе подогревателей питательной воды при условии бесконечно малого повышения температуры воды в каждом из них. Идеальный регенеративный цикл будет называться предельным, если вода подогревается до температуры насыщения при соответствующем давлении в котле. В этом цикле теоретически можно получить наименьший удельный расход теплоты. Однако на практике реализовать предельный регенеративный цикл трудно.

На рисунке 4.10, а приведен идеальный предельный регенеративный цикл для насыщенного пара. Считается, что цикл осуществляется в ПТУ с таким теоретически предполагаемым двигателем, в котором процесс расширения пара (ломаная 5-6) эквидистантен процессу подогрева питательной воды.

Рисунок 4.10 - Идеальный предельный регенеративный цикл для пара:

а - насыщенного; б - перегретого: 1-2 - подогрев питательной воды; 2—3 - парообра­зование; 3-4 - перегрев пара; 4-5 - расширение пара в турбине; 5-6 - расширение пара в турбине и отдача теплоты питательной воде; 6-1 - конденсация пара в конденсаторе

Вода подогревается во всей области при бесконечно малой разности температур пара и питательной волы. Из условия равенства количества теплоты, отданной паром и воспринятой водой при подогреве, площади 1—2—2'—I'—1 и 5—5'—6'—6—5 на диаграмме sT равны, а линии 1—2 и 5—6 эквидистантны. Подводимая теплота в цикле тратится только на испарение воды в процессе 2— 5.

Тогда количество теплоты, затраченной в цикле на получение 1 кг пара, q₁ = Тн (s₃ – s₂)=S 2—5—5'—2'—2, а количество теплоты, отданной 1 кг пара в процессе 6—1 в конденсаторе,

q₂= = Tx(s_o—s₁)==пл. 6—6'—1'—1'—6.

Поскольку S₆—S₁ = S₃—S₂, то термический КПД идеального регенеративного цикла для насыщенного пара

будет равен КПД цикла Карно при тех же значениях максимальной и минимальной температур.

Идеальный предельный регенеративный цикл для перегретого пара приведен на рисунке 4.10, б. Здесь идеальный обратимый процесс подогрева питательной воды начинается в тот момент, когда температура пара, совершающего работу в турбине, достигает значения температуры Тн насыщения воды в котле. Поскольку в этом цикле средняя температура подвода теплоты выше, чем в цикле для насыщенного пара, то и термический КПД соответственно больше.

В рассмотренных циклах расход рабочего тела остается постоянным во всех ступенях турбины, и его состояние изменяется за счет процесса расширения и теплообмена с питательной водой. На самом деле после каждого отбора пара его расход через следующую ступень турбины уменьшается. Отсюда и потеря мощности турбины в целом.

В действительности при конечном числе отборов пара из турбины для регенеративного подогрева питательной воды процесс 5—6 (см. рисунок 4.10) будет ступенчатым (число ступеней будет соответствовать числу отборов пара).

Цикл с промежуточным перегревом пара. Многоступенчатый подвод теплоты в цикле является одним из способов повышения термического КПД. В судовых ПТУ такой подвод осуществляется в виде промежуточного перегрева пара (ППП). Суть его состоит в том, что пар после расширения в ТВД вторично перегревается при постоянном давлении и поступает в ТСД и ТНД, где расширяется до конечного давления.

Идеальный цикл с ППП приведен на рисунке 4.11. Здесь сложный цикл 1—2—3—4—5— 6—7—1 можно представить состоящим из двух простых: основного 1—2—3—4—5'—1 (цикл Ренкина) и дополнительного 5'—5—6—7—5'.

Полезную работу основного и дополнительного циклов можно записать так:

Тогда термический КПД идеального цикла с ППП определится зависимостью

,

Здесь q₁ — полное количество теплоты, подведенной в цикле к 1 кг рабочего тела, в том числе в основном цикле (q_1R) и дополнительном ( ). Приведенное выражение можно преобразовать к виду

,

где и - КПД соответственно основного и дополнительного циклов.

Рисунок 4.11 - Идеальный цикл с однократным ППП

Из последней формулы следует, что КПД цикла с ППП выше КПД основного цикла при условии > . На практике выигрыш от введения ППП оценивают не по этому выражению, а сопоставлением КПД сложного и простого циклов при той же макси­мальной температуре перегрева и сопряженном с ней начальным давлением. В этом случае применение ППП может оказаться целесообразным и при < ..

Введение ППП сдвигает процесс расширения пара на диаграмме sT вправо в область низких давлений. Это позволяет снизить степень, влажности в последних ступенях турбины и существенно повысить начальное давление в основном цикле по сравнению с сопряженным давлением при температуре первоначального перегрева.

С повышением только начального давления пара экономичность установки возрастает на 3—8, а температура — на 2, 5—5%.

Экономичность цикла зависит еще от способа перегрева пара, температуры ППП, давления в промежуточном перегревателе, мощности турбины и количества промежуточных перегревов.

Наибольшая экономичность установки достигается при самой высокой температуре t_{n n}, которую можно получить, полностью используя свойства металла промежуточного пароперегревателя (чем меньше давление, тем большее значение t_{n n} можно получить). Тем не менее на практике из-за конструктивных соображений часто оказывается более выгодным применять одинаковую или даже несколько меньшую t_nn, чем t_ne. Термодинамического оптимума величина t_nn не имеет, как и t_ne .

Этого нельзя сказать о давлении промежуточного перегрева пара Рпк, имеющем термодинамический оптимум. На практике Рпп определяют исходя из условий:

t_nn = t_ne, Рп. п = (0, 165 ÷ 0,25) Рп. к;

t_nn < t_ne, Рп. п = (0, 1 ÷ 0,143) Рп. к.

Экономию топлива от промежуточного газового перегрева пара можно увеличить, применив двойной промежуточный перегрев. Так, если первый промежуточный перегрев дает 4—5 % экономии, то второй 1—1, 5%. Естественно, что дополнительное удорожание установки все меньше окупается. В этой связи в судовой энергетике с учетом габаритов МО судов применяется однократный ППП, а в стационарной энергетике — двукратный.

В ПТУ с ППП уменьшаются расходы пара на ГТЗА и пара, сбрасываемого в конденсатор. Последнее снижает количество теплоты, отдаваемой забортной воде, и, следовательно, позволяет уменьшить поверхность и габариты конденсатора. При использовании перегрева уменьшаются диаметры паропроводов, габариты питательных насосов, испарительная поверхность котла и т. п.

Цикл с сепарацией пара. Он является характерным для турбины, использующей насыщенный пар. Расчеты показывают, что для турбины, работающей при условиях, когда относительный внутренний КПД 67—70%, допустимая степень влажности 8—12%, давление в конденсаторе 0,005 МПа, начальное давление составит 1—1,5 МПа, а термический КПД ~ 25 %.

Следствием низкой эффективности установки будет значительный объемный расход пара, в результате чего потребуется увеличение массогабаритных показателей турбин.

Последние ступени ТНД ПТУ на органическом топливе работают в области влажного пара, в которой из движущегося между лопатками пара выпадают частички влаги. С увеличением влажности пара размеры частичек (капель) воды растут и они ударя­ются о выпуклую часть лопаток. В результате создается тормозящий момент на диске ступени, что может вызвать эрозию лопаток. Кроме того, из-за выпадения части пара в виде капель уменьшается совершаемая им работа в ступени.

При проектировании и конструировании судовой турбины, работающей в области влажного пара, обязательным условием является обеспечение ее надежности. Для удаления влаги применяют различные способы сепарации насыщенного пара: 1) введение ППП; 2) межступенчатую сепарацию, при которой обеспечиваются: а) отвод влаги проточной части турбин путем конструктивного ее изменения; б) дренаж влаги с помощью устройства в корпусе и диафрагмах; 3) выносное сепарирующее устройство, устанавливаемое, как правило, в ресивере; 4) промежуточный перегрев пара теплотой свежего пара .

Способы 1 и 26 применяются в ПТУ, работающих на органическом топливе, остальные — в ЯЭУ.

На рисунке 4.12 приведен цикл с сепарацией пара в выносном сепарирующем устройстве. Здесь 1—2—3 — изобарный подвод теплоты в котле (работой насоса пренебрегаем), 3—4 — изоэнтропийное расширение пара в ТВД, 4—5 сепарация пара, 5—6 — изоэнтропийное расширение в ТНД и 6—1 — конденсация пара.

Выносные судовые сепарирующие устройства обеспечивают конечную влажность не более 0,5%. При этих условиях начальное давление пара может достигать 4 МПа, a r\t составлять до 39%. Перспективно использование и межступенчатой сепарации пара, что позволит удалять 30—50% влаги из каждой ступени турбомашины.

Реальный цикл Ренкина. Осуществление цикла Ренкина на практике сопровождается рядом дополнительных потерь, вызванных условиями эксплуатации. Реальный цикл Ренкина показан на рисунке 4.13. Штриховыми линиями для сопоставления отмечены процессы идеального цикла Ренкина.

В ходе эксплуатации процесс перегрева пара сопровождается потерями в пароперегревателе, что соответствует некоторому снижению Рп.к и при перегреве до того же значения Тпе состояние перегретого пара будет определяться точкой 4'. Перетекание пара из пароперегревателя к ГТЗА по паропроводу будет сопровождаться потерями в нем не только давления, но и температуры из-за теплоотдачи через стенки паропровода в окружающую среду. Состояние пара на входе в ГТЗА определяется положением точки 4".

Рисунок 4.12 - Идеальный цикл Рен­кина для насыщенного пара с се­парацией в выносном сепарирующем устройстве

Рисунок 4.13 -. Реальный цикл Ренкина для водяного пара

При отсутствии потерь в турбоагрегате процесс расширения пара протекал бы по изоэнтропе 4"—5'. В реальных условиях из-за потерь в ГТЗА процесс 4"—5" расширения характеризуется возрастанием энтропии пара и отклоняется вправо.

Поскольку перетекание пара по выпускному патрубку, соединяющему ГТЗА с конденсатором, сопровождается потерями (линия 5"—5), то давление в конце действительного расширения ръ, п будет больше давления в конденсаторе Рх. Точка 5"' отражает состояние пара на входе в конденсатор.

В реальных условиях температура конденсата на выходе из конденсатора немного ниже (на 0, 3—0, 8°С) температуры насыщения, соответствующей давлению Рх. Это явление называется переохлаждением конденсата и объясняется двумя причинами. Первая — преодоление сопротивления конденсатора Δрх при движении пара в нем (линия 5'"—0), вторая - дополнительное охлаждение образующегося конденсата в процессе его стекания в сборник (в нижней части конденсатора) перед приемным патрубком насоса и потерь в самом насосе (линия 0—1").

Из диаграммы следует, что энтальпия воды i''₁ в начале подвода теплоты в реальном цикле Ренкина оказывается ниже энтальпии i₁ в соответствующей точке идеального цикла (точки 1'' и 1). Реальный цикл Ренкина изображается линией 1"—2—3—4'—4"— 5"—5"'— 0—1", а процесс подвода теплоты в нем — линией 1"—2—3—4'.

Располагаемая работа в реальном цикле l_о = i_o—i₅". Очевидно, такую же располагаемую работу l’_о можно получить в идеальном цикле с подводом теплоты при Pо (контур 1—1’—2'—3'—4"— 5"'—1). Тогда отношение будет характеризовать снижение располагаемой работы цикла из-за потерь в пароперегревателе и паропроводе.