Циклы паротурбинных установок

Паротурбинные установки отличаются от газотурбинных тем, что продукты сгорания топлива являются только промежуточным теплоносителем. Рабочим телом в них является пар какой-либо жидкости, чаще всего - водяной пар.

Рассмотрим принципиальную схему паротурбинной установки

1-паровой котёл; 2-пароперегреватель; 3-паровая турбина; 4-электрогенератор;

5-конденсатор; 6-конденсационный насос; 7-питательный бак;

8-питательный насос; 9-подогреватель.

Рисунок 8 - Схема паротурбинной установки

В пaровом котле в результате сгорания топлива вода превращается, как правило, во влажный пар, который поступает в перегреватель, где вначале досушивается, а затем и перегревается до требуемой температуры. Затем этот пар направляется в паровую турбину. Проходит через сопловой аппарат и с большой скоростью, а, следовательно, и с большой кинетической энергией попадает на лопатки колеса турбины. При вращении колеса турбины вращается и вал, на котором жестко закреплено колесо турбины. На валу турбины расположен электрогенератор, который и вырабатывает электрическую энергию. Отработавший пар поступает в конденсатор, где отдаёт тепло охлаждающей воде, при этом конденсируется. Этот конденсат конденсационным насосом направляется в питательный бак, откуда питательная вода забирается питательным насосом, сжимается до давления, равного давлению в паровом котле, и подаётся через подогреватель в паровой котёл.

При работе паротурбинной установки наблюдаются следующие преобразования энергии: химическая энергия топлива при его сжигании превращается во внутреннюю энергию продуктов сгорания. Эта энергия в виде теплоты передаётся воде и пару (в паровом котле и пароперегревателе). Затем эта энергия преобразуется в сопловом аппарате в кинетическую, которая в турбине преобразуется в механическую. В электрогенераторе происходит преобразование механической энергии в электрическую.

Как известно, наиболее совершенным идеальным циклом является цикл Карно. Но ряд существенных недостатков делают его применение нецелесообразным, так как требуется весьма мощный компрессор, размеры цилиндра которого резко возрастают с увеличением давления пара и уменьшением давления в конденсаторе, т.е. при переходе к наиболее выгодным температурным режимам.

Затрачиваемая действительная работа на привод компрессора гораздо больше теоретической из-за наличия в нем больших потерь. Эти потери могут увеличивать действительную работу по сравнению с теоретической на 50% и выше.

Поэтому за основной цикл паротурбинной установки принят идеальный цикл Ренкина. В этом цикле осуществляется полная конденсация пара в конденсаторе и не требуется громоздкого и малоэффективного компрессора. Здесь для подачи воды применяют питательный водяной насос, который имеет малые габариты и высокий КПД. В этом цикле возможно применение перегретого водяного пара, что увеличивает термический КПД установки.

Рассмотрим цикл Ренкина в диаграммах P-V и Т-S.

Рисунок 9 - Цикл Ренкина в P-V и T-S координатах

процесс 1-2 - адиабатное расширение водяного перегретого пара от давления P₁ до давления в конденсаторе P₂;

процесс 2-2¹ - процесс конденсирования водяного пара в конденсаторе при давлении P₂;

процесс 2¹-3 - сжатие воды в насосе, здесь повышение температуры воды очень мало и им пренебрегают;

процесс 3-4 - изображает изменение объёма воды при нагреве её до температуры кипения;

процесс 4-5 - процесс парообразования в паровом котле, при этом образуется влажный насыщенный пар;

процесс 5-6 - процесс подсушивания пара в пароперегревателе

до х=1;

процесс 6-1 - процесс перегрева пара в пароперегревателе при давлении P₁.

Термический КПД цикла Ренкина определяется по уравнению

(55)

Теплота q₁ в цикле подводится при p=const в процессах 3-4, 4-6, 6-1 и для 1кг пара эта теплота равна:

(56)

Это количество теплоты в диаграмме T-S изображается площадью 8-2¹-3-4-6-1-7-8. Теплота q₂ отводится в конденсаторе по изобаре 2-2¹ (давление P₂), следовательно:

(57)

Это количество теплоты в диаграмме T-S изображается

площадью 2-2¹-8-7-2. Тогда термический КПД цикла определяется по уравнению:

(58)

В практических расчетах вводятся допущения: не учитывают повышения температуры воды при адиабатном сжатии воды в насосе; полагают, что изобары жидкости сливаются с нижней пограничной кривой; пренебрегают работой насоса. Отсюда КПД цикла Ренкина с учетом принятых допущений вычисляется по уравнению:

(59)

Значения энтальпий выбираются по таблицам водяного пара или по диаграмме i-S.