Влияние основных параметров на величину кпд цикла Ренкина

 

С увеличением начального давления и начальной температуры пара и понижением конечного давления в конденсаторе КПД ПСУ – растет.

 

Влияние начального давления пара

При увеличении начального давления пара и одном и том же конечном давлении в конденсаторе КПД ПСУ – значительно увеличится, а расход пара  – уменьшится.

Рис. 4.6 Влияние начального давления на КПД ПСУ

 

Увеличение начального давления с  до  связано с повышением температуры насыщенного пара, т.е. с повышением средней температуры подвода теплоты, что при одной и той же температуре отвода теплоты в конденсаторе приводит к повышению КПД ПСУ.

 

С ростом начального давленияпонижаетсяконечная влажность пара (повышается степень сухости как видно по is-диаграмме), что также положительно, – капли воды разрушают лопатки последних ступеней турбины. Конечная влажность пара свыше 13-14% не допускается.

 

В настоящее время применяют .

 

Влияние начальной температуры пара

Рис. 4.7 Влияние начальной температуры пара на КПД ПСУ

При повышении начальной температуры пара происходит увеличение КПД ПСУ, т.к. увеличивается среднеинтегральная температура подвода теплоты в цикле. Кроме того, при этом растет адиабатное теплопадение (h).

 

Увеличение КПД цикла будет более значительным если одновременно с температурой будет возрастать и начальное давление пара.

При повышении начальной тепературы пара расход пара  – уменьшится.

 

В настоящее время используют пар с температурой до 565 ^оС (и до 600 ^оС и выше). Температура перегрева пара ограничена жаропочностью металла.

 

Влияние конечного давления в конденсаторе

 

Понижение давления в конденсаторе является особенно эффективным средством для повышения термического КПД цикла паротурбинной установки.

 

 

Рис. 4.8 Влияние конечного давления на КПД ПСУ

 

Из is-диаграммы видно, что понижение давления в конденсаторе значительно уменьшает среднеинтегральную температуру отвода теплоты и увеличивает адиабатное теплопадение h, а, следовательно, и КПД цикла.

 

Выбор конечного давления в конденсаторе определяется температурой охлаждающей воды, т.к. для интенсивного теплообмена разность температур между паром и водой должна быть 10-15 ^оС.

 

Регенеративный цикл ПСУ

 

Термический КПД цикла можно значительно повысить введением регенерации теплоты.

 

Условный предельно-регенеративный цикл ПСУ на рис. 4.9

Подогрев питательной воды (процесс 4-5) производится за счет отведенной теплоты в процессе 2-3.

При этом количество теплоты, отведенное в процессе 2-3 и измеряемое пл. 27832, равно количеству теплоты, подводимому в процессе 4-5 – пл. 04590.

В регенеративном цикле средняя температура подвода теплоты от внешнего источника к рабочему телу получается выше, чем у обычного цикла Ренкина, поэтому регенеративный цикл имеет больший КПД, чем цикл Ренкина, но меньший, чем цикл Карно в таком же интервале температур.

Тср

Рис. 4.9 Условный предельно-регенеративный цикл ПСУ

Тср

Рис. 4.10 Цикл Ренкина (идеальный)

 

Рис. 4.11 Цикл эквивалентный по термическому КПД предельно-регенеративному циклу ПСУ

Из анализа цикла на на рис. 4.9 следует, что использованная теплота на участке 2-3 для подогрева воды в процессе 4-5 уменьшает удельную полезную работу пара по сравнению с обычным циклом (см. рис. 4.10), т.е. регенеративный цикл характеризуется большим удельным расходом пара.

Ввиду равенства площадей под кривыми процессов 2-3 и 4-5 цикл на рис.4.9 можно заменить эквивалентным по термическому КПД циклом – рис.4.11.

Термический КПД эквивалентного цикла:

 

                       (4.9)

Где   – абсолютная температура пара в конденсаторе;

 – энтропия перегретого пара;

 – энтропия кипящей жидкости;

 – энтальпия перегретого пара;

 – энтальпия кипящей жидкости при начальном давлении .

 

На практике регенеративный подогрев питательной воды осуществляется в нескольких последовательно включенных подогревателях, в каждый из которых поступает небольшое количество пара, отбираемого из соответствующей ступени турбины (такой реальный цикл невозможно изобразить на Ts-диаграмме).

В зависимости от способа включения греющего пара и конденсата в общую сеть питательной воды возможны различные схемы регенерации, отличающиеся по эксплуатационным и экономическим характеристикам.

 

Рис.4.12 Каскадная схема паротурбинной установки с тремя отборами пара для подогрева питательной воды.

1 – паровой котел;

2 – пароперегреватель;

3 – паровая турбина;

4 – конденсатор;

5 – насос питательной воды;

6 – поверхностный подогреватель;

7 – дренажный насос;

8 – конденсат греющего пара;

9 – питательная вода;

10 – греющий пар из отбора турбины.

 

Поступающий из котла пар в турбину 3 имеет давление , температуру  и энтальпию ; в конденсаторе 4 давление , температура и энтальпия .

Через турбину проходит не весь пар. Из каждого килограмма пара, поступающего в турбину, отбирается:

 kг – в первый подогреватель 6 с энтальпией , давлением   и температурой ;

 kг – во второй подогреватель с энтальпией , давлением   и температурой ;

 kг – в третий подогреватель с энтальпией , давлением   и температурой ;

Отводится в кондесатор  кг пара.

Тогда:

 

Образовавшийся конденсат после турбины при давлении  и температуре  подается конденсатным насосом 5 последовательно через три подогревателя 6 и, нагреваясь до температуры более высокой чем в конденсаторе, нагнетается питательным насосом 5 в котел.

Температура питательной воды с энтальпией .

Полезная работа 1 кг пара в идеальной турбине с регенерацией меньше, чем , работа пара в цикле  определяется как сумма работ от потоков пара, проходящих через турбину:

   

Термический КПД регенеративного цикла:

 

Где  – теплота, определяемая как разность  ;

 – энтальпия питательной воды при температуре , равной температуре насыщения при давлении пара в первом отборе .

До первого отбора через турбину проходит 1 кг пара, поэтому:

 

Между первым и вторым отборами расширяется  кг пара, работа которого равна:

 

Между вторым и третьим отборами расширяется  пара и его работа равна:

 

Между третьим отбором и конденсатором работа пара будет равна:

 

Работа турбины определяется как сумма работ всех ступеней:

 

               (4.10)

Или:

 

 

Термический КПД цикла:

 

               (4.11)

Теоретический массовый удельный расход пара в кг на 1 МДж:

 

                                 (4.12)

 

Энтальпию пара в местах отбора определяют по is-диаграмме.

По данным начального состояния пара перед турбиной (  и ) и конечного () в конденсаторе проводим адиабату расширения.

Проектируя на ось ординат состояние промежуточных точек в местах отборов (по значениям  , ,  ), определяем значения энтальпий.

 

 

Расходы пара в местах отборов определяются из уравнений тепловых балансов подогревателей, для которых принимается что температура питательной воды и кондесата в каждом подогревателе равна температуре насыщения проходящего через него пара.

Для первого подогревателя:

В него входит из второго подогревателя питательная вода в количестве кг с энтальпией , а также входит пар из первого отбора в количестве  кг, с энтальпией . Из первого подогревателя выходит питательная вода с энтальпией .

Тогда уравнение теплового баланса:

 

 

Откуда

                                  (4.13)

 

 Также определяют расход пара во всех отборах.

Введение регенерации для подогрева питательной воды увеличивает  цикла ПТУ на 10 – 14%, увеличивается и эксергетический КПД установки в целом, т.к. за счет регенерации повышается температура питательной воды, поступающей в котел.

Чем выше начальные параметры пара – тем выше экономия.

Применение регенерации уменьшает проходные сечения между лопатками в последней ступени турбины, т.е. уменьшает ее габариты.

 

 

Основы теплофикации

 

Установлено, что термический КПД цикла Ренкина не превышает 50%, а если учесть потери теплоты в котельной установке при сжигании топлива, в паропроводах; на трение в турбогенераторах и т.д.

Поэтому действительный КПД конденсационной ПТУ не превышает 30 – 35%.

Наибольшая потеря теплоты имеет место в конденсаторе. Применяющаяся при конденсации пара вода имеет не достатодно высокую температуру на выходе из кондесатора и поэтому ее тепловой потенциал практически нельзя использовать.

Если повысить конечное давление  до 1 – 2 бар, то отработавший пар можно использовать для коммунально-бытовых нужд, а если повысить   до 1,5 – 5 бар – то для производственных нужд фабрик и заводов.

Тогда теплота сжигаемого топлива используется сначала для выработки электроэнергии, а затем в нагревательных приборах различного назначения.

Такое комбинированное получение электроэнергии и теплоты наз. теплофикацией, а сами электростанции наз. теплоэлектроцентралями, или ТЭЦ.

Общий коэффициент использования теплоты топлива на ТЭЦ достигает 80%.