Циклы паротурбинных установок

Основу современной стационарной теплоэнергетики и атомной энергетики составляют паротурбинные установки (ПТУ), использующие в качестве рабочего тела воду и водяной пар. В основе современных ПТУ лежит цикл Ренкина (рис. 10).

 

 

Рис.  10. Принципиальная схема простой ПТУ (а) и обратимый цикл Ренкина на насыщенном (б) и перегретом (в) паре

Полезная (механическая) работа, совершаемая 1 кг пара в обратимом процессе в турбине, равна:

                                                ;                                                

− работа насоса

                                                  ;                                            

− подведенная в цикле теплота

                                                  ;                                            

− термический КПД цикла Ренкина

                                                 .                                        

Принципиальная схема ПТУ с промежуточным перегревом пара изображена на рис. 11, а, а цикл, совершаемый рабочим телом этой установки, изображен на рис. 11,б.Особенностью цикла, изображенного на рис. 11,б является сверхкритическое начальное давление пара:                    р₁ > р_к = 22,1 МПа. В отличие от схемы рис. 10, а здесь добавлен промежуточный пароперегреватель (ПП), смонтированный внутри котла КА. Промежуточный перегрев позволяет увеличить термический и внутренний КПД цикла за счет возрастания средней температуры подвода теплоты и уменьшения конечной влажности.

 

 

Рис. 11. Принципиальная схема ПТУ с промперегревом на сверхкритическом давлении пара (а) и цикл (б)

В циклах Ренкина на насыщенном и перегретом паре с целью повышения КПД применяется регенерация теплоты, которая позволяет поднять среднюю температуру подвода теплоты за счет увеличения температуры питательной воды, поступающей в котел,  либо в парогенератор.

Принципиальная схема ПТУ с регенера тивными отборами пара представлена на рис. 12, а, а цикл, совершаемый водяным паром этой установки, изображен на рис. 12, б. В отличие от схемы простой ПТУ     (рис. 10, а), здесьпар из отборов турбины подается в систему регенеративных подогревателей РП,в результате чего в котел подается питательная вода при температуре t _ПВ.

 

 

2^0

                                                   

	n^0’^0		n^0

 

Рис. 12. Принципиальная схема (а) и цикл (б) ПТУ с регенеративными отборами пара

 

КПД цикла − цикл (б) ПТУ с регенера тивными отборами пара определяется по формуле

                             ,                

где  − доля пара в i-омотборе;

 i − энтальпия этого пара;

n − число регенеративных подогревателей (число отборов пара).

Число регенеративных подогревателей выбирается из технико-экономических соображений, так как при их увеличении капитальные затраты растут пропорционально n, а прирост КПД становится все меньше. Число регенеративных подогревателей в современных установках не превышает десяти.

Цикл паротурбинной теплофикационной установки − цикл для комбинированной выработки электроэнергии и теплоты − представлен на рис. 13.

 

Рис. 13. Цикл паротурбинной теплофикационной установки

Циклы парогазовых установок

Парогазовыми установками (ПГУ) называются комбинированные установки, работающие по циклу Ренкина − циклу паротурбинной установки (ПТУ) − и циклу газотурбинной установки (ГТУ). К настоящему времени предложено несколько вариантов ПГУ, отличающихся способом воздействия рабочего тела одного цикла на рабочее тело другого цикла. Все эти схемы объединяет одна идея − использование теплоты уходящих газов ГТУ в паротурбинной части установки.

 

Принципиальная схема одной из таких ПГУ представлена на рис. 14, а цикл, совершаемый рабочими телами (водяным паром и воздухом) этой установки, −на рис. 15. Предполагается использование только ПТУ (правая часть рис. 14) при работе и базовом режиме. Газотурбинная часть установки (левая часть рис. 14) включается только для покрытия пиков нагрузки и работает совместно с ПТУ, как ПГУ.

Паротурбинная часть установки, как и обычная ПТУ, состоит из паровой турбины ПТ, конденсатора, питательного насоса Н,котельного агрегата КА и системы регенеративных подогревателей питательной воды    (на схеме для простоты показан лишь один подогреватель РП). При работе в базовом режиме газотурбинная часть ПГУ не работает, вентили   А и С открыты, вентили В закрыты, и регенеративный подогрев питательной воды осуществляется, как в обычной ПТУ, за счет теплоты отборного пара, поступающего в РП через вентиль А.

Цикл, совершаемый водяным паром этой установки (правая часть рис. 14), ничем не отличается от цикла Ренкина на перегретом паре: процесс 6-7 − адиабатное расширение пара в турбине, 7-7’ − конденсация пара,      7 -8 − подогрев питательной воды в РП за счет теплоты конденсации А-8 отборного пара, 7’-6 − подвод теплоты в КА.

Для покрытия пиков нагрузки включается газотурбинная часть ПГУ, состоящая из компрессора К, камеры сгорания КС и газовой турбины ГТ. При этом закрываются вентили А, С и открываются вентили В (весь пар, таким образом, проходит через паровую турбину ПТ),а подогрев питательной воды (процесс 7-8) осуществляется за счет теплоты уходящих газов ГТУ в газоводяном подогревателе ГВП. Газы при этом охлаждаются до температуры Т₅.

Парогазовые установки могут работать не только как пиковые электростанции, но и как базовые. Современные ПГУ имеют более высокий КПД (около 55 %), чем у ПТУ (около 40 %).

 

 

 

                            

 

 

 Рис. 14. Принципиальная схема ПГУ                                            

 

                            

 

Рис. 15. Цикл парогазовой установки

 

2.5 Обратные циклы холодильных установок и теплового насоса

 

В воздушной холодильной установке, принципиальная схема которой изображена на рис. 16, хладагент − воздух, охлажденный в результате адиабатного расширения в детандере 1 от температуры Т₁   до температуры Т₂, поступает в охлаждаемый объем 2, из которого он отбирает теплоту q ₂  при постоянном давлении. Компрессор 3 адиабатно сжимает воздух и подает его в охладитель 4, где воздух отдает теплоту q ₁ в окружающую среду. Цикл воздушной холодильной установки с обратимыми процессами сжатия и расширения представлен в Т, s − диаграмме на рис. 17. Здесь      1-2 – адиабатное обратимое расширение в детандере; 3-4 – адиабатное обратимое сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 – изобарный нагрев хладагента в холодильной камере за счет подвода теплоты q ₂ к хладагенту от охлаждаемого объема, имеющего температуру Т₂; 4-1 – изобарный отвод теплоты q ₁ в среду, имеющую температуру Т₁.

 

Рис. 16. Принципиальная схема воздушной холодильной установки

 

 

 

 

Рис. 17. Цикл воздушной холодильной установки

 

Согласно определению, удельная холодопроизводительность

 

;

 

− отведенная в окружающую среду теплота

 

;

 работа компрессора

 

;

− работа детандера

 

;

− холодильный коэффициент

 

.

Цикл парокомпрессионной холодильной установки и егопринципиальная схема изображены на рис. 18 и рис. 19 соответственно.

Необходимые для расчета значения энтальпий берутся из таблиц термодинамических свойств хладагентов в состоянии насыщения.

− холодильный коэффициент:   

 

                                      .                                             

 

 

 

Рис. 18. Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной установки

 

 

 

 

 

 

Рис. 19. Цикл парокомпрессионной холодильной установки