Паровые теплосиловые установки с циклом Ренкина

В. Н. Диденко

ТЕПЛОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

Методическое пособие – курс лекций

по дисциплине «Термодинамика»

раздел «Теплосиловые установки»

для студентов специальности 140100.62 «Промышленная теплоэнергетика»

Ижевск 2009

УДК 621.

Определение                            . Методическое пособие – курс лекций по дисциплине «Термодинамика» раздел «Теплосиловые установки»для студентов специальности 140100.62 «Промышленная теплоэнергетика»

 

Составитель: доктор технических наук В. Н. Диденко

 

Методическое пособие – курс лекций - содержит основные сведения о паросиловых и газотурбинных установках и их термодинамических циклах.

 

 

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлению  «Теплоэнергетика»      

 

 

© Диденко В. Н. (составление), 2009

©Издательство ИжГТУ, 2009

 

 

 

1. ПАРОВЫЕ ТЕПЛОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ.

1.1 Циклы Карно во влажном паре.

 

Теплосиловые установки – это тепловые двигатели, предназначенные для преобразования теплоты в механическую работу.

В газовых теплосиловых установках рабочим телом является газ. Ранее было показано, что прямой обратимый цикл Карно обладает наивысшим термодинамическим КПД.

Рис 1.2 Прямой цикл Карно газообразного          рабочего тела на диаграмме

Рис 1.1 Прямой цикл Карно газообразного

          рабочего тела на диаграмме

 

Если в качестве рабочего тела использовать газ, то приблизиться к изотермическому сжатию возможно с применением многоступенчатых компрессоров, у которых предусматривается промежуточное охлаждение после последней ступени.

А изотермическое расширение приблизительно можно воспроизвести за счет ступенчатого подвода теплоты в газотурбинных установках.

Таким образом, цикл Карно не может быть реализован газообразным рабочим телом (газом) из-за технических проблем осуществления изотермических процессов расширения и сжатия газа.

Использование в качестве рабочего тела пара – газообразного состояния вещества при температуре ниже критической, позволяет относительно просто реализовать цикл Карно.

Паровые теплосиловые установки – это теплосиловые установки, в которых рабочим телом является пар, получаемый испарением легкокипящей жидкости. В качестве такой жидкости наиболее часто используется вода, обладающая следующими преимуществами:

¾ вода находится в жидкой фазе при атмосферном давлении и достаточно низкой температуре;

¾ легкая конденсация в жидкую фазу;

¾ сравнительно низкая теплота парообразования при ;

¾ экологичность, низкая агрессивность в установке, большие природные запасы.

Как известно, фазовые переходы в области влажного насыщенного пара (парообразования и конденсация) являются при постоянном давлении одновременно и изотермическими.

Реализовать изобарный процесс как в газе, так и в паре технически просто.

Если расположить изобарные процессы расширения и сжатия в области влажного насыщенного пара и добавить к ним адиабатные процессы расширения и сжатия, то получим цикл Карно.

 

 

Рис 1.4 Прямой цикл Карно во влажном       насыщенном паре на диаграмме

Рис 1.3 Прямой цикл Карно во влажном

   насыщенном паре на диаграмме

 

 

 

Рис 1.5 Схема паровой теплосиловой установки, работающей по циклу Карно во влажном насыщенном паре:

ПК – паровой котел;

ЭГ – электрогенератор;

ЦН – циркуляционный насос;

ПТ – паровая турбина;

К – конденсатор;

КП – компрессор.

 

В паровой котел ПК поступает влажный насыщенный пар с параметрами  и  из компрессора КП. На рис.1.3. и 1.4. линия 4-1 – процесс увеличения степени сухости влажного насыщенного пара в паровом котле ПК от  до  за счет подвода теплоты  от сжигания топлива в топке котла ПК. Теплота  подводится к насыщенному пару в котле при  и . Пар с высокой степенью сухости  подается из котла к соплам паровой турбины ПТ при давлении  и температуре . Линия 1-2 процесс адиабатного расширения пара в турбине. Расширение пара при истечении из сопел приводит к увеличению его кинетической энергии, которая передается лопатками рабочего колеса турбины и приводит рабочее колесо во вращение.

На одном валу с рабочим колесом турбины установлен электрогенератор Э – «потребитель работы».

На выходе из турбины влажный насыщенный пар имеет параметры ,  и степень сухости , причем ,  и . С этими параметрами влажный насыщенный пар поступает в конденсатор К – рекуперативный теплообменный аппарат с проточной водой в качестве охлаждающей жидкости. Охлаждающая вода подается в конденсатор циркуляционным насосом ЦН. Линия 2-3 – процесс отъема теплоты  при  и  от влажного насыщенного пара с понижением степени его сухости от  до .

С параметрами ,  и  влажный насыщенный пар всасывается компрессором КП. Линия 3-4 – процесс адиабатного сжатия насыщенного пара до давления  температуры  с уменьшением степени сухости от  до .

Но этот цикл не используется из-за проблем реального осуществления процесса сжатия 3-4 в компрессоре. Наличие капель жидкости во влажном насыщенном паре плохо сказывается на работе проточных частей паровой турбины и компрессора. Компрессор предназначен для сжатия газа, а в рассматриваемом процессе 3-4 сжимается влажный насыщенный пар. Из-за неполной конденсации влажного пара в конденсаторе в компрессор поступает влажный пар с большим удельным объемом . Это приводит к необходимости использования компрессоров с увеличенными объемами цилиндров, что увеличивает работу на сжатие пара (площадь 3-4-5-6 на рис.1.3.).

Термический КПД цикла Карно во влажном паре

 

или

 

                                                                                                             (1.1)

Пример 1: при и соответствующем ,  и соответствующем

Таким образом, эффективность цикла Карно во влажном паре весьма велика.

Так как процессы 4-1 и 2-3 является изобарно-изотермическими, то по формулам для изобарных процессов

;

Окончательно                                       (1.2)

 по формулам (1.1) необходимо увеличивать давление пара в котле , а для уменьшения  необходимо понижать давление  в конденсаторе.

При этих изменениях увеличивается , но также увеличиваются объемы цилиндров компрессора.

Таким образом, главными недостатками цикла Карно во влажном паре являются:

1) громоздкость компрессора из-за большого объема цилиндров;

2) большие затраты энергии на сжатии влажного пара в компрессоре с большим объемом цилиндров.

Из-за этих недостатков за идеальный цикл паровой теплосиловой установки принят другой специальный цикл – цикл Ренкина.

 

Циклы парогазовых установок

 

Парогазовый цикл – это бинарный цикл, в котором первым рабочим телом в области высоких температур являются продукты сгорания топлива, а вторым в области низких температур – водяной пар.

Парогазовые установки (ПГУ) – это последовательно соединенные газовая и паровая тепловые установки.

Температура газов на входе в паровую турбину газотурбинной установки (ГТУ) составляет 900…1000^о С, а на выходе – более 350^о С.

Температура перегретого водяного пара на входе в паровую турбину паросиловой установки (ПСУ) достигает 600…650 ^о С, а температура влажного насыщенного пара в конденсаторе ПСУ – лишь 25…30 ^о С.

Организация бинарного цикла с этими рабочими телами позволяет получить температурный перепад от 900…1000 ^о С до 25…30 ^о С, и за счет этого значительно повысить термический КПД всей установки до значений 0,40…0,45.

Идеальный паровой цикл представлен на рис.1.43.

Рис.1.43 Идеальный цикл парогазовой установки:

_ _ _ _ - газовый цикл;

          - пароводяной цикл.

Газовый цикл:

1г-2г – адиабатное расширение газа;

2г-3г – изобарный отвод теплоты от газа;

3г-4г – адиабатное сжатие газа;

4г-1г – изотермический подвод теплоты к газу.

Пароводяной цикл:

1-2 – адиабатное расширение пара;

2-3 – изотермический отвод теплоты от пара;

3-4 – адиабатное сжатие воды;

4-1 – изобарный подвод теплоты к пару.

Передача теплоты от газа в изобарном Р_2Г = const процессе 2г-3г к пароводяному рабочему телу, совершающему изобарный Р₁ = const процесс 4-1, происходит в теплообменном аппарате.

Изотермический подвод теплоты к газу 4г-1г практически можно осуществить лишь приближенно, за счет многоступенчатого подвода теплоты при расширении газа.

Изотермический отвод теплоты 2-3 в пароводяном цикле можно осуществить в конденсаторе водяного пара при Р₂ = const.

Газовый цикл в парогазовом цикле является открытым, поскольку продукты сгорания топлива (первое рабочее тело) выбрасываются в окружающую среду после теплообмена с водяным рабочим телом.

Пароводяной цикл – закрытый, поэтому в нем могут использоваться не только вода, но и другие вещества, например, углекислый газ (СО₂).

Так как реализация изотермического подвода теплоты в паровом цикле сопряжена с серьезными техническими проблемами, то используется изобарный Р_1Г = const подвод теплоты, входящий в цикл газотурбинной установки. В идеальном цикле ПГУ с газовым циклом ГТУ на рис.1.44 подвод теплоты происходит в изобарном процессе расширения газа 4г-1г. Коэффициент заполнения такого цикла приближается к единице.

Рис.1.44 Идеальный цикл парогазовой установки с газовым циклом, совершаемым газотурбинной установкой:

_ _ _ _ - цикл ГТУ (газовый цикл);

          - пароводяной цикл.

Комбинированные турбинные установки на органическом топливе делятся на 2 типа:

1. Парогазовые установки (ПГУ);

2. Газопаровые установки (ГПУ).

В ПГУ основная доля теплоты подводится с топливом в паротурбинную часть, а в ГПУ – в камеру сгорания газотурбинной установки.

По взаимодействию рабочих тел ПГУ и ГПУ делятся на 2 группы:

1. С разделенными контурами, в которых пароводяное рабочее тело и продукты сгорания топлива движутся по самостоятельным трактам в газовую и паровую части установок и передают теплоту в теплообменных аппаратах поверхностного типа, то есть без смешивания;

2. Контактного типа, когда пароводяное рабочее тело и продукты сгорания топлива смешиваются перед поступлением в газопаровую турбину.

В дальнейшем рассматриваются только парогазовые установки с разделенными контурами (потоками), которые в свою очередь подразделяются по схемам на:

а) параллельные с высоконапорными парогенераторами (ВПГ);

б) последовательные с низконапорными парогенераторами (НПГ), называемые также ПГУ со сбросом теплоты, или ПГУ сбросного типа.

В ПГУ с НПГ продукты сгорания топлива в газотурбинной установке поступают либо в топку котла для дожигания и газоводяной подогреватель питательной воды (экономайзер), либо сразу в подогреватель питательной воды, называемый газовым подогревателем. Схема ПГУ в НПГ и газовым подогревателем представлена на рис.1.45.

Рис.1.45 принципиальная схема парогазовой установки со сбросом теплоты и газовым подогревателем питательной воды:

ТН – топливный насос;

КС – камера сгорания;

ВК – воздушный компрессор;

ТБ – топливный бак;

ГТ – газовая турбина;

ЭГ – электрогенератор;

КА – котлоагрегат;

ПП – пароперегреватель;

ПК – паровой котел;

ГП – газовый подогреватель;

ПН – питательный насос;

ПТ – паровая турбина;

К – конденсатор;

ЦН – циркуляционный насос.

 

Воздух сжимается компрессором ВК и подается в камеру сгорания, где образует с топливом смесь, сгорающую при постоянном давлении (Р_1Г = const) в камере сгорания КС. Продукты сгорания топлива поступают в газовую турбину ГТ, где расширяются, совершая работу , передаваемую электрогенератору ЭГ.

Газы, отработавшие в газовой турбине ГТ, подаются в газовый подогреватель ГП для подогрева питательной воды паросиловой установки, а затем удаляются в атмосферу.

Большое количество утилизируемой теплоты продуктов сгорания топлива в этом случае позволяет полностью отключить регенеративные подогреватели питательной воды ПСУ, что приводит к увеличению термического КПД и мощности установки. Экономия топлива за счет утилизации теплоты отходящих газов газотурбинной установки достигает 15%. Эффективность ПГУ выше, чем у ПСУ и ГТУ по отдельности.

В парогазовой установке с параллельной схемой и высоконапорным парогенератором (ВПГ) камера сгорания и парогенератор обычно совмещены. Топливная смесь сгорает в камере сгорания при высоком давлении, при этом часть теплоты сгорания сразу идет на парообразование и перегрев пара, после чего продукты сгорания с пониженной температурой поступают на вход газовой турбины. Температурный напор при теплопередаче в ВПГ значительно выше, чем в НПГ, что объясняет название парогенераторов «высоконапорный» и «низконапорный». НА рис.1.46 представлена схема ПГУ с ВНП и газоводяным подогревателем питательной воды.

Рис.1.46 Схема парогазовой установки с высоконапорным парогенератором и газоводяным подогревателем:

ВК – воздушный компрессор;

ВПГ – высоконапорный парогенератор;

ПП – пароперегреватель;

ГТ – газовая турбина;

ЭГ – электрогенератор;

ПГВ – газоводяной подогреватель;

ПН – питательный насос;

К – конденсатор;

ПТ – паровая турбина;

ЦН – циркуляционный насос.

 

Газоводяной подогреватель питательной воды (экономайзер) ПГВ позволяет увеличить термический КПД за счет частичного отказа от регенеративных подогревателей.

Воздух (окислитель) сжигается в компрессоре ВК и подается в высоконапорный парогенератор ВПГ, где смешивается с жидким или газообразным топливом. Продукты сгорания этой смеси (топливной смеси), отдав часть теплоты водяному пару в самом ВПГ, направляются в газовую турбину ГТ, с которой соединен электрогенератор ЭГ. Отработав в ГТ, продукты сгорания с пониженной энтальпией и давлением направляются в газовый подогреватель ПГВ, где подогревают питательную воду, подаваемую в парогенератор ВПГ. Отдав теплоту питательной воде, в ПГВ, продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. В схеме ПГУ с ВПГ отсутствует паровой котел, функции которого выполняет испарительная поверхность в ВПГ.

Рис.1.47 Цикл парогазовой установки с высоконапорным парогенератором и газоводяным подогревателем

Процессы в газовом цикле:

4г-1г’ - изобарное расширение при Р_1Г = const продуктов сгорания топливной смеси с подводом теплоты сгорания (теплоты химических реакций горения), изображаемой площадью а-4г-1г’-е-а и выделяемой в камере сгорания ВПГ;

1г’-1г – изобарная передача теплоты при Р_1Г = const от продуктов сгорания к пароводяному рабочему телу через испарительные поверхности и пароперегреватель ПП высоконапорного парогенератор с понижением температуры от Т’_Г1 до Т_Г1 (площадь с-1г-1г’-е-с);

1г-2г – адиабатное расширение продуктов сгорания с начальной температурой Т_Г1 и давлением Р_1Г до давления Р_2Г и температуры Т_Г2 в газовой турбине ГТ;

2г-3г – изобарная передача теплоты при Р_2Г = const от продуктов сгорания, отработавших в газовой турбине, к питательной воде в газоводяном подогревателе ПГВ (площадь а-3г-2г-с-а). В точке 3г продукты сгорания, охладившиеся в ПГВ до температуры Т_Г3, выбрасываются в атмосферу;

3г-4г – адиабатное сжатие свежей порции воздуха в воздушном компрессоре ВК от давления Р_2Г до Р_1Г с повышением температуры топливной смеси до Т_Г4;

Процессы в пароводяном цикле:

4-Р – регенеративный подогрев питательной воды в газоводяном подогревателе ПГВ при Р₁ = const теплотой газового процесса 2г-3г;

Р-5 – подогрев в ВПГ питательной воды из ПГВ до температуры кипения при Р₁ = const;

5-6 – парообразование в ВПГ за счет части теплоты газового процесса 1г’-1г;

6-1 – перегрев пара в пароперегревателе ПП за счет части теплоты газового процесса 1г’-1г;

1-2 – адиабатное расширение пара в паровой турбине ПТ от Р₁ до Р₂ с повышением температуры от Т₁ до Т₂;

2-3 – конденсация водяного пара в конденсаторе К при Р₂ = const и Т₂ = const;

3-4 – адиабатное сжатие воды от Р₂ до Р₁ в питательном насосе ПН с повышением температуры от Т₃ до Т₄.

Полезная работа пароводяного цикла

                                                                                                                (1.64)

 

 

Полезная работа газового цикла:

 

                                                                                                                (1.65)

 

Полезная работа обоих циклов:

                                                                                                                                           (1.66)

 

Или

 

 

(1.67)

 

 

Подведенная теплота к обоим рабочим телам в теоретическом цикле парогазовой установки с ВПГ

Термический КПД парогазовой установки с ВПГ

 

 

(1.68)

 

Парогазовые установки с высоконапорными парогенераторами более эффективны, чем ПГУ с НПГ.

 

В. Н. Диденко

ТЕПЛОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

Методическое пособие – курс лекций

по дисциплине «Термодинамика»

раздел «Теплосиловые установки»

для студентов специальности 140100.62 «Промышленная теплоэнергетика»

Ижевск 2009

УДК 621.

Определение                            . Методическое пособие – курс лекций по дисциплине «Термодинамика» раздел «Теплосиловые установки»для студентов специальности 140100.62 «Промышленная теплоэнергетика»

 

Составитель: доктор технических наук В. Н. Диденко

 

Методическое пособие – курс лекций - содержит основные сведения о паросиловых и газотурбинных установках и их термодинамических циклах.

 

 

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлению  «Теплоэнергетика»      

 

 

© Диденко В. Н. (составление), 2009

©Издательство ИжГТУ, 2009

 

 

 

1. ПАРОВЫЕ ТЕПЛОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ.

1.1 Циклы Карно во влажном паре.

 

Теплосиловые установки – это тепловые двигатели, предназначенные для преобразования теплоты в механическую работу.

В газовых теплосиловых установках рабочим телом является газ. Ранее было показано, что прямой обратимый цикл Карно обладает наивысшим термодинамическим КПД.

Рис 1.2 Прямой цикл Карно газообразного          рабочего тела на диаграмме

Рис 1.1 Прямой цикл Карно газообразного

          рабочего тела на диаграмме

 

Если в качестве рабочего тела использовать газ, то приблизиться к изотермическому сжатию возможно с применением многоступенчатых компрессоров, у которых предусматривается промежуточное охлаждение после последней ступени.

А изотермическое расширение приблизительно можно воспроизвести за счет ступенчатого подвода теплоты в газотурбинных установках.

Таким образом, цикл Карно не может быть реализован газообразным рабочим телом (газом) из-за технических проблем осуществления изотермических процессов расширения и сжатия газа.

Использование в качестве рабочего тела пара – газообразного состояния вещества при температуре ниже критической, позволяет относительно просто реализовать цикл Карно.

Паровые теплосиловые установки – это теплосиловые установки, в которых рабочим телом является пар, получаемый испарением легкокипящей жидкости. В качестве такой жидкости наиболее часто используется вода, обладающая следующими преимуществами:

¾ вода находится в жидкой фазе при атмосферном давлении и достаточно низкой температуре;

¾ легкая конденсация в жидкую фазу;

¾ сравнительно низкая теплота парообразования при ;

¾ экологичность, низкая агрессивность в установке, большие природные запасы.

Как известно, фазовые переходы в области влажного насыщенного пара (парообразования и конденсация) являются при постоянном давлении одновременно и изотермическими.

Реализовать изобарный процесс как в газе, так и в паре технически просто.

Если расположить изобарные процессы расширения и сжатия в области влажного насыщенного пара и добавить к ним адиабатные процессы расширения и сжатия, то получим цикл Карно.

 

 

Рис 1.4 Прямой цикл Карно во влажном       насыщенном паре на диаграмме

Рис 1.3 Прямой цикл Карно во влажном

   насыщенном паре на диаграмме

 

 

 

Рис 1.5 Схема паровой теплосиловой установки, работающей по циклу Карно во влажном насыщенном паре:

ПК – паровой котел;

ЭГ – электрогенератор;

ЦН – циркуляционный насос;

ПТ – паровая турбина;

К – конденсатор;

КП – компрессор.

 

В паровой котел ПК поступает влажный насыщенный пар с параметрами  и  из компрессора КП. На рис.1.3. и 1.4. линия 4-1 – процесс увеличения степени сухости влажного насыщенного пара в паровом котле ПК от  до  за счет подвода теплоты  от сжигания топлива в топке котла ПК. Теплота  подводится к насыщенному пару в котле при  и . Пар с высокой степенью сухости  подается из котла к соплам паровой турбины ПТ при давлении  и температуре . Линия 1-2 процесс адиабатного расширения пара в турбине. Расширение пара при истечении из сопел приводит к увеличению его кинетической энергии, которая передается лопатками рабочего колеса турбины и приводит рабочее колесо во вращение.

На одном валу с рабочим колесом турбины установлен электрогенератор Э – «потребитель работы».

На выходе из турбины влажный насыщенный пар имеет параметры ,  и степень сухости , причем ,  и . С этими параметрами влажный насыщенный пар поступает в конденсатор К – рекуперативный теплообменный аппарат с проточной водой в качестве охлаждающей жидкости. Охлаждающая вода подается в конденсатор циркуляционным насосом ЦН. Линия 2-3 – процесс отъема теплоты  при  и  от влажного насыщенного пара с понижением степени его сухости от  до .

С параметрами ,  и  влажный насыщенный пар всасывается компрессором КП. Линия 3-4 – процесс адиабатного сжатия насыщенного пара до давления  температуры  с уменьшением степени сухости от  до .

Но этот цикл не используется из-за проблем реального осуществления процесса сжатия 3-4 в компрессоре. Наличие капель жидкости во влажном насыщенном паре плохо сказывается на работе проточных частей паровой турбины и компрессора. Компрессор предназначен для сжатия газа, а в рассматриваемом процессе 3-4 сжимается влажный насыщенный пар. Из-за неполной конденсации влажного пара в конденсаторе в компрессор поступает влажный пар с большим удельным объемом . Это приводит к необходимости использования компрессоров с увеличенными объемами цилиндров, что увеличивает работу на сжатие пара (площадь 3-4-5-6 на рис.1.3.).

Термический КПД цикла Карно во влажном паре

 

или

 

                                                                                                             (1.1)

Пример 1: при и соответствующем ,  и соответствующем

Таким образом, эффективность цикла Карно во влажном паре весьма велика.

Так как процессы 4-1 и 2-3 является изобарно-изотермическими, то по формулам для изобарных процессов

;

Окончательно                                       (1.2)

 по формулам (1.1) необходимо увеличивать давление пара в котле , а для уменьшения  необходимо понижать давление  в конденсаторе.

При этих изменениях увеличивается , но также увеличиваются объемы цилиндров компрессора.

Таким образом, главными недостатками цикла Карно во влажном паре являются:

1) громоздкость компрессора из-за большого объема цилиндров;

2) большие затраты энергии на сжатии влажного пара в компрессоре с большим объемом цилиндров.

Из-за этих недостатков за идеальный цикл паровой теплосиловой установки принят другой специальный цикл – цикл Ренкина.

 

Паровые теплосиловые установки с циклом Ренкина

Если в цикле Карно на влажном паре обеспечить полную конденсацию пара в конденсаторе, то в котел будет подаваться не влажный насыщенный пар, а жидкость. Для подачи жидкости, с повышением давления от давления в конденсаторе до давления в паровом котле потребуется насос который компактнее и экономичнее компрессора. Такой цикл был предложен в 50-х годах 19-го века почти одновременно шотландским миссионером и физиком Уильямом Джоном Ренкиным (Rankin) (1820-1872) и немецким физиком Рудольфом Юлиусом эммануэлем Клаузиусом (Clausius) (1822-1888). Этот цикл чаще всего называют циклом Ренкина (Ранкина).

Схема паровой теплосиловой установки с циклом Ренкина отличается от установки с циклом Карно в основном тем, что вместо компрессора используется насос, называемый питательным.

Есть два варианта цикла Ренкина:

a) В сухом насыщенном паре;

b) с перегревом пара.

Выбор варианта предопределяет наличие в котлоагрегате экономайзера(вариант «a»), либо экономайзера и пароперегревателя (вариант «b»).