Регенеративный цикл паротурбинной установки (ПТУ)

Для повышения экономичности работы паротурбинных установок, помимо повышения параметров пара, применяют так называемый регенеративный цикл, при котором питательная вода до ее поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагреву паром, отбираемым из промежуточных ступней паровой турбины. Так как питательной воде передается теплота отобранного пара, включая теплоту парообразования, а при получении работы используется лишь часть теплоты пара, не включая теплоту парообразования, то потеря работы в результате отборов будет значительно меньше, чем увеличение энтальпии питательной воды. Поэтому, в целом, КПД цикла возрастает.

Применение регенеративного цикла позволяет, когда это желательно, исключить экономайзер (подогрев питательной воды уходящими газами), использовав теплоту уходящих газов для подогрева поступающего в топку воздуха.

При применении регенерации экономия теплоты в цикле возрастает с повышением начального давления пара . С повышением увеличивается температура насыщения (кипения) воды, следовательно, повышается количество теплоты, которое можно подвести к воде при подогреве ее паром из отбора турбины. В настоящее время регенеративный подогрев применяется на всех крупных электростанциях.

В реальных ПТУ регенеративный цикл реализуется путем подогре­ва питательной воды в регенераторах - пароводяных подогревателях, в которые поступает пар, отбираемый из турбины. Схема ПТУ с двумя от­борами на регенеративный подогрев питательной воды приведена на рис. 2.3,а. Из котла 1 пар поступает в пароперегреватель 2, а затем в турбину. Из 1 кг пара, поступившего от котла, через первую часть 3 турбины проходит весь пар. Расширяясь до давления p₁ (рис.2.3,б), он соверша­ет удельную работу I_I = h₀ – h₁. После расширения в первой части турби­ны некоторое количество пара , кг с энтальпией h₁ отбирается к подог­ревателю 11, где отдает свою теплоту питательной воде и конденсиру­ется. Остальное количество пара , кг расширяется во второй части 4 турбины до давления р₂ и совершает удельную работу . После расширения отбирается в подогрева­тель 10 , кг пара с энтальпией h₂. Оставшиеся , кг пара расширяются в третьей части турбины до конечного давления р_к, со­вершают удельную работу I_K = α_K(h₂ - h_K) и поступают в конденсатор 6. Далее с помощью насосов 7 и 9 вода, пройдя через смешивающий 8 и регенеративные 10, 11 подогреватели, подается в котел 1.

 

 

а)

б)

 

Рис. 2.3. Схема турбоустановки с регенеративным подогревом пи­тательной воды (а) и изображение процесса расширения пара в h, s -диаграмме (б)

 

Полная удельная работа цикла равна сумме работ, совершенных паром во всех частях турбины:

Расход теплоты на турбоустановку с регенерацией равен разности начальной энтальпии пара h₀ и питательной воды h_п.в:

.

Термический КПД цикла Ренкина с регенерацией:

. (2.5)

Число регенеративных отборов в ПТУ составляет 4...13 (обычно 5…7).Увеличение КПД при применении регенерации составляет 10…15 %.

 

Теплофикационный цикл

Согласно второго закона термодинамики для осуществления цикла тепловых двигателей неизбежна отдача теплоты холодному источнику (окружающая среда Т ≈ 300 К), а температура горячего источника ограничена ( К). Поэтому самые эффективные тепловые двигатели отдают бесполезно в окружающую среду около половины полученной теплоты.

Цикл паротурбинной установки (ПТУ), в котором теоретически можно использовать всю подведенную от горячего источника теплоту для получения работы и теплоты, называют теплофикационным. Комбинированная выработка электроэнергии и теплоты на тепловых электростанциях (ТЭЦ) называется теплофикацией.

Электростанции, работающие по циклу Ренкина, называют конденсационными (КЭС), а по теплофикационному – теплоэлекроцентралями (ТЭЦ).

В установках с теплофикационным циклом (рис. 2.4,а) давление пара на выходе из турбины 1, механически связанной с электрическим генератором 6, определяется тепловым потребителем. После турбины пар направляется к тепловому потребителю 2, где отдает теплоту q_тп и конденсируется. Конденсат насосом 3 направляется в котел 4, где нагревается, превращается в насыщенный пар, который перегревается в пароперегревателе 5 и поступает в турбину 1.

На рис. 2,4,б приведены два цикла: 1-2-3-4-5-1 – конденсационный и 1-6-7-4-5-1 – теплофикационный. Начальные параметры в обоих циклах одинаковы. В первом цикле конечное давление пара р₂, удельная работа l пропорциональна площади 1-2-3-4-5-1, а количество теплоты q₂, отданной холодному источнику, пропорционально площади 2-10-8-3-2. В теплофикационном цикле конечное давление , удельная работа l' пропорциональна площади 1-6-7-4-5-1, а количество теплоты, отдаваемой потребителю, - площади 6-10-9-7-6.

 

а)

б)

 

Рис. 2.4. Схема (а) и цикл (б) паротурбинной установки,

работающей по теплофикационному циклу

Из рис. 2.4,б видно, что . Таким образом, в теплофикаци­онном цикле удельная полезная работа турбины уменьшилась по срав­нению с конденсационным циклом на величину, соответствующую пло­щади 6-2-3-7-6. При этом количество теплоты, отдаваемое холодному источнику, возросло (). Учитывая, что р'₂ > р₂, теплота q'₂ может быть использована на удовлетворение технологических нужд промыш­ленности, отопление и другие цели.

В связи с использованием теплоты отработавшего пара величина КПД цикла Ренкина (2.2) теряет свой смысл и перестает быть КПД, так как полезной яв­ляется и та теплота, которая отдается холодному источнику. Поэтому эффективность теплофикационного цикла, в отличие от КПД конден­сационного цикла, оценивают коэффициентом использования теплоты , представляющим собой отношение общего количества получаемой ра­боты и теплоты q'₂ к подведенной теплоте q₁:

 

. (2.6)

На современных теплофикационных установках коэффициент использования теплоты достигает 60...70 %.

Цикл парогазовых установок

 

В настоящее время практически исчерпаны возможности повыше­ния тепловой экономичности циклов паротурбинных установок. Возмож­ное повышение экономичности электрических станций связывают с при­менением установок с комбинированными циклами, в которых паротур­бинный цикл сочетается с различными высокотемпературными циклами (ГТУ, МГД - установками и др.). Пока практическое применение в энерге­тике находят лишь парогазовые установки, на которых реализуется па­рогазовый цикл. Он представляет собой цикл с двумя рабочими телами: в области высоких температур рабочим телом являются продукты сгора­ния топлива, в области низких температур - вода.

 

а)

б)

 

Рис. 2.5. Схема (а) и цикл (б) парогазовой установки

 

На рис. 2.5,а приведена принципиальная схема парогазовой установки. Компрессор 1 повышает давление воздуха и подает его в камеру сгорания высоконапорного генератора 2. Продукты сгорания отдают часть своей теплоты воде, которая превращается в парогазогенераторе 2 в пар, поступающий в пароперегреватель, а затем в паровую турбину 5, механически связанную с электрическим генератором 7. После турбины пар поступает в конденсатор 6, где полностью конденсируется. Конденсат подается в теплообменник 4, а затем поступает в высоконапорный парогазогенератор.

Продукты сгорания, охлажденные до необходимой температуры в парогазогенераторе 2, поступают в газовую турбину 3, совершают там работу и далее через теплообменник 4 выбрасываются в атмосферу.

Парогазовый цикл установки (рис. 2.5,б) состоит из двух контуров: 0-1-3-4-5-0 – газовый цикл; 6-7-8-9-10-11-6 – пароводяной цикл. Газовый цикл состоит из следующих процессов: 0-1 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 1-2 – подвод теплоты в камере сгорания при р = const; 3-4 – адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине; 4-5 – изобарный отвод теплоты в теплообменнике 4; 5-0 – отвод теплоты в окружающую среду.

Пароводяной цикл включает следующие процессы: 10-11 – адиабатное расширение пара в турбине; 11-6 – конденсацию пара в конденсаторе; 6-7 подвод теплоты к воде в теплообменнике; 7-8-9 – нагрев и парообразование воды в парогазогенераторе; 9-10 – перегрев пара в пароперегревателе.

Цикл построен для 1 кг воды. В цикле газотурбинной установки подводимая теплота равна площади 3-а-b-1-3, а в цикле паротурбинной установки - площади 6-8-9-10-d-с-6. Полезная работа установки определяется суммой работ газового цикла l_г и парового цикла l_п, пропорциональных соответственно площадям 01340 и 101168910.

Теплота, выделяющаяся при охлаждении отработавших в газовой турбине газов, по линии 4-5 используется для подогрева питательной воды по линии 6-7 – в теплообменнике 4. Количество теплоты, затраченной на получение пара в высоконапорном парогазогенераторе 2, уменьшится на величину, равную площади 7-е-с-6-7, а эффективность комбинированного цикла возрастает.

Работу парового и газового циклов можно определить из выражения

 

(2.7)

где m, кг – количество продуктов сгорания топлива.

Количество подведенной в цикле теплоты

(2.8)

Термический КПД цикла парогазовой установки

 

 

(2.9)

 

Выполненные по сложным схемам со ступенчатым сгоранием и компрессией парогазовые установки могут иметь термический КПД до 40…50 %.