Способ увеличения коэффициента полезного действия паротурбинной установки
Использование: в энергетике и может быть использовано в паротурбинных установках тепловых и атомных электростанций. Сущность изобретения: для уменьшения тепла в конденсаторе турбины отработавший пар подают в одну либо несколько вихревых труб, где он делится на два потока — холодный и горячий. Холодный поток, скондесировавшийся внутри вихревой трубы, сливают в конденсатосборник. Горячий поток отводят в теплообменник системы регенерации турбины, где его конденсируют и сливают в конденсатосборник. 1 ил.
Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам конденсации пара в паротурбинных установках.
Целью изобретения является увеличение коэффициента полезного действия (КПД) паротурбинной установки за счет уменьшения потерь тепла отработавшего пара, уносимого охлаждающей водой в конденсаторе турбины.
На работающих в настоящее время по циклу Ренкина паротурбинных установках тепловых и атомных электростанций обязательным элементом является конденсатор турбины, в котором происходит конденсация отработавшего пара. Конденсатор представляет собой регенеративный теплообменник поверхностного типа, в котором нагреваемым элементом является циркулярная вода. Она забирает тепло отработавшего пара в количестве, необходимом для конденсации последнего, и отдает это тепло окружающей среде либо в градирнях, либо в прудах — охладителях. Таким образом, налицо потери тепла паротурбинных установок с охлаждающей водой. Эти потери достигают 45 o C50% [1] Известен способ конденсации пара в регенеративных поверхностных конденсаторах при использовании в качестве охлаждающего тепла атмосферного воздуха, осуществляемый при наличии достаточного перепада температур наружного воздуха и пара [2] При этом способе воздухе, нагреваясь от отработавшего пара, аккумулирует тепло в специальных тепловых аккумуляторах, из которых тепло в нужный момент возвращается обратно в цикл паротурбинной установки. Указанный способ хотя и уменьшает потери тепла в окружающую среду, однако лишь при наличии перепада температур между паром, а также используется лишь часть трубных пучков конденсатора.
От перечисленных недостатков частично свободен другой способ, заключающийся в том, что через часть трубного пучка конденсатора турбины проходит холодный природный газ, который нагревается и подается в топку парового котла [3] По этому способу природный газ сначала разделяется в вихревой трубе на горячий и холодный потоки. Горячий газ подается прямо в топку котла, а холодный сначала нагревается в конденсаторе турбины, и только после этого подается в котел.
Но данный способ тоже имеет свои недостатки, т.к. его можно использовать при наличии газомазутных котлов, а также тепло, отбираемое газом у отработавшего в турбине водяного пара, недостаточно для полной конденсации последнего. Поэтому в конденсаторе турбины для нагрева газа используется лишь часть трубного пучка, а через остальные трубки протекает циркуляционная вода.
Сущность изобретения заключается в следующем. Поток отработавшего в турбине пара последних ступеней цилиндра низкого давления подают в вихревую трубу, где он приобретает вихревое (винтовое) движение. В результате этого движения возникает эффект Ранка и поток пара разделяется на два потока холодный и горячий. При своем движении внутри вихревой трубы холодный поток пара конденсируется и полученный конденсат сливают в конденсатосборник. Горячий поток подают в теплообменник системы регенерации турбины, где он отдает свое тепло основному конденсату после конденсатных наносов, кондесируется и смешивается с основным конденсатом.
При больших перепадах разряжений между паром в выхлопном патрубке турбины и кондесатосборнике возможно применение нескольких вихревых труб, включенных последовательно. Тогда холодный поток пара, выходящий из первой вихревой трубы, подают на вход следующей трубы. Полная конденсация происходит в последней вихревой трубе данного каскада последовательно включенных труб.
В случае большого расхода отработавшего в турбине пара возможна установка нескольких параллельных каскадов последовательно включенных вихревых труб.
Данный способ может быть реализован в устройстве, схема которого показана на чертеже.
Отработавший в турбине пар поступает в выхлопной патрубок турбины 1, откуда по вводным трубам 2 его подают к соплам 3, установленным тангенциально в вихревой трубе 4. В этой трубе поток пара приобретает винтовое движение, в результате которого происходит перераспределение температур по ширине потока. Более холодные слои находятся ближе к центру трубы, а более горячие ближе к стенке. Двигаясь по спирали, поток пара удаляется в длительный конус 5, и в результате этого горячий поток проходит в фиксированный зазор между корпусом трубы и по паропроводу 6 его подают в поверхностный теплообменник регенерации турбины. Холодные слои парового потока после удара о конус двигаются вдоль центра трубы в обратном направлении, конденсируются при своем движении, и полученный конденсат через трубопровод 7 сливают в расширитель 8. В расширителе конденсат за счет эффекта Джоуля-Томпсона дополнительно переохлаждается и попадает в конденсатосборник 9, откуда подается на всас конденсатных насосов. В расширитель, кроме того, через трубу 10 заведен слив конденсата горячего потока пара теплообменника регенерации турбины и прочие необходимые потоки. Удаление газов и воздуха от присосов происходит через трубу 11 с помощью эжекторов. Конденсат и конденсатосборник отделен от отработавшего в турбине пара с помощью непроницаемой перегородки 12.
Предлагаемый способ позволит увеличить КПД паротурбинной установки, т.е. увеличить мощность турбины при уменьшении количества сжигаемого в котле топлива, увеличить надежность работы паровой турбины, т.к. исключается возможность аварийного останова турбины из-за срыва вакуума в конденсаторе в результате отключения циркуляционных насосов; улучшить качество питательной воды, т.к. исключается возможность попадания самой воды в линию основного конденсата турбины в результате разрыва конденсационных трубок; уменьшить трудоемкость обслуживания паротурбинных установок и, кроме того, применение данного способа позволит уменьшить тепловое загрязнение окружающей среды, т. к. практически все тепло пара будет использоваться в цикле паротурбинной установки.
Способ увеличения КПД паротурбинной установки путем использования тепла отработавшего в турбине пара, отличающийся тем, что поток отработавшего в турбине пара подают в одну либо несколько вихревых труб, где разделяют на холодный и горячий потоки, первый из которых, сконденсировавшийся в вихревой трубе, сливают в конденсатосборник, а последний отводят в теплообменник регенерации турбины, где его конденсируют и сливают в конденсатосборник.
Источник
Способ повышения КПД тепловой электростанции
В. А. Федотов, инженер, г. Москва
Предлагается инновационный способ снижения потерь на тепловых, атомных и комбинированных газотурбинных электростанциях, использующих конденсационный цикл выработки тепловой и электрической энергии (так называемый, цикл Карно).
Данной статьёй хотелось привлечь внимание специалистов, работающих в области термодинамики и электроэнергетики, и получить подтверждение в пользу предлагаемого предложения или аргументированное опровержение.
Утверждения и расчёты в дальнейшем будут ссылаться на классическую работу [1]. Её автор, М.П. Вукалович, был создателем первой термодинамической лаборатории и экспериментально исследовал теплофизические свойства, в частности, воды и водяного пара. К сожалению, автору пришлось столкнуться со специалистами, которые абсолютно не знают школьную программу по физике, поэтому в статье иногда даются ссылки и на школьную литературу [2].
Классический цикл выработки электроэнергии на тепловых электростанциях происходит либо по так называемому циклу Карно (без промежуточного перегрева пара), либо, чаще всего, по циклу Ренкина с промежуточным перегревом пара по следующей схеме (рис. 1).
Рисунок 1. Принципиальная схема выработки электроэнергии на ТЭЦ.
Вода питательным насосом (далее – ПН) с давлением Р1 и температурой Т1, подаётся в паровой котёл (далее – ПК). Давление в российских энергоустановках на входе в ПК обычно составляет 3,4, 8,8, 12,75 и 23,5 МПа или, соответственно, 35, 90, 130, 240 кг/см 2 . Данные величины являются стандартными.
В ПК вода нагревается (подводится тепло Q1) и испаряется (подводится тепло (Q2), насыщенный водяной пар направляется в пароперегреватель (далее – ПП), где пар перегревается до температуры Т2 около 545 о С (подводится тепло Q3). Перегретый пар направляется в турбину, конкретно, в цилиндр высокого давления (ЦВД), после чего отработавший пар с температурой выше температуры насыщения и при уменьшенном давлении направляется в промежуточный пароперегреватель (ПП1). В ПП1 пар снова нагревается до температуры
545 о С (подводится тепло Q4) и направляется на следующую ступень турбины: цилиндр среднего давления (ЦСД). Отработанный в ЦСД пар с температурой выше температуры насыщения при ещё более низком давлении направляется во вторую ступень ПП – промежуточный пароперегреватель ПП2, где снова происходит его перегрев до температуры
540 о С (подводится тепло Q5) и он направляется на следующие ступени турбины – цилиндры низкого давления (ЦНД). Цилиндров низкого давления обычно бывает от 2 до 6 в зависимости от мощности установок.
Промежуточный перегрев пара позволяет увеличить среднюю температуру подвода тепловой энергии и процесс расширения пара в турбине заканчивается при более высокой степени сухости пара, поэтому условия работы проточной части турбины оказываются более лёгкими.
Отработавший в турбине пар с давлением Р2 от 1,7 до 4,2 кПа, температурой Т3 от 15 до 30 о С (параметры соответствуют правой границе насыщения [4]), удельным объёмом Vп от 77,97 до 32,93 м 3 /кг и теплотой конденсации r от 2465 до 2430 кДж/кг [3] (в дальнейшем эти значения понадобятся для расчётов), направляется в конденсатор (К), где полностью конденсируется, переходя в жидкую фазу и отдавая теплоту конденсации r охлаждающей воде (тепло Q6). На 1 кг пара приходится от 50 до 80 кг охлаждающей воды, следовательно, в конденсаторе безвозвратно теряется до 45% тепла, подведённого в цикле.
Конденсатный насос (КН) располагается на расстоянии порядка 2 м от конденсатора. КН откачивает воду из конденсатора, которая направляется в деаэратор с давлением до 1,4-1,5 МПа (при этом температура кипения составляет 196-198 о С), а затем цикл повторяется, при этом Т1 практически равна Т3.
Очевидно, что реальная схема технологического процесса выработки электроэнергии более сложная, в статье приводится принцип действия только основного оборудования.
Согласно законам физики, чем выше давление, тем выше температура кипения воды. Вода – практически несжимаемая жидкость, поэтому затраты энергии на увеличение давления незначительны, оборудование достаточно компактно.
Недостатком данного цикла является безвозвратные потери тепловой энергии в конденсаторе, которые составляют до 45%.
График рассматриваемого цикла в Ts координатах показан на рис. 2.
Рисунок 2. Процесс выработки электроэнергии на ТЭЦ в Тs диаграмме воды и водяного пара (ц. Ренкина).
Здесь: 1 – 2. Увеличение давления воды ПН до рабочего. Расстояние между т. 1 и 2 очень мало из-за несжимаемости воды, они практически совпадают. На диаграмме расстояние между точками специально увеличено, чтобы показать, что такой процесс есть.
2 – 3. Нагрев воды до температуры кипения при рабочем давлении в ПК. Подвод тепла Q1, температура кипения воды зависит от рабочего давления.
3 – 4. Испарение воды в ПК, зона насыщенного водяного пара, процесс кипения. Подвод тепла Q2. Точка 34 показывает на диаграмме точку перехода воды в пар без процесса кипения воды, для прямоточных блоков, работающих на закритическом давлении Pk = 22,1145 МПа.
4 – 5. Перегрев сухого пара в ПП. Подвод тепла Q3 (процесс 34 – 5 показывает перегрев сухого пара для прямоточных блоков).
5 – 6. Работа пара в ЦВД турбины. Уменьшение давления и температуры пара выше температуры насыщения.
6 – 7. Перегрев сухого пара в ПП1. Подвод тепла Q4.
7 – 8. Работа пара в ЦСД. Уменьшение давления и температуры пара выше температуры насыщения.
8 – 9. Перегрев сухого пара в ПП2. Подвод тепла Q5.
9 – 10. Работа пара в ЦНД турбины. Уменьшение давления и температуры пара до температуры насыщения.
10 – 1. Конденсация пара в конденсаторе, переход в жидкую фазу. Отвод тепла Q6 = r. Безвозвратные потери тепла с охлаждающей водой, отдающей тепло в атмосферу.
Работа, которую можно получить в цикле, пропорциональна площади фигуры, ограниченной линиями 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 – 9 – 10 – 1.
Целью предлагаемого технического решения является существенное увеличение КПД цикла производства электроэнергии путём существенного снижения безвозвратно теряемого тепла, уходящего с охлаждающей водой в конденсаторе, заменив часть существующих циклов на новый.
Установлено, в частности, что насыщенный водяной пар начинает конденсироваться, если незначительно увеличить его давление выше давления насыщения. В этом случае перенасыщенный пар переходит в жидкую фазу ([1], с. 215, 256-257; [2], с. 194-196).
Для реализации предлагаемого решения предлагается сначала осуществлять тепловой цикл по классической схеме на действующем оборудовании с существующими параметрами до т. 10 (рис. 2). В конденсаторе же предлагается при выходе на рабочие параметры увеличить давление пара выше давления насыщения, при этом одновременно плавно уменьшить расход охлаждающей воды и совсем прекратить её циркуляцию. Процесс конденсации пара за счёт охлаждающей воды сначала прекратится, однако при достижении давления Р2, незначительно превышающем давление насыщения при рабочей температуре, процесс конденсации пара возобновится ([1], с. 235, 254; [2], с. 194-196). Желательно также ионизировать пар на входе в конденсатор.
Параметры отработанного пара на выходе из турбины будут составлять: Р2 – от 1,7 до 4,2 кПа, температура Т3 – от 15 до 30 о С и теплота конденсации r – от 2465 до 2430 кДж/кг.
Уже известна достаточно простая техническая реализация увеличения давления только в конденсаторе свыше давления насыщения пара, пропускная способность составляет несколько тысяч кубометров в секунду, с неизменным давлением на выходе из турбины.
Избыточное давление, которое необходимо создать в конденсаторе можно определить по [4] (таблица).
Таблица. Часть термодинамической таблицы свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения [4].
| t | P | V’ | V’’ | Изменение давления на 1 о С |
| o C | кПа | м 3 /кг | м 3 /кг | кПа |
| 15 | 1,7041 | 0,001008 | 77,970 | 0,1129 |
| 20 | 2,3368 | 0,0010017 | 57,833 | 0,1487 |
| 25 | 3,1663 | 0,0010030 | 43,399 | 0,1937 |
| 30 | 4,2417 | 0,0010043 | 32,929 | 0,2496 |
Из таблицы видно, что необходимое избыточное давление составит менее 0,25 кПа.
Процесс конденсации будет саморегулируемым. Насыщенный водяной пар испаряется и конденсируется при постоянной температуре и давлении T = const и P = const ([2], с. 194-196; [1], с. 212, 247). Процесс саморегулируемый.
Потери тепла в конденсаторе с охлаждающей водой не будет (циркуляция охлаждающей воды через конденсатор прекращена), следовательно, теплота останется в цикле.
Термодинамические аспекты предложения вытекают из математического доказательства Ларса Онзагера – нобелевского лауреата, основоположника четвёртого начала термодинамики, изложенного в работе «Термодинамика фазовых переходов» и позднее экспериментально подтверждённого тем фактом, что удельная теплоёмкость компонентов при фазовых переходах стремится к бесконечности. Это означает, что удельной теплоёмкости конденсата при фазовом переходе будет достаточно чтобы кинетическая энергия пара перешла во внутреннюю энергию без увеличения температуры. Аналогичное доказательство приводится в [1], с. 238.
С точки зрения статической термодинамики должно сконденсироваться такое количество пара, скрытой теплоты конденсации/парообразования которого хватит для нагрева конденсата до температуры выше температуры насыщения и начала испарения при новом давлении, что направит процесс в обратную сторону. Однако процесс не статический и рассматривать его необходимо с точки зрения кинетической физики.
При изобаро-изотермическом фазовом переходе первого рода (которым является процесс конденсации/парообразования) свободная энергия Гиббса минимальна, а её изменение равно нулю. Это означает что вся энергия тела (конденсата) идёт на изменение его агрегатного состояния и скачкообразное изменение физических параметров, например, плотность увеличивается от 30 тыс. раз и более, удельная теплоёмкость увеличивается практически в 2 раза (см. [1] с. 108-150). Время релаксации физических параметров тела (время, через которое физические параметры будут соответствовать эмпирическим значениям) можно определить по формуле: Тсек = L2 / x, где Тсек – время релаксации, с; L – площадь, м 2 ; х – коэффициент температуропроводности, для воды х = 0,143∙10 -6 м 2 /с.
Если предположить, что зародышевый центр конденсации (капля конденсата) имеет форму шара радиусом 1 мм (0,001 м), то его площадь: L = 4∙π∙R2 = 1,56 ∙10 -6 м 2 , а Тсек = 12.5∙10 -6 м 2 / 0,143∙10 -6 м 2 /с = 87,8 с.
Если конденсат пройдёт через ПН, создающий рабочее давление на входе ПК, ранее времени релаксации, то повышение температуры и частичное испарение питательной воды начнётся на входе или в паровом котле. Если процесс релаксации произойдёт до ПН, то процесс невозможен. Однако, можно предусмотреть расположение ПН как можно ближе к деаэратору или ряд других технологических решений, позволяющих осуществить предлагаемый цикл.
В ПК на нагрев и испарение воды понадобится значительно меньше тепловой энергии, чем в классическом цикле, это и позволяет существенно повысить КПД предлагаемого цикла.
Рассмотрим предлагаемый цикл в Ts координатах (рис. 3).
Рисунок 3. Предлагаемый процесс выработки электроэнергии с увеличением давления в конденсаторе.
Как уже сказано выше, вначале необходимо запустить вышеописанный классический цикл. При переходе на предлагаемый цикл процесс полностью повторится до точки 10, а далее пойдёт по следующим точкам:
10 – 11. Незначительное увеличение давления выше давления насыщения.
11 – 12. Фазовый переход от парообразного состояния в жидкую фазу (т. 1 и 12 практически полностью совпадут из-за несжимаемости воды), отвода тепла Q6 = r не будет.
12 – 2. Увеличение давления воды ПН до рабочего (расстояние между точками 1, 12 и 2 очень мало из-за несжимаемости воды – они практически совпадают). 2 – 3. Нагрев воды до температуры кипения при рабочем давлении в ПК. Подвод тепла Q1 не нужен, так как внутренняя энергия конденсата Т32 >> Т1 (расчёт приведён ниже), температура кипения воды зависит от рабочего давления.
3 – 44. Частичное испарение воды в ПК, зона насыщенного водяного пара, подвод тепла Q2 до т. 44 не нужен, так как внутренняя энергия конденсата Т32>> Т1 (расчёт – ниже).
44 – 4. Полное испарение воды в ПК, зона насыщенного водяного пара, процесс кипения. Подвод тепла Q22 о С; давление насыщения пара, Р: от 1,7 до 4,2 кПа. При этом:
— удельный объём пара: Vп: от 77,97 до 32,93 м 3 /кг;
— удельный объём воды (конденсата), Vв: от 0,001 до 0,001 м 3 /кг;
— удельная теплота конденсации, r: от 2465 до 2430 кДж/кг;
Работа, которую необходимо совершить для фазового перехода пар – конденсат – это – безвозвратно теряемая работа: А = P ∙ dV = P ∙ (Vв – Vп).
А = 1,7 ∙ (0,001 – 77,97) = – 133 кДж/кг;
А = 4,2 ∙ (0,001 – 32,93) = – 138 кДж/кг.
Теплота, оставшаяся в цикле:
Qц = r – А = 2465 – 133 = 2332 кДж/кг;
Qц = r – А = 2430 – 138 = 2292 кДж/кг.
Теплота, теряемая в конденсаторе классического цикла r, составляет
45%, в предлагаемом цикле теряемая работа А
Таким образом КПД предлагаемого цикла будет
на 42,5 % (45% — 2,5%) выше классического цикла.
Дополнительно ниже приводится расчёт для т. 44 для давления Р1 = 3,4 МПа (так как для более высокого давления температура кипения воды будет выше) и температуры отработанного пара t = 30 о С.
— температура кипения воды при данном давлении: Тк = 241 о С;
— теплота парообразования: Q2 = Qп = 1759 кДж/кг;
— теплоёмкость воды средняя: Св = 4,2 кДж/(кг∙К).
Теплота, необходимая на нагрев 1 кг воды до температуры кипения: Q1 = Cв ∙ (Тк – Т1) = 4,2 ∙(241 – 30) = 886 кДж/кг.
При этом Q1 подводить не надо, так как хватит теплоты, оставшейся в цикле (Т32 будет соответствовать Тк)
Теплота, оставшаяся в цикле Qц = 2292 кДж/кг; теплота, оставшаяся для частичного испарения (Qи = Qц – Q1) соответствует т. 44 на Ts диаграмме: Qи = 2292 – 886 = 1406 кДж/кг.
Теплота, необходимая для полного испарения 1 кг воды в предлагаемом цикле: Q22 = Qп – Qи = 1759 – 1406 = 353 кДж/кг; следовательно, Q22 = 353 кДж/кг
Источник
