Способы повышения термического кпд паросиловой установки

ПОВЫШЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Несмотря на то, что в настоящее время в промышленной энергетике осуществлено широкое освоение высоких и сверхвысоких параметров пара (pi = 23… 30 МПа; ti = 570… 600° С) и глубокого вакуума в конденсаторе (97% или р2 = 0.003 МПа), термический КПД цикла Ренкина не превышает и 50%. Это означает, что около 50% тепловой энергии, полученной паром в паровом котле и пароперегревателе, не используется (выбрасывается в окружающую среду), увеличивая тем самым ее * тепловое загрязнение». С каждым годом развития тепловой энергетики эта проблема усугубляется. В настоящее время высказывается гипотеза о взаимосвязи так называемого «парникового эффекта» с тепловыми выбросами, осуществляемыми круп­ными теплоэнергетическими комплексами. Естественно, что чем больше тепловой энергии преобразовано в механическую энергию, тем меньше тепловые выбросы в окружающую среду. Многие промышленные тепло­энергетические установки для охлаждения водяного пара, выходящего из паровой турбины, используют воду рек или озер, что может привести к увеличению температуры воды в них. Повышение температуры воды в реке или озере может вызвать нарушение природного режима среды обитания для живых и неживых существ, находящихся в них.

На рис. 11.19 показан энергетический баланс современной тепловой электростанции (ТЭС). До 70% тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, сгораемого в токе ТЭС, выбрасывается в окружающую среду. Поэтому так остро в настоящее время стоят проблемы экономного расходования тепловой энергии.

В связи с этим были предложены различные способы повышения теп­ловой эффективности паросиловых установок. К ним относятся:

Рис. 11.19. Примерный энергетический баланс ТЭС

• предварительный подогрев воды за счет отработавшего в турбине пара (регенеративный цикл);

• вторичный перегрев пара (цикл со вторичным перегревом);

• комбинированное использование тепловой энергии (теплофикационный цикл).

Источник

Цикл Ренкина. Пути повышения КПД паросиловых установок

В основе работы современных теплосиловых установок, использующих в качестве рабочего тела водяной пар, лежит цикл, предложенный шотландским инженером У. Ренкиным в 50-х годах прошлого века.

Схема простейшей паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, включает в себя паровой котел 1 (рис. 6.12) с пароперегревателем 2, паровую турбину 3, конденсатор 4 и питательный насос 5.

Рис. 6.12. Схема простейшей паросиловой установки

В паровом котле за счет тепла продуктов сгорания топлива питательная вода нагревается до температуры кипения (процесс 3–4 на рис. 6.13), затем превращается в пар (4–5).

Образующийся в котле пар со степенью сухости, близкой к х = 1, направляется в пароперегреватель, где осуществляется подсушка и перегрев пара до температуры T₁ (5–1). Весь процесс подвода тепла 3–4–5–1 протекает при одном и том же давлении (p₁=const).

Рис.6.13. Цикл Ренкина в T, s- диаграмме

Далее пар с параметрами р₁, T₁ поступает в турбину, где расширяется до давления р₂ и совершает работу. Процесс расширения 1–2 в проточной части турбины протекает в идеальном цикле Ренкина адиабатно, без потерь, следовательно, s₁=s₂. Работа расширения пара используется на вращение ротора электрического генератора.

После турбины пар с давлением р₂ и степенью сухости х₂ поступает в конденсатор, где осуществляется изобарно-изотермный процесс конденсации 2–3. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркуляционной водой, а пар конденсируется в межтрубном пространстве. Образующийся конденсат откачивается питательным насосом, который повышает его давление и подает в котел. Процесс повышения давления воды в насосе в Т, s- диаграмме не изображен, так как в точке 3 изобары p₁ и р₂ практически сливаются. Кроме того, работа насоса весьма мала в сравнении с работой расширения пара в турбине, поэтому из рассмотрения ее можно исключить.

Эффективность полученного цикла оценивается термическим КПД, определяемым по общей формуле: .

Подведенное в цикле тепло q₁ отражается на Т, s- диаграмме площадью 3–4–5–1–7–6. Поскольку процесс подвода тепла осуществляется изобарно, то количество тепла равно разности энтальпий начала и конца процесса: q₁=h₁–h₃.

Энтальпия точки 3 представляет собой энтальпию кипящей жидкости при давлении p₂, поэтому можно записать: .

Отведенное от рабочего тела в конденсаторе тепло (площадка 3–2–7–6) запишется как .

Подставляя значения q₁ и q₂ в исходное уравнение, получаем формулу термического КПД идеального цикла Ренкина:

.

Величину термического КПД цикла Ренкина удобно определять с помощью h, s- диаграммы (рис. 6.14). По заданным начальным параметрам р₁ и t₁ находят точку 1 и определяют энтальпию h₁. Через точку 1 проводят вертикальную линию до пересечения с изобарой р₂. Полученный отрезок 1–2 характеризует процесс адиабатного расширения пара в проточной части турбины. В точке 2 определяют энтальпию h₂. Разность энтальпий h₁–h₂ представляет собой располагаемый теплоперепад h₀. Энтальпия конденсата h₂‘ определяется по температуре насыщения t₂, соответствующей давлению p₂. При t₂

Рис. 6.14. Определение КПД цикла Ренкина с помощью h, s- диаграммы

Даже при высоких начальных параметрах пара (p₁ около 23 МПа и t₁ примерно 550 °С) и малом конечном давлении (р₂=0,003–0,005 МПа) термический КПД цикла Ренкина не превышает величины η_t=0,45–0,47. С учетом же тепловых, механических и электрических потерь общий КПД установки составляет всего 0,3–0,35.

Отсюда становится ясным, что помимо повышения начальных параметров пара и поддержания вакуума в конденсаторе необходимо изыскивать и другие пути совершенствования паросиловых установок.

Одним из таких усовершенствований является применение промежуточного перегрева пара. Перегретый пар с параметрами р₁, t₁ подается в часть высокого давления турбины I (рис. 6.15), где расширяется до некоторого промежуточного давления р_п. Затем пар вновь направляется в котельный агрегат, где в пароперегревателе ПП2 осуществляется вторичный его перегрев примерно до той же температуры t₁, однако при меньшем давлении р_п. В части низкого давления II пар расширяется до конечного давления р₂.

Рис. 6.15. Принципиальная схема и цикл паротурбинной установки

с промежуточным перегревом пара

Одной из задач такого цикла является повышение сухости пара в конце его расширения. Действительно, если из точки 1 (рис. 6.15) провести расширение до конечного давления р₂, то степень сухости x_c в точке с будет меньше, чем х₂. Другими словами, применение промперегрева пара уменьшает его влажность в конце расширения, что благоприятно сказывается на работе последних ступеней турбины.

С другой стороны, введение промперегрева пара в современных установках приводит к увеличению его термического КПД на 2–3 %. Анализируя цикл в T, s- диаграмме, можно заметить, что дополнительная часть цикла а–b–2–с, образующаяся за счет промперегрева, дает прирост термического КПД всего цикла, если средняя температура подвода тепла в процессе а–b больше, чем средняя температура подвода тепла основной части цикла. Следовательно, давление промперегрева р_п должно выбираться таким образом, чтобы это условие выдерживалось.

Формула термического КПД цикла с промперегревом пара (в соответствии с обозначениями рис. 6.15) имеет вид

.

Источник

Способы повышения к.п.д. паросиловых установок

К. п. д. цикла Ренкина даже в установках с высокими параметрами пара не превышает 50%. В реальных установках из-за наличия внутренних потерь в турбине значение к. п. д. еще меньше.

На величины энтальпий, входящих в выражение (9) оказывают влияние три параметра рабочего тела –– начальное давление р₁ и начальная температура Т₁ перегретого пара на входе в турбину и конечное давление р₂ на выходе из турбины. Это приводит к увеличению теплоперепада и как следствие этого, к увеличению удельной работы и к. п. д. цикла.

Кроме изменения параметров пара повысить экономичность паросиловых установок можно за счет усложнения схем самой установки.

На основании выше сказанного выявляются следующие пути повышения термического к. п. д.

1. Повышение начального давления р₁ при неизменных параметрах Т₁ и р₂ (рис. 15, а). На диаграмме показаны циклы Ренкина при максимальных давлениях р₁ и р_1а > р₁. Сопоставление этих циклов показывает, что с увеличением давления до р_1а теплопререпад имеет большее значение, чем , а количество подводимой теплоты уменьшается. Такое изменение энергетических составляющих цикла с ростом давления р₁ увеличивает термический к. п. д. Этот метод дает значительное повышение эффективности цикла, но в результате повышения р₁ (давление в паросиловых установках может достигать до 30 ата) увеличивается влажность пара, выходящего из турбины, что вызывает преждевременную коррозию лопаток турбины.

2. Увеличение начальной температуры Т₁ при неизменных параметрах р₁ и р₂ (рис. 15, б). Сопоставляя циклы в диаграмме при температурах Т₁ и Т_1а > Т₁ можно увидеть, что разность энтальпий увеличивается в большей степени чем разность , так как изобара протекает более круто, чем изобара . При таком изменении разности энтальпий с ростом максимальной температуры цикла термический к. п. д. возрастает. Недостатком этого метода является то, что для пароперегревателя требуется жаропрочный металл, температура перегретого пара может достигать до 650 °С.

3. Одновременное повышение давления р₁ и температуры Т₁ при постоянном давлении р₂. Повышение как р₁ так и Т₁ увеличивает термический к. п. д. Влияние их на влажность пара в конце расширения противоположно, с повышением р₁ она возрастает, а с увеличением Т₁ –– уменьшается. В конечном итоге состояние пара будет определяться степенью изменения величин р₁ и Т₁.

4. Понижение давление р₂ при постоянных параметрах Т₁ и р₁ (рис. 15, в). С понижением р₂ увеличивается степень расширения пара в турбине и техническая работа возрастает ∆l = l_a – l. При этом количество отводимой теплоты меньше, чем (изобара при меньшем давлении более пологая), а количество подводимой теплоты возрастает на величину . В результате термический к. п. д. цикла увеличивается. Понижая давление р₂ можно достигнуть на выходе из конденсатора температуры равной температуре окружающей среды, но при этом в конденсационном устройстве придется создавать вакуум, так как температуре соответствует давление р₂ = 0,04 ата.

5. Использование вторичного (промежуточного) перегрева пара (рис. 15, г). На диаграмме прямая 1–2 показывает расширение пара до некоторого давления р_1а в первом цилиндре двигателя, линия 2–1_а –– вторичный перегрев пара при давлении р_1а и прямая 1_а–2_а –– адиабатное расширение пара во втором цилиндре до конечного давления р₂.

Термический к. п. д. такого цикла определяется по выражению

.

Применение вторичного перегрева пара приводит к снижению влажности пара на выходе из турбины и к некоторому увеличению технической работы. Повышение к.п.д. в этом цикле незначительное, всего 2–3 %, и такая схема требует усложнения конструкции паровой турбины.

6. Применение регенеративного цикла. В регенеративном цикле питательная вода после насоса протекает через один или несколько регенераторов, где нагревается паром, частично отбираемым после расширения его в некоторых ступенях турбины (рис. 16).

Рис. 15. Пути повышения термического к.п.д. цикла Ренкина

Рис. 16. Схема паросиловой установки, работающей

по регенеративному циклу:

1 –– котел; 2 –– пароперегреватель; 3 –– паровая турбина; 4 –– электрогенератор; 5 –– охладитель-конденсатор; 6 –– насос; 7 –– регенератор; α –– доля отбора пара

Количество отобранного пара будет определяться из уравнения теплового баланса для регенератора

,

где –– энтальпия конденсата при конечном давлении пара р₂; –– энтальпия пара, отбираемого из турбины; –– энтальпия конденсата при давлении отбора пара.

Полезная работа 1 кг пара в турбине будет определяться по формуле:

.

Количество теплоты затраченной на 1 кг пара, составляет

.

Тогда термический к.п.д. в регенеративном цикле будет найден

.

Подробное исследование регенеративного цикла показывает, что его термический к.п.д. всегда больше термического к.п.д. цикла Ренкина с теми же начальными и конечными параметрами. Увеличение к.п.д. при использовании регенерации составляет 10–15 % и возрастает с увеличением количеств отбора пара.

7. Применение теплофикационного цикла. В теплофикационном цикле утилизируется теплота, отдаваемая паром охлаждающей воде, которая обычно используется в отопительных системах, в системах горячего водоснабжения и для других целей. При этом теплота q₁, подводимая к рабочему телу, может в разной степени перераспределяться дл получения технической работы и теплоснабжения. В теплофикационном цикле (рис. 17) часть электроэнергии недорабатывается, так как часть теплоты пара отбираемого из турбины расходуется у потребителя.

Рис. 17. Схема паросиловой установки, работающей по

1 –– котел; 2 –– пароперегреватель; 3 –– паровая турбина; 4 –– электрогенератор; 5 –– охладитель-конденсатор; 6 –– насос; 7 –– потребитель теплоты

Количество теплоты, полученное рабочим телом, частично превращается в полезную работу лопаток турбины , а частично затрачивается для целей теплоснабжения у потребителей . Поскольку и та и другая работы являются полезными, то термический к. п. д. теряет свой смысл.

К.п.д. теплофикационного цикла будет определяться

.

Так как в теплофикационном цикле вырабатывается два вида продукции (электроэнергия и теплота), то приходится различать внутренний КПД по выработке теплоты и средневзвешенный КПД по выработке электроэнергии и теплоты. Каждый из них равен единице, поскольку в пределах цикла потерь нет.

В реальности к.п.д. теплофикационного цикла не может быть равен единице, так как всегда существуют механические потери в турбине и гидравлические потери в системах теплоснабжения.

Источник