Теоретическая характеристика циклов паросиловых установок

Теоретическая характеристика циклов паросиловых установок.

 

Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (п. с. у.), которые являются базой современной крупной энергетики. Принципиальная схема простейшей паросиловой установки показана на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Принципиальная тепловая схема паросиловой установки

В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p1, t1, i1,который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p2 с совершением технической работы, приводящей во вращательное движение ротор электрического генератора 3. Затем пар поступает в конденсатор 4, который представляет собой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркулирующей водой. В конденсаторе при помощи охлаждающей воды от пара отнимается теплота парообразования и пар переходит при постоянных давлении р2 и температуре t2 в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется. На рис. 8.2 приведена схема паровой турбины. Турбинные установки предназначены для преобразования энергии рабочего тела (пара, газа), имеющего высокое давление и температуру, в механическую энергию вращения ротора турбины. Турбины используют в качестве двигателей электрогенераторов, турбокомпрессоров, воздуходувок, насосов.

В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p1, t1, i1,который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p2 с совершением технической работы, приводящей во вращательное движение ротор электрического генератора 3. Затем пар поступает в конденсатор 4, который представляет собой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркулирующей водой. В конденсаторе при помощи охлаждающей воды от пара отнимается теплота парообразования и пар переходит при постоянных давлении р2 и температуре t2 в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется. На рис. 8.2 приведена схема паровой турбины. Турбинные установки предназначены для преобразования энергии рабочего тела (пара, газа), имеющего высокое давление и температуру, в механическую энергию вращения ротора турбины. Турбины используют в качестве двигателей электрогенераторов, турбокомпрессоров, воздуходувок, насосов.

Рис. 8.2. Схема одноступенчатой турбины активного типа

Водяной пар с высоким давлением и температурой поступает в сопло 1, при истечении из которого его давление снижается, а кинетическая энергия увеличивается. Струя пара направляется на закреплённые на диске 3 ротора турбины лопатки 2, отдавая им часть своей кинетической энергии, которая через лопатки передаётся вращающемуся ротору. Обычно турбина имеет несколько сопел, составляющих сопловый аппарат. Рабочие лопатки расположены по всей окружности диска и образуют рабочую решётку. Сопловый аппарат и рабочая решётка составляют ступень турбины, а каналы для прохода газа - проточную часть турбины. Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые, активного и реактивного типов. В активных турбинах процесс расширения пара происходит только в соплах, а в реактивных - в соплах и в каналах рабочих лопаток.

Водяной пар с высоким давлением и температурой поступает в сопло 1, при истечении из которого его давление снижается, а кинетическая энергия увеличивается. Струя пара направляется на закреплённые на диске 3 ротора турбины лопатки 2, отдавая им часть своей кинетической энергии, которая через лопатки передаётся вращающемуся ротору. Обычно турбина имеет несколько сопел, составляющих сопловый аппарат. Рабочие лопатки расположены по всей окружности диска и образуют рабочую решётку. Сопловый аппарат и рабочая решётка составляют ступень турбины, а каналы для прохода газа - проточную часть турбины. Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые, активного и реактивного типов. В активных турбинах процесс расширения пара происходит только в соплах, а в реактивных - в соплах и в каналах рабочих лопаток.

Описание работы цикла.

 

В 1824 г. С.Карно впервые рассмотрел обратимый термодинамический цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл представляет собой замкнутый процесс, совершаемый рабочим телом в идеальной тепловой машине при наличии двух истопников теплоты: нагревателя (горячего источника) с температурой T1 и холодильника (холодного источника) с температурой T2 Цикл Карно в pv-диаграмме изображен на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Прямой цикл Карно

Процессы 1—2 и 3—4 являются изотермическими, а 2—3 и 4—1 — адиабатными. Начальная температура рабочего тела в цикле принимается равной температуре нагревателя T1. При изотермическом расширении от состояния 1 до состояния 2 рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты q1при температуре T1. На участке 2—3 рабочее тело адиабатно расширяется. При этом температура рабочего тела понижается от T1 до T2, а давление падает от p2 до p3. При сжатии по изотерме 3—4 от рабочего тела отводится к холодильнику количество теплоты q2 при температуре T2. Дальнейшее сжатие по адиабате 4—1 приводит к повышению температуры рабочего тела от T2 до T1, а рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. Суммарная работа цикла lц графически изображается площадью 12341. Термический к. п. д. цикла

Процессы 1—2 и 3—4 являются изотермическими, а 2—3 и 4—1 — адиабатными. Начальная температура рабочего тела в цикле принимается равной температуре нагревателя T1. При изотермическом расширении от состояния 1 до состояния 2 рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты q1при температуре T1. На участке 2—3 рабочее тело адиабатно расширяется. При этом температура рабочего тела понижается от T1 до T2, а давление падает от p2 до p3. При сжатии по изотерме 3—4 от рабочего тела отводится к холодильнику количество теплоты q2 при температуре T2. Дальнейшее сжатие по адиабате 4—1 приводит к повышению температуры рабочего тела от T2 до T1, а рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. Суммарная работа цикла lц графически изображается площадью 12341. Термический к. п. д. цикла

.

(5.2)

 

 

Количество теплоты q1 и q2 определим из уравнений

Количество теплоты q1 и q2 определим из уравнений

 

 

(5.3)

Подставляя полученные значения q1 и q2 в уравнение (5.2), находим

Подставляя полученные значения q1 и q2 в уравнение (5.2), находим

 

Покажем, что

(5.4)

 

 

Для адиабатных процессов расширения 2—3 и сжатия 4—1 соответственно имеем

и

,

 

 

откуда

или

 

 

(5.5)

С учетом соотношения (5.4) уравнение (5.3) принимает вид

С учетом соотношения (5.4) уравнение (5.3) принимает вид

 

 

Из уравнения (5.5) следует:

1. Термический к. п. д. цикла  Карно зависит только от абсолютных  температур нагревателя T1 и холодильника T2. Он возрастает с увеличением температуры T1 и уменьшением T2, то есть чем больше разность температур T1—T2, тем выше к. п. д. цикла Карно.

2. Термический к. п. д. цикла  Карно всегда меньше единицы. Равенство ηt=1 возможно только при T2=О или T1=∞, что практически невозможно реализовать.

Теплота q1, подводимая к рабочему телу в цикле Карно, не может быть полностью превращена в работу, значительное количество теплоты отводится к теплоприемнику.

3. Термический к. п. д. цикла  Карно при T1=T2 равен нулю, таким образом, невозможно превращение теплоты в работу, если все тела системы имеют одинаковую температуру, то есть находятся между собой в тепловом равновесии.

4. Термический к. п. д. цикла  Карно не зависит от устройства  двигателя и физических свойств  рабочего тела, а зависит лишь  от температур нагревателя T1 и холодильника T2. Это положение известно под названием теоремы Карно. Последнее следует из того, что формула (5.5) не содержит величин, характеризующих свойства рабочего тела.

Схема простейшей паросиловой установки.

 

 

 

1 – паровой котёл

2 – пароперегреватель

3 – паропровод

4 – паровая турбина

5 – конденсатор

6 – питательный    насос

Паросиловой установкой называют теплосиловую установку, в которой теплосиловым двигателем является паровая турбина, использующая в качестве рабочего тела пар какого-либо вещества. В качестве рабочего тела в ПСУ используется главным образом вода или водяной пар. Это рабочее тело совершает круговой процесс, причем полезная работа кругового процесса может быть преобразована в зависимости от назначения установки в механическую энергию (работу) или электрическую энергию (электричество)

Органическое топливо, непрерывно подаваемое в топочное устройство котла (1), после сгорания превращается в парообразные продукты сгорания, которые передают теплоту рабочему телу в котле и пароперегревателе. Вода в парогенераторе (котел + пароперегреватель) превращается в пар, направляемый в турбину (4). Пар в турбине расширяется, поступает в конденсатор (5), где после конденсации превращается в воду (конденсат). После конденсатора конденсат с помощью насоса (6) возвращается в парогенератор. Неиспользованная теплота отводится  с выходящей из конденсатора (5) охлаждающей водой. 

 

Пути повышения эффективности паросиловых установок.

 

Повышение эффективности паросиловых установок достигается повышением начальных параметров пара, развитием регенеративного подогрева питательной воды и введением промежуточного перегрева пара. Тепловая экономичность ТЭЦ улучшается при повышении начальных параметров пара, снижении давления пара в отборах турбин, применении многоступенчатого подогрева сетевой воды, увеличении числа часов использования тепловой мощности отборов, ограничении доли конденсационной выработки электрической энергии на ТЭЦ. Это обстоятельство показывает, что помимо повышения начальных параметров пара необходимо изыскивать и другие пути усовершенствования паросиловых установок. 

 

margin-bottom: 0pt; line-height: 18pt;">

 Современные паросиловые установки электрических станций развиваются в направлении повышения начальных параметров пара. В связи с ростом единичных мощностей турбоустановок и повышением начальных параметров пара предъявляются все более высокие требования к деаэрирующей способности крупных конденсаторов.

Выработка теплофикационной электроэнергии на ТЭЦ значительно возрастает при повышении начальных параметров пара ( Р₀ ) - В то же время с повышением начальных параметров рабочего тела увеличиваются капитальные затраты на ТЭЦ.

Поэтому выбор начальных параметров пара или другого рабочего тела для агрегатов ТЭЦ должен быть экономически обоснован с учетом удельной стоимости топлива. Из сказанного видно, что тепловая экономичность установки повышается с повышением начальных параметров пара, однако при этом повышаются расходы на изготовление оборудования. 

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии для тепловых процессов) определяет количественное соотношение между изменением внутренней энергии системы дельта U, количеством теплоты Q, подведенным к ней, и суммарной работой внешних сил A, действующих на систему.

Первый закон термодинамики - Изменение внутренней энергии системы при ее переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведенного к системе извне, и работы внешних сил, действующих на нее:

Первый закон термодинамики - количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:

Второй Закон Термодинамики

Второй Закон Термодинамики установлен эмпирическим путем. Впервые его сформулировал Клаузиус: "теплота сама собой переходит лишь от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и не может самопроизвольно переходить в обратном направлении". Другая формулировка: все самопроизвольные процессы в природе идут с увеличением энтропии. (Энтропия - мера хаотичности, неупорядоченности системы). Рассмотрим систему из двух контактирующих тел с разными температурами. Тепло пойдет от тела с большей температурой к телу с меньшей, до тех пор, пока температуры обоих тел не выровняются. При этом от одного тела к другому будет передано определенное количество тепла dQ. Но энтропия при этом у первого тела уменьшится на меньшую величину, чем она увеличится у второго тела, которое принимает теплоту, так как, по определению, dS=dQ/T (температура в знаменателе!).

То есть, в результате этого самопроизвольного процесса энтропия системы из двух тел станет больше суммы энтропий этих тел до начала процесса.

Иначе говоря, самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с высокой Т к телу с более низкой Т привел к тому, что энтропия системы из этих двух тел увеличилась! Заметим, что, рассматривая эту систему из двух тел, мы подразумевали, что внешнего теплопритока в нее или тепло оттока из нее нет - то есть, считали ее изолированной (или замкнутой). Отсюда еще одна формулировка Второго Закона Термодинамики: "При прохождении в изолированной системе самопроизвольных процессов энтропия системы возрастает". Или: "Энтропия изолированной системы стремится к максимуму" - так как самопроизвольные процессы передачи тепла всегда будут происходить, пока есть перепады температур.

А что будет, если наша система из двух тел будет не изолирована (незамкнута) и, допустим, в нее поступает тепло? Ясно, что ее энтропия будет увеличиваться еще больше, так как при получении телом тепла энтропия его увеличивается (dS = dQ/T). Но для простоты формулировки этот момент обычно не упоминают и поэтому формулируют Второй Закон термодинамики именно для изолированных систем. Хотя, как мы видим, он действует точно также и для открытых систем в случае поступления в них тепла.

Используя I-S диаграмму водяного пара строим процесс расширения пара основного теоретического цикла, начальное состояние которого при входе в турбину характеризуется параметрами Р1, t1. На пересечении изобары Р1 и изотермы t1 находим точку 1. По диаграмме I-S определяем значение энтальпии I1 и энтропии S1. Затем отмечаем изобары P0 и P2 –давления пара при отборе и давление пара при выходе из турбины и из точки 1 опускаем перпендикуляр до пересечения с линиями, соответствующими P0 и P2 , получив точки 0 и 2. Точка 0 соответствует состоянию пара при выходе из турбины. Отрезок  1-2 численно равен адиабатному тепло перепаду одного килограмма пара в идеальной однокорпусной турбине. Найдя точку 2, определяем по диаграмме значение энтальпии пара I2. Затем, используя, таблицы  «Термодинамических свойств воды и водяного пара» определяем, энтальпию I2' и энтропию S2' кипящей жидкости при давлении пара в конденсаторе. По I-S  диаграмме водяного пара определяем степень сухости пара  Х2  в конце теоретического процесса расширения пара в турбине.

 Теоретический располагаемый  тепло перепад в турбине.

h = i1-i2 ,      (1)

Теоретическое количество подведенной удельной теплоты в основном цикле.

q1 = i1-i2* ,     (2)

Теоретическое количество отведенной удельной теплоты в основном цикле

q2 = i2-i2* ,    (3)

Теоретическое количество полезной удельной работы  в основном цикле.

l = q1- q2 = (i*1- i2)- (i*2- i2) = i*1- i2  ,      (4)

Тепломеханический коэффициент основного теоретического цикла паросиловой установки, вычисленный через энергобалансовые характеристики (q1, q2, l)

 (5)

 

 

Вычисленные энергобалансовые характеристики заносятся в таблицу 1.

Р1 МПа	t1			Р2 МПа	t2					Х2 -	h				%
0,6	220	2890	7,03	0,1	100	2560	7,03	670,6	1,9311	0,950	330	2219,4	1889,4	330	14,86

     

     

   По исходным и  полученным в расчете данным  строим T-S-диаграмму основного цикла паросиловой установки (цикл Ренкина). Линии кипящей жидкости (Х =0) и сухого насыщенного пара (Х =1) наносятся на график по данным, приведенным в таблице 2.

Таблица значений параметров водяного пара на линии насыщения.

P МПа	Р Бар	t	Т К
Р1 =0,6	6	158,84	431,84	1,9311	6,7609
Ро =0,3	3	133,54	406,54	1,6716	6,9922
Р2 =0,1	1	99,62	372,62	1,3026	7,3579

 

 

 

                                                                                                                            

 

 

 

Диаграмма выполняется на миллиметровой бумаге в выбранном масштабе. Значения параметров пара откладываются на осях T-S. Пограничные кривые диаграммы T-S (линии кипящей жидкости Х=0 и линия сухого насыщенного пара Х=1), наносятся по данным, приведенным в таблице 2 значений исходных данных Р1=0,6 , Р0=0,3 , Р2=0,1; значения абсолютных температур насыщения Тн1=431,84 , Тн0=406,54 , Тн2=372,62; энтропий кипящей жидкости S1=1,9311 , S0 =1,6716 , S2=1,3026  и энтропии сухого насыщенного пара S1"=6,7609 , S0"=6,9922  , S2"=7,3579 , выбираются по таблицам термодинамических свойств воды и пара по соответствующим значениям давлений. Из точек значений энтропий кипящей жидкости и сухого насыщенного  пара восстанавливаем перпендикуляры до пересечения с соответствующими значениями температур, полученные  точки соединяем плавными кривыми, соответствующими нижней пограничной кривой (кривой кипящей жидкости) и верхней пограничной кривой (кривой сухого насыщенного пара).  Далее изображается цикл Ренкина (рис.4). Начальное состояние пара перед турбиной (точка 1)  определяется на пересечении изотермы                      Т1 – абсолютной температуры пара перед турбиной и линии постоянного значения энтропии S1 (значение S1 определяется по диаграмме I–S). Конечное состояние пара на выходе из турбины (при входе в конденсатор) определяется точкой 2, лежащей на пересечении изобары Р2 и линии постоянного значения энтропии S2= S1. Аналогичным образом  строим процесс расширения пара в турбине  с параметрами Р1' и t1, т.е. с повышенным давлением пара, поступающего в турбину  и с той же температурой. Для этого случая определяются значения тепломеханического коэффициента через энергобалансовые характеристики.                                   Построение проводятся аналогично описанному ранее в разделе IV.1. При этом  параметры  рабочего тела вносят в таблицы аналогично таблицам 1 и 2.      Повышение начального давления приводит к росту конечной влажности пара,  следствием чего является уменьшение полезной работы цикла, ухудшение условий работы ступеней турбины и снижение надежности эксплуатации паровых турбин, поэтому в современных ПСУ чрезмерное повышение влажности пара предотвращают введением промежуточного перегрева пара. Вместе с тем само по себе повышение начального давления оказывает неблагоприятное влияние на массогабаритные характеристики паротурбинного оборудования и трубопроводов, приводит к усложнению и удорожанию установки.

Используя I-S диаграмму водяного пара строим процесс расширения пара основного теоретического цикла, начальное состояние которого при входе в турбину характеризуется параметрами Р1, t1. На пересечении изобары Р1 и изотермы t1 находим точку 1. По диаграмме I-S определяем значение энтальпии I1 и энтропии S1. Затем отмечаем изобары P0 и P2 –давления пара при отборе и давление пара при выходе из турбины и из точки 1 опускаем перпендикуляр до пересечения с линиями, соответствующими P0 и P2 , получив точки 0 и 2. Точка 0 соответствует состоянию пара при выходе из турбины. Отрезок  1-2 численно равен адиабатному теплоперепаду одного килограмма пара в идеальной однокорпусной турбине. Найдя точку 2, определяем по диаграмме значение энтальпии пара I2. Затем, используя, таблицы  «Термодинамических свойств воды и водяного пара» определяем, энтальпию I2' и энтропию S2' кипящей жидкости при давлении пара в конденсаторе. По I-S  диаграмме водяного пара определяем степень сухости пара  Х2  в конце теоретического процесса расширения пара в турбине.

 Теоретический располагаемый  тепло перепад в турбине.

h = i1-i2 ,      (1)

Теоретическое количество подведенной удельной теплоты в основном цикле.

q1 = i1-i2* ,     (2)

Теоретическое количество отведенной удельной теплоты в основном цикле

q2 = i2-i2* ,    (3)

Теоретическое количество полезной удельной работы  в основном цикле.

l = q1- q2 = (i*1- i2)- (i*2- i2) = i*1- i2  ,      (4)

Тепломеханический коэффициент основного теоретического цикла паросиловой установки, вычисленный через энергобалансовые характеристики (q1, q2, l)

 (5)

 

 

 

Вычисленные энергобалансовые характеристики заносятся в таблицу 1.

Р1 МПа	t1			Р2 МПа	t2					Х2 -	h				%
1	220	2880	6,80	0,1	100	2470	6,8	762,4	2,1383	0,908	410	2117,6	1707,6	410	19,36

     

     

   По исходным и  полученным в расчете данным  строим T-S-диаграмму основного цикла паросиловой установки (цикл Ренкина). Линии кипящей жидкости (Х =0) и сухого насыщенного пара (Х =1) наносятся на график по данным, приведенным в таблице 2.

Таблица значений параметров водяного пара на линии насыщения.

P МПа	Р Бар	t	Т К
Р1 =1	10	179,88	452,88	2,1383	6,5867
Ро =0,3	3	133,54	406,54	1,6716	6,9922
Р2 =0,1	1	99,62	372,62	1,3026	7,3579

 

 

 

                                                                                                                            

 

 

 

Диаграмма выполняется на миллиметровой бумаге в выбранном масштабе. Значения параметров пара откладываются на осях T-S. Пограничные кривые диаграммы T-S (линии кипящей жидкости Х=0 и линия сухого насыщенного пара Х=1), наносятся по данным, приведенным в таблице 2 значений исходных данных Р1=1 , Р0=0,3 , Р2=0,1 ; значения абсолютных температур насыщения Тн1=452,88 , Тн0=406,54 , Тн2=372,62 ; энтропий кипящей жидкости S1=2,1383 ,S0=1,6716 , S2=1,3026   и энтропии сухого насыщенного пара S1"=6,5867 , S0"=6,9922 , S2"=7,3579 , выбираются по таблицам термодинамических свойств воды и пара по соответствующим значениям давлений. Из точек значений энтропий кипящей жидкости и сухого насыщенного  пара восстанавливаем перпендикуляры до пересечения с соответствующими значениями температур, полученные  точки соединяем плавными кривыми, соответствующими нижней пограничной кривой (кривой кипящей жидкости) и верхней пограничной кривой (кривой сухого насыщенного пара).  Далее изображается цикл Ренкина (рис.4). Начальное состояние пара перед турбиной (точка 1)  определяется на пересечении изотермы                        Т1 – абсолютной температуры пара перед турбиной и линии постоянного значения энтропии S1 (значение S1 определяется по диаграмме I–S). Конечное состояние пара на выходе из турбины (при входе в конденсатор) определяется точкой 2, лежащей на пересечении изобары Р2 и линии постоянного значения энтропии S2= S1. Аналогичным образом  строим процесс расширения пара в турбине  с параметрами Р1' и t1, т.е. с повышенным давлением пара, поступающего в турбину  и с той же температурой. Для этого случая определяются значения тепломеханического коэффициента через энергобалансовые характеристики.                                         Построение проводятся аналогично описанному ранее в разделе IV.1. При этом  параметры  рабочего тела вносят в таблицы аналогично таблицам 1 и 2.        Повышение начального давления приводит к росту конечной влажности пара,  следствием чего является уменьшение полезной работы цикла, ухудшение условий работы ступеней турбины и снижение надежности эксплуатации паровых турбин, поэтому в современных ПСУ чрезмерное повышение влажности пара предотвращают введением промежуточного перегрева пара. Вместе с тем само по себе повышение начального давления оказывает неблагоприятное влияние на массогабаритные характеристики паротурбинного оборудования и трубопроводов, приводит к усложнению и удорожанию установки.