|
В настоящее время подавляющая часть электроэнергии производится на тепловых электростанциях при помощи паротурбинных установок с использованием водяного пара.
Объясняется это тем, что во-первых, в процессе парообразования удельный объем воды, как, известно, значительно увеличивается. Во-вторых, вода-широко распространенное вещество с невысокой стоимостью.
Рис.1. 8.1. Принципиальная схема паротурбинной установки
Принципиальная схема паротурбинной установки показана на рис.1.8.1 , ее работа осуществляется следующим образом.
При сгорании топлива в топке парогенератора 1 образуются газообразные продукты сгорания, теплота которых передается затем воде и пару через металлическую стенку труб. Вода подогревается до кипения и переходит в насыщенный пар, который при движении через пароперегреватель 2 подсушивается и перегревается. Перегретый пар направляется в паровую турбину 3, где его теплота переходит в механическую работу вращения ротора турбины. В электрическом генераторе, сидящем на одном валу с турбиной, механическая работа переходит в электрическую энергию.
После турбины отработавший пар с низким давлением поступает в конденсатор 4, через который прокачивается охлаждающая вода. Здесь пар отдает теплоту воде и конденсируется. Конденсат откачивается насосом 5, снова подается в парогенератор и цикл повторяется.
Как известно, тепловая машина, работающая по циклу Карно, обладает самой большой эффективностью преобразования энергии, т.е. ее термический к.п.д. наибольший из возможных. Термический к.п.д. цикла Карно зависит только от температуры теплоотдатчика (в данном случае это пароперегреватель) и теплоприемника (конденсатора) и совершенно не зависит от природы рабочего тела.
Рис. 1.8.2 . Схема теплосиловой установки с циклом Карно на влажном паре:
1 — паровой котел; 2 — паровая турбина; 3 — электрогенератор; 4— конденсатор; 5— компрессор
Использование в качестве pабочего тела водяного пара позволяет на практике осуществить цикл Карно относительно просто.
Цикл Карно состоит из изобар (они же изотермы) и двух адиабат.
На рис. 1.8.2 показана схема паровой теплосиловой установки, работающей по циклу Карно на влажном паре.
Практически этот цикл не используется из-за того, что компрессор пригоден для сжатия газа, а для сжатия влажного пара с малым давлением и большим удельным объемом он получается громоздким и на его привод практически уходит та электроэнергия, которую вырабатывает турбина (55%).
Недостаток цикла Карно на влажном паре, может быть в значительной степени устранен, если в конденсаторе водяной пар превратить в жидкое состояние — воду.
В этом случае, для сжатия воды и подачи ее в котел можно использовать не компрессор, а компактный водяной насос, привод которого потребляет значительно меньше энергии.
Первым предложил такую паросиловую установку в середине 50-х годов ХlХ века шотландский ученый и инженер У.Ренкин.
Рис. 1.8.3 Цикл Ренкина в Р-v –диаграмме.
Цикл Ренкина реализуется в двух вариантах: на сухом насыщенном паре (линия 6-2´) и на перегретом паре (линия 1-2).
Рассмотрим эти два цикла в отдельности.
Сухой насыщенный пар, полученный в паровом котле, адиабатно расширяется в паровой турбине, его температура снижается до Т2 и он переходит в состояние влажного насыщенного пара с пониженным давлением р2 (процесс 6-2', пунктирная линия).
Выйдя из турбины, влажный пар попадает в конденсатор (холодильник), где от него при давлении р2 и температуре Т2 отбирается теплота q2и пар переходит в состояние жидкой воды (процесс 2'—3).
Жидкость поступает в насос, где происходит адиабатное сжатие ее до давления р1 (процесс 3— 4).
При сжатии воды ее объем практически не изменяется (потому что жидкость практически несжимаема), а температура повышается всего на несколько градусов. Поэтому воду перед поступлением ее в паровой котел специально подогревают до кипения в специальном теплообменнике — экономайзере — при давлении рх = const (процесс 4—5). Конструктивно экономайзер расположен в том же паровом котле, в нем вода получает дополнительное количество теплоты q1´за счет теплоты сгорания топлива в котле.
Из экономайзера вода поступает в основные испарительные поверхности парового котла, где осуществляется процесс парообразования при р1 = const и Т = const (процесс 5—6). На этом участке кривой цикла подводится теплота q1". Таким
образом, подвод теплоты q1 = q1´ + q1" осуществляется при средней температуре горячего источника (между значениями температуры в точках 4и 6).
Поэтому цикл Ренкина на сухом насыщенном парс имеет более низкий термодинамический КПД, чем цикл Карно.
Повышение давления р1 не приводит к заметному увеличению КПД, в то же время ухудшает условия работы проточной части турбины из-за повышения влажности пара на выходе из турбин.
Существенное увеличение термодинамического КПД цикла Ренкина дает повышение температуры пара Т, (перегрев пара), что хорошо видно на Р-v –диаграмме.
Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом паровых теплосиловых установок.
На p—v-диаграмме цикла Ренкина процессу перегрева пара при р1 = constсоответствует участок 5— 1, на котором подводится теплота q'", а весь цикл с перегревом пара имеет площадь 1—2—3— 4—5—1, которая больше, чем 6—2'—3—4—5—1'.
Следовательно теплота подводится при Р=const (изобарный процесс) в процессах 4-5 (подогрев воды до температуры кипения), 5-6( парообразование) и 6-1 (перегрев пара). Мы знаем, что теплота q1, подведенная к 1кг рабочего тела в изобарном процессе, равна разности энтальпий в конечной и начальной точках процесса:
q1 = h1 – h2´,
где h1 – энтальпия свежего пара;
h2´ - энтальпия конденсата (энтальпия кипящей воды при давлении Р2).
Отвод теплоты в конденсаторе осуществляется также по изобаре (Р=const ), следовательно:
q2 = h2 – h2´,
где h2 – энтальпия отработанного пара;
Судить о работе любого двигателя можно по его к.п.д.
Термодинамический КПД цикла Ренкина с перегревом пара определяется по формуле:
h1 - h2
ηt= ------------
h1 - h2´
КПД идеального цикла Ренкина, определяется значениями энтальпий пара до турбины h1 и после нее h2 и энтальпии воды h2´, находящейся при температуре кипения t2.
Зная Р1, t1, и Р2, по h-s – диаграмме легко можно определить значения энтальпий h1 и h2 . Значение h2´ определяется по термодинамическим таблицам водяного пара и зависит только от давления Р2 (берется, как энтальпия кипящей воды при давлении Р2).
Зачастую, при решении задач необходимо определять:
величину удельного расхода пара:
3600
do = ----------, кг/(кВт·ч)
h1 - h2
удельный расход теплоты:
3600
q0 = do ·q1 = -------------·(h1 - h2´ ) = 3600/ ηt , кДж/(кВт·ч)
h1 - h2
Мы рассмотрели процесс расширения пара для идеального цикла, в то время как,
действительный процесс расширения пара вследствие трения в соплах и на турбины и других внутренних потерь является необратимым процессом и сопровождается увеличением энтропии.
Работа трения переходит в теплоту, которая передается пару, и его энтальпия в конечном состоянии возрастает.
Рисунок 1.8.4. Процесс расширения рабочего тела в /?, s-диаграмме с учетом потерь на трение
Теоретический адиабатный процесс изображается линией 1-2т, а действительный процесс - наклонной линией 1-2д
Действительная работа 1 кг пара :
lд = h1- h2д,
а теоретическая: lт = h1 - h2т
причем lт › lд
Отношение действительной работы lд к теоретической lт характеризует внутренние потери в турбине, называется внутренним относительным КПД и обозначается:
Отношение действительной работы пара в турбине к подведенному теплу q1 , называется абсолютным внутренним КПД и обозначается ηоi :
|
.png)
