Цикл Ренкина на перегретом паре

Изображения идеального цикла перегре­того пара в p-, v-, T-, s-, и h, s-диаграммах приведены на рис. 6.9 и 6.10. Этот цикл отличается от цикла Ренкина на насы­щенном паре (см. рис. 6.6) только на­личием дополнительного перегрева по линии 6-1. Он осуществляется в паропе­регревателе, являющемся элементом па­рового котла.

Термический КПД цикла определяет­ся, как обычно, по уравнению

Теплота подводится при в процессах 4-5 (подогрев воды до темпе­ратуры кипения), 5-6 (парообразование) и 6-1 (перегрев пара). Теплота <7ь под­веденная к 1 кг рабочего тела в изо­барном процессе, равна разности энталь­пий в конечной и начальной точках про­цесса: .

Отвод теплоты в конденсаторе осу­ществляется также по изобаре 2-3, сле­довательно,

Термический КПД цикла

Если не учитывать ничтожного повышения температуры при адиабатном сжатии воды в насосе, то и

где — энтальпия кипящей воды при давлении р_2.

Рисунок 8.9 - Цикл Ренкина на перегретом паре:

а — в p,v- диаграмме; б — в T,s-диаграмме

Рисунок 8.10 - Цикл Ренкина в h,s-диаграмме

Из формулы видно, что КПД идеального цикла Ренкина определяется значениями энтальпий пара до турбины и после нее и энтальпии воды , находящейся при температуре кипения .В свою очередь эти значения опреде­ляются тремя параметрами цикла: дав­лением и температурой пара перед турбиной и давлением р₂ за турбиной, т. е. в конденсаторе.

В самом деле, зная и легко отыскать положение точки 1 в h, s -ди­аграмме и найти энтальпию . Пересечение адиабаты, проведенной из точки 1, с изобарой определяет положение точки 2, т. е. эн­тальпию . Наконец, энтальпия воды, закипающей при давлении р₂, зависит только от этого давления.

Перегрев пара увеличивает среднюю температуру подвода теплоты в цикле, не меняя температуру отвода теплоты. По­этому термический КПД паросиловой установки возрастает с увеличением тем­пературы пара перед двигателем. Для примера ниже приведена зависимость от при абсолютных давлениях = 9,8 МПа и р₂ = 3,9 кПа:

, ºC
, %	40,5		42,5	44,2

С увеличением давления пара перед турбиной при постоянных и р₂ полез­ная работа цикла возрастает, т. е. . В то же время количество подведенной за цикл теплоты несколько уменьшается за счет умень­шения энтальпии перегретого пара . Поэтому чем выше давление тем боль­ше КПД идеального цикла Ренкина.

Рисунок 8.11 - Влияние давления перегретого пара на параметры цикла Ренкина

На рисунке 8.11 видно, что большему давлению перед турбиной соответствует более высокая влажность выходящего из нее пара. При из турбины вы­ходит перегретый пар; при он по­лучается уже слегка влажным, а при степень сухости его значитель­но меньше единицы. Содержание капелек воды в паре увеличивает потери от тре­ния его в проточной части турбины. По­этому одновременно с повышением дав­ления пара за паровым котлом необходи­мо повышать и температуру его перегре­ва, чтобы поддерживать влажность вы­ходящего из турбины пара в заданных пределах.

С этой же целью пар, частично рас­ширившийся в турбине, возвращают в котел и снова перегревают (уже яри меньшем давлении), осуществляя так называемый вторичный (а иногда и тре­тичный) подогрев. Одновременно это по­вышает термический КПД цикла.

Турбины атомных электростанций, работающие на насыщенном паре, имеют специальную конструкцию, позволяю­щую отводить выделяющуюся при кон­денсации воду.

Повышение параметров пара опреде­ляется уровнем развития металлургии, оставляющей металлы для котлов и турбин. Получение пара с температу­рой 535—565 °С стало возможным лишь благодаря применению низколегирован­ных сталей, из которых изготовляются пароперегреватели и горячие части тур­бин. Переход на более высокие парамет­ры (580—650 °С) требуют применения дорогостоящих высоколегированных (аустенитных) сталей.

При уменьшении давления р₂ пара за турбиной уменьшается средняя темпера­тура отвода теплоты в цикле, а сред­няя температура подвода теплоты меня­ется мало. Поэтому чем меньше давление пара за турбиной, тем выше КПД паро­силовой установки.

Давление за турбиной, равное давле­нию пара в конденсаторе, определяется температурой охлаждающей воды. Если среднегодовая температура охлаждаю­щей воды на входе в конденсатор со­ставляет приблизительно 10—15 ^СС, то из конденсатора она выходит нагретой до 20—25 °С. Пар может конденсиро­ваться только в том случае, если обеспе­чен отвод выделяющейся теплоты, а для этого нужно, чтобы температура пара в конденсаторе была больше температу­ры охлаждающей воды хотя бы на 5—10°С. Поэтому температура насыщенно­го пара в конденсаторе составляет обыч­но 25—35 °С, а абсолютное давление этого пара р₂ соответственно 3—5 кПа. Повышение КПД цикла за счет дальней­шего снижения р₂ практически невоз­можно из-за отсутствия естественных ох­ладителей с более низкой температурой.

Теплофикация.Имеется, однако, воз­можность повысить эффективность паро­силовой установки путем увеличения, а не уменьшения давления и температу­ры за турбиной до такой величины, что­бы отбросную теплоту (которая состав­ляет более половины всего количества теплоты, затраченной в цикле) можно было использовать для отопления, горя­чего водоснабжения и различных техно­логических процессов (рис. 6.12). С этой целью охлаждающая вода, нагретая в конденсаторе К, не выбрасывается в водоем, как в чисто конденсационном цикле, а прогоняется через отопительные приборы теплового потребителя ТП и, охлаждаясь в них, отдает полученную в конденсаторе теплоту. В результате станция, работающая по такой схеме, одновременно вырабатывает и электри­ческую энергию, и теплоту. Такая станция называется теплоэлектроцентралью (ТЭЦ).

Рисунок 8.12 - Схема установки для совместной выработки тепловой и электрической энергии: ПК. — паровой котел; Т — паровая турбина; К — конденсатор-подогреватель; Н — насос; ТП — теп­ловой потребитель. Цифры соответствуют точкам цикла в Т,s диаграмме

Охлаждающую воду можно исполь­зовать для отопления лишь при том усло­вии, что ее температура не ниже 70— 100 °С. Температура пара в конденсато­ре (подогревателе) К должна быть хотя бы на 10—15 °С выше. В большинстве случаев она получается больше 100°С, а давление насыщенного пара при этой температуре выше атмосферного. Поэтому турбины, работающие по такой схеме, называются турбинами с противо­давлением.

Итак, давление за турбиной с про­тиводавлением получается обычно не ме­нее 0,1—0,15 МПа вместо около 4 кПа за конденсационной турбиной, что, ко­нечно, приводит к уменьшению работы пара в турбине и соответствующему уве­личению количества отбросной теплоты. Это видно на рис. , где полезно ис­пользованная теплота <?„ в конденсаци­онном цикле изображается площадью /-2'-3'-4'-5-6, а при противодавлении — площадью 1-2-3-4-5-6. Площадь 2-2'-3'-4 дает уменьшение полезной работы из-за повышения давления за турбиной с р₁ до р₂.

Термический КПД установки с про­тиводавлением получается ниже, чем конденсационной установки, т. е. в элек­троэнергию превращается меньшая часть теплоты топлива. Зато общая сте­пень использования этой теплоты стано­вится значительно большей, чем в кон­денсационной установке. В идеальном цикле с противодавлением теплота, за­траченная в котлоагрегате на получение пара (площадь 1-7-8-4-5-6), полностью используется потребителями. Часть ее (площадь 1-2-4-5-6) превращается в ме­ханическую или электрическую энергию, а часть (площадь 2-7-8-4) отдается тепловому потребителю в виде теплоты пара или горячей воды.

При установке турбины с противо­давлением каждый килограмм пара со­вершает полезную работу и отдает тепловому потребителю количе­ство теплоты . Мощность установки по выработке электроэнергии и ее тепловая мощность пропорциональны расходу пара D т. е. жестко связаны. Это неудобно на практике, ибо графики потребности в электроэнергии и теплоте почти никогда не совпадают.

Чтобы избавиться от такой жесткой связи, на станциях широко применяют турбины с регулируемым проме­жуточным отбором пара. Такая турбина состоит из двух частей: части высокого давления (ЧВД), в которой пар расширяется от давления до давления р_от6, необходи­мого для теплового потребителя, и части низкого давления (ЧНД), где пар рас­ширяется до давления р₂ в конденсаторе. Через ЧВД проходит весь пар, выраба­тываемый котлоагрегатом. Часть его (при давлении р_от6) отбирается и поступает к тепловому потребителю. Остальной пар в количестве проходит через ЧНД в конденсатор К. Регулируя соотношения между и , можно независимо менять как тепловую, так и электрическую нагрузки турбины с промежуточным отбором, чем и объяс­няется их широкое распространение на ТЭЦ. При необходимости предусматри­ваются два и более регулируемых отбора с разными параметрами пара. Наряду с регулируемыми каждая турбина имеет еще несколько нерегу­лируемых отборов пара, исполь­зуемых для регенеративного подогрева питательной воды, существенно повыша­ющего термический КПД цикла.

Своеобразная «теплофикация» мо­жет осуществляться даже на чисто кон­денсационных станциях, где охлаждаю­щая вода из конденсаторов использует­ся, например, для обогрева бассейнов или водоемов, где искусственно выращи­вается рыба. Отбросная теплота может использоваться для обогрева парников, теплиц и т. д. Конечно, потребное в рай­оне ТЭЦ количество теплоты для этих целей значительно меньше общего коли­чества отбросной теплоты, но, тем не ме­нее, такое ее использование является эле­ментом безотходной технологии — техно­логии будущего.

Рисунок 8.13 - Теплофикационный цикл в Т,s -диаграмме

Рисунок 8.14 - Установка турбины с регулируемым отбором пара

Несмотря на большие потери эксергии при передаче теплоты от продуктов сгорания к пару, КПД паросиловых установок в среднем выше, чем у ГТУ, и близок к КПД ДВС, прежде всего за счет хорошего использования располага­емой эксергии пара. (Как указано выше, его температура на выходе из конденса­ционной турбины составляет 28—30 °С.) С другой стороны, большой располагае­мый теплоперепад в турбине и связанный с этим относительно низкий удельный расход пара на выработку 1 кВт позво­ляют создать паровые турбины на ко­лоссальные мощности — до 1200 МВт в одном агрегате! Поэтому паросиловые установки безраздельно господствуют как на тепловых, так и на атомных элек­тростанциях. Паровые турбины приме­няют также для привода турбовоздухо­дувок (в частности, в доменном произ­водстве) . Недостаток паротурбинных установок — большие затраты металла, связанные прежде всего с большой мас­сой котлоагрегата. Поэтому они практи­чески не применяются на транспорте и их не делают маломощными.