Термодинамические циклы паротурбинных установок

Паротурбинная установка (ПТУ), энергетическая установка, в которой происходит преобразование теплоты сжигаемого топлива в механическую работу при помощи пара. Включает паровой котел и паровую турбину.

Цикл Карно для ПТУ, цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов и совершаемый в области влажного насыщенного пара. Практическое осуществление этого цикла нецелесообразно. Это связано с газодинамически несовершенным течением влажного пара в проточной части турбин и компрессоров, что приводит к снижению внутренних относительных КПД этих устройств и, следовательно, к снижению внутреннего КПД ПТУ.

Цикл Ренкина, цикл ПТУ, в котором пар после турбины полностью конденсируется (до жидкого состояния), а полученный конденсат адиабатно сжимается в насосе до давления в котле. В цикле возможен перегрев пара. Принципиальная схема и цикл с перегревом пара представлены на рисунке.

В паровом котле К происходит изобарный процесс подогрева воды до температуры кипения 4-5 и парообразование 5-6. Пар поступает в пароперегреватель ПП, где изобарно перегревается 6-1. Перегретый пар адиабатно расширяется в турбине Т, процесс 1-2, в результате кинетическая энергия пара преобразуется в механическую работу вращения вала турбины и связанного с ней генератора Г. Затем пар поступает в конденсатор КН, где за счет охлаждающей воды изобарно конденсируется, процесс 2-3. Конденсат адиабатно сжимается в насосе Н, процесс 3-4, и поступает в котел.

Таким образом, подвод теплоты в цикле Ренкина происходит изобарно в процессе 4-5-6-1: q₁ = h₁ – h₄. Отвод теплоты происходит изобарно в процессе 2-3: q₂ = h₂ – h₃. Работа (располагаемая) получатся в турбине в адиабатном процессе 1-2: l_T = h₁ – h₂. Работа затрачивается в насосе в адиабатном процессе 3-4: l_Н = h₄ – h₃. Полезная работа, получаемая в цикле: l_ПТУ = l_T – l_Н = q₁ – q₂. Термический КПД цикла: . Поскольку работа, затраченная в насосе гораздо меньше работы произведенной турбиной, то для прикидочных расчетов величиной l_Н можно пренебречь. Величина термического КПД зависит от параметров пара на входе и выходе из турбины. КПД увеличивается если: увеличивается начальное давление р₁ и температура t₁, а также уменьшается конечное давление р₂.

Цикл Ренкина является основным циклом ПТУ.

Цикл ПТУ с промежуточным перегревом пара, цикл, в котором пар последовательно адиабатно расширяется в нескольких ступенях турбины, между которыми осуществляется его дополнительный перегрев (см. рисунок). В паровом котле 1 происходит изобарный нагрев воды до температуры кипения и парообразование 6-7-8. В пароперегревателе 2 пар изобарно перегревается, процесс 8-1, а затем адиабатно расширяется, процесс 1-2, в цилиндре высокого давления турбины 3. В промежуточном перегревателе 4 пар вторично изобарно перегревается, процесс 2-3, и поступает в цилиндр низкого давления 5, где адиабатно расширяется – процесс 3-4. Отработанный пар изобарно конденсируется в конденсаторе 6, процесс 4-5. Конденсат адиабатно сжимается в насосе 7, процесс 5-6. Промежуточный перегрев пара применяют для увеличения термического КПД паротурбинной установки. Полезная работа, получаемая в цикле: l_ПТУ = (h₁ – h₂) + (h₃ – h₄). Подведенная теплота: q₁ = (h₁ – h₆) + (h₃ – h₂). Термический КПД цикла: .

Теплофикационный цикл ПТУ, цикл, в котором теплоту пара, выходящего из турбины, используют в нагревательных приборах различного назначения (отопление, горячее водоснабжение, технологические нужды и т.д.). В цикле Ренкина пар после турбины поступает в конденсатор, где происходит его конденсация при температуре около 35^оС. Воду с такой температурой нельзя применять для бытовых и технологических целей из-за ее низкого температурного потенциала. Если повысить давление на выходе из турбины, например, до 0,1-0,15 МПа, то повысится и температура конденсации. В этом случае пар можно использовать для нагрева воды в системе отопления и горячего водоснабжения. При давлениях на выходе из турбины до 0,5 МПа пар можно использовать для технологических нужд. Такую систему совместной выработки электроэнергии и теплоты называют теплофикацией. Эту систему реализуют на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Термический КПД теплофикационных циклов меньше по сравнению с циклом Ренкина, так как выше давление пара на выходе из турбины, но степень использования теплоты будет выше. Характеристикой эффективности циклов ТЭЦ является коэффициент использования теплоты , где l_ц – полезная работа в теплофикационном цикле; q_пот – теплота отданная потребителям; q₁ – теплота подводимая в цикле.

Регенеративный цикл ПТУ, цикл, в котором вода, перед поступлением в паровой котел, последовательно нагревается в регенеративных подогревателях за счет теплоты пара отбираемого из турбины (см. рисунок). В паровом котле 1 происходит нагрев воды и парообразование. В пароперегревателе 2 пар изобарно перегревается и поступает в турбину 3. Часть пара адиабатно расширяется до конечного давления и поступает в конденсатор 4, а другая часть расширяется частично и поступает в регенеративный подогреватель 6, куда насосом 5 подается и конденсат после конденсатора. Количество регенеративных подогревателей достигает 10. В регенеративном подогревателе конденсат нагревается и поступает в котел. За счет применения регенеративного подогрева уменьшается подведенная теплота в паровом котле и отведенная теплота в конденсаторе, экономится топливо и увеличивается термический КПД в результате увеличения средней температуры подвода теплоты. Величину термического КПД определяют по формуле: , где q₁ – подведенная в цикле теплота; l_К – работа пара полностью расширяющегося в турбине; l₁ – работа пара поступающего в отбор.