Загальна характеристика циклів паросилових установок ( псу ) теплових електростанцій ( тэс ).

Паросиловою установкою називають теплосилову установку, у котрій теплосиловим двигуном є парова турбіна, що використовує як робоче тіло пара якої-небудь речовини. Як робоче тіло в ПСУ використовується головним чином вода й водяний пара. Це робоче тіло робить круговий процес, причому корисна робота кругового процесу може бути перетворена залежно від призначення установки в енергію (роботу) або в електричну енергію (електрика).

У теплоенергетичних установках, називаних тепловими електростанціями (ТЭС), використовується хімічна енергія викопного палива (вугілля, нафти, газу), при цьому хімічна енергія перетворюється в основному у внутрішню енергію газів, що утворяться при горінні. Ця енергія передається у формі теплоти від продуктів згоряння палива до робочого тіла.

Схема простої паросилової установки представлена на мал.1

Мал. І. Схема простої паросилової установки.

І - парогенератор з пароперегрівником, 2 - теплофікаційна парова турбіна з одним регульованим відбором пари, що складається із частини високого тиску (ЧВД) і низького тиску (ЧНД), 3 - генератор електричного току, що приводиться в дію турбіною, 4 - конденсатор, 5 - конденсатний насос, 6 - живильний бак, 7 - насос, 8 - бойлер, 9 - живильний насос.

Органічне паливо, безупинно подаване в топковий пристрій, після згоряння в середовищі окислювача (кисню повітря) перетворюється в газоподібні продукти згоряння, які частково передають теплоту робочому тілу в парогенераторі. Вода в парогенераторі перетворюється в пару, що направляється в турбіну 2. Пара розширюється в турбіні у ЧВД (частина високого тиску) до тиску РО. Пройшовши ЧВД, потік пари ДВ розгалужується на два потоки ДО, ДК, отже, ДВ = ДО + ДК. Кількість пари ДО йде до бойлера 8, а потім гаряча вода до теплових споживачів. Відпрацьована пара після частини низького тиску ЧНД 3 турбіни надходить у конденсатор 4, де після конденсації перетворюється у воду (конденсат). Після конденсатора робоче тіло за допомогою конденсатного насоса 5 надходить у живильний бак 6, а потім за допомогою живильного насоса 9 повертається в парогенератор 1. Невикористана теплота відводиться з конденсатора 4 з вихідною охолоджуючою водою.

ПРОСТІ ТЕРМОДИНАМІЧНІ ЦИКЛИ

ПАРОСИЛОВИХ УСТАНОВОК ТЭС

У відповідності із другим законом термодинаміки, для перетворення теплоти в роботу при здійсненні простого теплосилового циклу повинні існувати два джерела з постійними температурами – гарячийі холодний , причому .

Підводити й відводити теплоту від цих джерел при дотриманні всіх умов зворотності можна тільки ізотермічно, зворотна зміна температур робочого тіла в інтервалі між температурами джерел можлива тільки адіабатна, тобто без участі зовнішніх джерел теплоти. Таким чином, простий цикл, зворотній, повинен складатися із двох ізотермічних і двох адіабатних процесів. Такий чотирьох-процесний цикл, названий циклом Карно, зображений у діаграмі на мал.2

Оскільки термодинамічна ефективність оборотного циклу Карно не залежить від властивостей робочого тіла й визначається тільки температурами джерел теплоти (гарячого й холодного), то його тепломеханічний (термічний) коефіцієнт, що виражає відношення корисної роботи циклу до всієї підведеної теплоти, виявляється максимально можливим у заданому інтервалі температур джерел теплоти:

1 - 2 - адіабатне розширення робочого тіла,

2 - 3 - ізотермічний відвід теплоти від робочого тіла,

3 - 4 - адіабатний стиск робочого тіла,

4 - 1 - ізотермічне підведення теплоти до робочого тіла.

Мал. 2 діаграма для оборотного теплосилового циклу Карно.

Однак реалізація циклу Карно в паросиловій установці зв'язана з настільки значними труднощами, що цикл Карно неможливо використовувати в якості зразкового. До цих труднощів ставляться:

1. Неможливість реалізації ізотермічних процесів в області однофазних станів робочого тіла, коли процеси протікають при значних тисках, що змінюються. Для реалізації цих процесів довелося б обмежитися процесами підведення й відведення теплоти в області насичення, тобто при докритичних температурах (цикл 1-2-3-4-1) (мал.3), що для водяної пари пов'язане з невисокою верхньою температурною межею в той час, як при переході до надкритичних температур, процеси підведення теплоти були б пов’язані з надзвичайно високими

максимальними тисками (до 10 МПа). Як це випливає із циклу /в-2-3-а-в/ (мал. 3).

Мал. 3 діаграма для умов реалізації зразкових циклів у паросилових установках; і – умовно постійні температури відповідно гарячого й холодного джерел теплоти.

Надто несприятливе відношення роботи стиску робочого тіла від стану вологого насиченої пари до стану рідини (процес 3 - а, мал.3) до роботи розширення (процес в - 2 мал.3), що знижує значно тепломеханічний коефіцієнт циклу () і практично знецінює термічні переваги циклу Карно.

У силу цього зразкові цикли паросилових установок вибирають так, щоб уникнути труднощів, пов'язаних з реалізацією циклів, і в максимальної ступеня наблизити термодинамічну ефективність циклів до граничної ефективності оборотного циклу Карно. У зв'язку із цим ідеальним термодинамічним циклом ПCУ є не цикл Карно, а цикл Ренкiна, що характеризується наступними особливостями:

а) процеси підведення й відведення теплоти є ізобарними, що технічно полегшує здійснення процесів теплообміну у галузі однофазних станів робочого тіла.

б) ізобарний відвід теплоти супроводжується повною конденсацією пари, яка відпрацювала, що значно спрощує насосну установку й дає мале відношення робіт стиску й розширення.

Для циклу Ренкiна, як і для циклу Карно, тепломеханічний коефіцієнт тим вище, чим більше початкова температура пари, чим вище початковий тиск пари, що надходить у турбіну, і чим менше тиск пари, що надходить у конденсатор.

Подальше підвищення ефективності простого паросилового циклу Ренкiна може бути отримано:

при використанні а) циклу із вторинним перегрівом пари,

б) теплофікаційного циклу,

в) регенеративного циклу

На діаграмі (мал.4) представлений рівноважний цикл ПСОВІ для докритичних тисків з перегрівом пари 6- 1 при цьому:

Мал. 4 діаграма для рівновеликого циклу ПСУ з перегрівом пару

1-2 розширення пари при роботі турбіни на перегрітій парі

2-3 конденсація пари при роботі турбіни на перегрітій парі

3-4 підвищення тиску води до робітника

4-5 підвищення температури води до робочої (економайзерна ділянка)

5-6 процес паротворення

6-1 перегрів пари в пароперегрівнику