Цикл паросиловой установки – цикл Ренкина

Паросиловая установка (рис. 2.7, а) работает следующим образом. Питательная вода из резервуара 1 насосом 2 подается в экономайзер 3, где происходит ее подогрев уходящими из парового котла 4 газами.

а	б
в	г
Рис. 2.7. Теоретический цикл паросиловой установки – цикл Ренкина: а – принципиальная схема установки; б - г – теоретические циклы в диаграммах: 1 – резервуар питательной воды; 2 – насос питательной воды; 3 – экономайзер; 4 – паровой котел; 5 – пароперегреватель; 6 – паровая турбина; 7 – электрогене- ратор; 8 – конденсатор; 9 – насос конденсатный; 10 – насос охлаждающей воды

В котле-парогенераторе происходит парообразование, затем отсепарированный с небольшой влажностью пар поступает в пароперегреватель 5, откуда перегретый пар подается к паровой турбине 6 (поршневые паровые машины уже почти не применяются). Работа расширения в турбине используется для привода генератора 7 электрического тока и частично на работу насосов.

Отработавший в турбине пар охлаждается в конденсаторе 8, превращается в жидкую воду – конденсат, подаваемый насосом 9 в резервуар питательной воды 1. Насос 10 предназначен для подачи охлаждающей воды.

Теоретический цикл такой установки с турбиной называется циклом Ренкина, а с поршневой расширительной машиной (поршневой машиной) – циклом Майера.

Рассмотрим цикл Ренкина в термодинамических диаграммах р-u (рис. 2.7, б), Т-s (рис. 2.7, в) и h-s (рис. 2.7, г).

Процесс 3-4 – подача воды насосом в котел; 4-5 – подогрев воды в котле до кипения; 5-6 – образование пара в котле; 6-1 – перегрев насыщенного пара в пароперегревателе; 1-2 – расширение перегретого пара в турбине (совершение работы); 2-3 – конденсация пара.

Количество теплоты, подаваемой в изобарном процессе 4-5-6-1 нагрева воды, парообразования и перегрева

q₁ = h₁ – h₃,

где h₃ – энтальпия конденсата, подаваемого в котел.

Количество теплоты, отводимой в изобарном процессе 2-3 конденсации пара,

q₂ = h₂ – h₃.

Полезная работа, совершаемая в турбине,

l = q₁ – q₂ = (h₁ – h₃) – (h₂ – h₃) = h₁ – h₂.

Термический КПД цикла Ренкина

(2.1)

КПД h_t увеличивается с увеличение h₁ и уменьшением h₂, т.е. с увеличением начальных параметров пара р₁ и t₁ и уменьшением конечных р₂ и t₂ (рис. 2.8).

Конечные параметры пара связаны между собой, так как пар в этой области влажный.

Увеличение t₁ ограничивается жаропрочностью материалов, увеличение р₁ – допустимой степенью влажности пара в конце расширения; повышенная влажность (х > 0,80–0,86) приводит к эрозии деталей турбины.

В настоящее время на электростанциях России в основном используются параметры пара р₁ = 23,5 МПа и t₁ = 565 ^ОС. На опытных установках применяются и сверхкритические параметры р₁ = 29,4 МПа и t₁ = 600–650 ^ОС.

Температурой охлаждающей воды t₀ = 0–25(30) ^ОС.

Этому соответствует температура насыщения t₂ = 26,2–28,6 ^ОС, а давление в конденсаторе – р₂ = 3,5–4 кПа.

а
б
Рис. 2.8. Влияние повышения начальных давлений (а) и температуры (б) пара на экономичность цикла Ренкина (в)

При малой разности t₂ – t₀ интенсивность теплообмена падает, а размеры конденсатора растут. Кроме того, с понижением р₂ становится все большим удельный объем пара, что ведет к увеличению размера конденсатора, а также последних ступеней турбины.

На рис. 2.8 и 2.9 показано влияние р₁, t₁ и р₂ на термический КПД и степень сухости пара в конце расширения. Процесс 1'"-а-в-2' на рис. 2.8, а есть процесс расширения с одним промежуточным перегревом.

а
б
Рис. 2.9. Влияние понижения давления в конденсаторе на влажность пара в конце расширения (а) и экономичность цикла Ренкина (б)

Возможности повышения экономичности простейшего цикла паротурбинной установки – цикла Ренкина – исчерпаны почти полностью. Другой путь – приближение его конфигурации к конфигурации цикла Карно за счет регенерации теплоты, промежуточного перегрева пара между ступенями турбины, применение бинарных циклов. Третий путь – комбинированная выработка механической энергии (преобразующейся на электростанциях в электричество) и теплоты для технологических нужд промышленности и отопления, осуществляемая на теплоэлектростанциях (ТЭЦ). В теплофикационных турбоустановках конденсатор исключается вообще или же давление в нем повышается до 30-60 МПа.