Регенеративный цикл паротурбинных установок

При прохождении через турбину пар по мере расширения увлажняется. Снижение сухости пара вызывает ухудшение гидродинамического режима в проточной части турбины, сопровождающееся с уменьшением относительного КПД турбины. Одним из способов повышения сухости пара является промежуточный перегрев пара.

Циклы с промежуточным перегревом пара

И регенеративным отбором пара

Циклы ПТУ с промежуточным перегревом

Вопросы для самопроверки

1. Почему в паротурбинных установках не используется цикл Карно?

2. Почему основным рабочим телом паротурбинных установок служит водяной пар?

3. Изобразите цикл Ренкина в координатах p, v; T, s и h, s.

4. Изобразите принципиальную схему паротурбинной установки.

5. При каких условиях можно пренебречь работой, затрачиваемой на привод питательного насоса паротурбинной установки?

6. Как влияют начальные параметры пара на термический КПД цикла Ренкина?

7. Изобразите в координатах h, s условный процесс расширения пара в турбине с учетом потерь на трение.

8. Что такое внутренний относительный КПД турбины?

Промежуточный (вторичный) перегрев пара. Причины применения промежуточного перегрева пара. Принципиальная схема установки с промежуточным перегревом. Цикл ПТУ с промежуточным перегревом пара. Циклы ПТУ со сверхкритическими параметрами водяного пара. Циклы ПТУ с двумя промежуточными перегревами пара.

Регенеративные циклы. Регенеративный подогрев питательной воды. Предельная регенерация. Схема установки с регенеративными отборами пара. Смешивающие и поверхностные подогреватели питательной воды. Изображение регенеративных циклов в координатах T, s. Термический КПД регенеративного цикла. Влияние числа отборов на КПД регенеративного цикла.

По теме выполняется контрольная работа (зад. № 13, 15) и лабораторная работа (№ 5) только для очно-заочной формы обучения.

После изучения теоретического материала следует ответить на вопросы для самопроверки по этой теме. Ответы можно найти в учебниках [1,3].

Принципиальная схема ПТУ с промежуточным перегревом представлена на рис. 4.6.

После того как поток пара, совершая работу в турбине (в ступенях высокого давления ПТ–1), расширяется до некоторого давления р_пр (р₁>р_пр >р₂), он выводится из турбины и направляется в промежуточный пароперегреватель (ППП), где его температура повышается до величины t₁. После ППП пар вновь поступает в турбину (в ступени низкого давления ПТ–2), где расширяется до давления р₂ и после выхода из турбины попадает в конденсатор К.

Цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара представлен на Ts - и hs – диаграммах (см. рис. 4.7).

Рис. 4.6

На этих диаграммах цикл Ренкина с промежуточным перегревом представлен фигурой 1 – 7 – 8 – 9 – 3 – 5 – 4 – 1. А соответствующий цикл без перегрева (основной цикл Ренкина) изображен фигурой 1 – 2 – 3 – 5 – 4 – 6 – 1. Сухость пара на выходе из турбины в основном цикле равна х₂, а в цикле с промежуточным перегревом – х₉. Из диаграмм очевидно, что х₉ > х₂, т.е. Δх= х₉ - х₂>0, следовательно, сухость пара за счет промежуточного перегрева повышается.

Применение промежуточного перегрева пара еще способствует повышению термического КПД цикла Ренкина .

Выражение для напишем в виде

,

Рис. 4.7

где l_п - полезная работа пара при прохождении через турбину;

q₁ – количество теплоты, подводимое к рабочему телу, каждая из этих величин состоит из составляющих

,

где =(h₁-h₇)- работа потока пара, совершаемая до вывода из турбины для промежуточного перегрева;

=(h₈-h₉)- работа пара при его расширении в турбине после промежуточного перегревателя ППП;

=(h₅-h₃) – техническая работа, затрачиваемая на приводе питательного насоса ПН.

Окончательно полезная работа выразится в виде

. (4.24)

Общее количество теплоты, подводимой к рабочему телу, состоит из следующих составляющих:

, (4.25)

где =(h₄-h₅) - теплота, подводимая в паровом котле ПК к конденсату для его нагрева до температуры насыщения t_н при р₁;

=(h₆-h₄)- теплота, подводимая к кипящему конденсату для превращения его в сухой насыщенный пар;

=(h₁-h₆)- теплота, подводимая к сухому насыщенному пару для его перегрева в пароперегревателе ПП;

=(h₈-h₇)- теплота, подводимая к пару в промежуточном пароперегревателе ППП.

Тогда q₁ представится, как функция энтальпий характерных точек рассматриваемого цикла:

q₁=(h₄-h₅) + (h₆-h₄) + (h₁-h₆) + (h₈-h₇) = (h₁-h₅) + (h₈-h₇). (4.26)

Выражение для термического КПД выразится в виде

. (4.27)

Выражение для термического КПД основного (без промежуточного перегрева) цикла Ренкина:

. (4.28)

Анализ конкретных численных примеров с помощью формул (4.27, 4.28) показывает, что промежуточный перегрев пара обусловливает повышение термического КПД цикла Ренкина, т.е. >η_t. В современных паротурбинных установках обычно применяется не только однократный, но и двухкратный промежуточный перегрев пара, оценка эффективности двухкратного перегрева осуществляется аналогично вышеприведенному анализу работы цикла с одним промежуточным перегревом пара.

Повышение экономичности ПТУ достигается также и путем применения регенеративного подогрева питательной воды за счет теплоты парообразования пара, расширяющегося при прохождении через турбину.

Принципиальная схема ПТУ с регенеративным подогревом питательной воды при двух отборах пара показана на рис. 4.8.

Пар из промежуточных ступеней турбины ПТ поступает в регенеративные теплообменники смешивающего типа РТ–I и РТ–II, где конденсируется, нагревая питательную воду, поступающую в паровой котел ПК.

Для определения количества отбираемого пара в точках m и n производим анализ процесса движения 1 кг рабочего тела в данном цикле. Обозначим долю расхода пара, отводимого в первом отборе через α₁, а долю отводимого пара во втором отборе - α₂. Тогда доля пара, поступающего после турбины в конденсатор К, будет равна (1- α₁- α₂). Если общий расход пара, поступающего в турбину ПТ, обозначить через D и его энтальпию h₁, то в первый теплообменник РТ-I отбирается α₁∙D кг/ч пара, энтальпия которого h_m, а во второй теплообменник РТ-II поступает α₂∙D кг/ч с энтальпией h_n. Следовательно, до точки m в которой осуществляется первый отбор, в турбине работает D кг/ч пара, за точкой m - (1- α₁)∙D кг/ч пара, а за точкой n, в которой осуществляется второй отбор, работает (1- α₁- α₂)∙D кг/ч пара.

Рис. 4.8

Соответственно в конденсатор К поступает (1- α₁- α₂)∙D кг/ч пара с энтальпией h₂. Во второй теплообменник РТ-II из конденсатора К подается при помощи насоса Н-1 (1- α₁- α₂)∙D кг/ч конденсата с энтальпией , туда же из второго отбора поступает α₂∙D кг/ч пара с энтальпией h_n. В результате их смешения питательная вода в РТ-II должна нагреваться до температуры насыщения , соответствующей давлению р_n, а энтальпия ее увеличиваться до . В первый теплообменник РТ-I из второго теплообменника РТ-II насосом Н-2 подается уже (1-α₂)∙D кг/ч питательной воды с энтальпией , а из первого отбора поступает α₁∙D кг/ч пара с энтальпией h_m, в результате их смешения питательная вода в РТ-I должна нагреваться до температуры насыщения , соответствующей давлению р_m, а энтальпия увеличиваться до . Из первого теплообменника РТ-I питательная вода в количестве D кг/ч с энтальпией , при помощи насоса Н-1 подается в котел ПК. На этом цикл завершается.

Для определения интенсивности отбора пара в точках m и n необходимо составить условия теплового баланса в соответствующих теплообменниках, исходя из вышеуказанных требований к температурам подогрева питательной воды в них. Цикл ПТУ с регенеративным отбором пара условно представим на hs – диаграмме (см. рис. 4.9).

На этой hs – диаграмме означают:

р₁, t₁ и h₁ – соответственно давление, температура и энтальпия пара перед подачей в турбину;

р₂, t₂ и h₂ – соответственно давление, температура и энтальпия пара на выходе из турбины;

р_mи h_m– давление и энтальпия пара в точке m первого отбора;

р_n и h_n – давление и энтальпия пара в точке n второго отбора;

– энтальпия конденсата при давлении р_m;

– энтальпия конденсата при давлении р_n;

– энтальпия конденсата при давлении р₂.

Рис. 4.9

При составлении теплового баланса должно соблюдаться следующее требование - в рассматриваемом теплообменнике количество теплоты q_от, отданное отборным паром, должна равняться теплоте q_восп, воспринимаемой конденсатом.

Баланс теплоты в теплообменнике РТ-I.

Пар, из первого отбора поступив в РТ-I, конденсируется, отдавая теплоту , а конденсат в количестве (1-α_I) с энтальпией поступив в этот же теплообменник при смешении воспринимает эту теплоту парообразования, при этом увеличивается его энтальпия до . Следовательно, количество теплоты, воспринимаемое конденсатом, будет равно .

При идеальном цикле имеет место условие , т.е.

. (4.29)

Аналогично составляется условие теплового баланса для второго теплообменника

(4.30)

Совместно решая уравнения (а) и (б) находим

;

. (4.31)

Определяем полезную работу, которую совершает 1 кг пара:

l_п=(h₁-h_m)+(1-α₁)(h_m-h_n)+(1- α₁- α₂)(h_n-h₂), (4.32)

где первое слагаемое - работа, совершаемая 1 кг пара до точки m первого отбора; второе слагаемое - работа (1- α₁) кг пара при расширении от точки m первого отбора до точки n второго отбора; третье слагаемое – работа (1- α₁- α₂) кг пара при расширении от точки n до выхода из турбины.

Технической работой, затрачиваемой на приводах питательных насосов Н-1, Н-2, Н-3, ввиду ее малости пренебрегаем. После преобразования формула (4.32) примет вид

l_п=(h₁-h₂)-α₁(h_m-h₂)- α₂(h_n-h₂). (4.33)

Общее количество теплоты, затрачиваемой на получение 1 кг пара, состоит из следующих двух составляющих. Питательная вода на выходе из теплообменника РТ-I имеет энтальпию , а энтальпия пара на выходе из пароперегревателя ПП перед подачей в турбину ПТ должна равняться h₁. Следовательно, суммарная теплота, которая должна подводиться в паровом котле ПК и пароперегревателе ПП, определится как сумма этих составляющих

q₁=(h₆- )+(h₁-h₆)=(h₁- ). (4.34)

Значение термического КПД равно:

. (4.35)

Удельный расход пара

. (4.36)

Термический КПД основного цикла Ренкина (без регенерации пара) очевидно, определяется формулой

. (4.37)

Если расход пара обозначить через D, то теоретическую мощность, вырабатываемую за счет расширения пара, поступающего в конденсатор, можно выразить:

N_k=D(1-α₁-α₂)(h₁-h₂). (4.38)

Мощность, вырабатываемая за счет пара, поступающего в первый отбор, равна

N_I=D(h₁-h_m)α₁. (4.39)

Мощность, вырабатываемая за счет пара, поступающего во второй отбор определяется по формуле

N_II=D∙(h₁-h_n)α₂. (4.40)

Общая мощность

N=N_k+N_I+N_II=D∙[(h₁-h₂)-α₁(h_m-h₂)-α₂(h_n-h₂)]. (4.41)

Для каждого количества отборов «α» теплоты существует определенная наивыгоднейшая температура регенеративного подогрева, которая увеличивается с ростом числа отборов:

Например,

при n = 1 → = 132 ^оС и %; при n = 5 → = 240 ^оС и %; при n = 8 → = 264 ^оС и %.

При этом параметры пара составляют р₁ = 9 МПа, t₁ = 480 ^оС,

р₂ = 0,004 МПа.

Уменьшение количества пара на последний ступени турбины позволяет уменьшить высоту лопаток, что облегчает конструирование трубки большой мощности.

Экономия от регенерации составляет ≈ 10 – 13 %.

Для существующих конденсационных паротурбинных установок приняты следующие температуры регенеративного подогрева:

а) р₁ = 3,5 МПа, t₁ = 435 ^оС → температура регенеративного подогрева составляет t_n = 150 ^оС;

б) р₁ = 9,0 МПа, t₁ = 480 ^оС → температура регенеративного подогрева составляет t_n = 215 ^оС.

Дата добавления: 2014-12-07