Особенности системного анализа циклов

ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАЛЬНЫХ ЦИКЛОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Как было показано, верное решение любой теплоэнергетической задачи может быть получено только системным методом, в котором используются три системных баланса - материальный, тепловой и эксергетический, а также вытекающие из них показатели. Эффективность любого реального цикла теплоэнергетической установки должна определяться с учетом взаимосвязи процессов рабочих тел, теплоносителей и источников теплоты, входящих в систему, в которой осуществляется исследуемый цикл. Следует также учитывать влияние процессов цикла на источники теплоты (изменение температуры горения топлива или тепловых потерь в котлоагрегатах, изменение количества утилизируемой cбросной теплоты и т.д.). Необходимость совместного рассмотрения происходящих процессов в каждом элементе системы и взаимозависимость этих процессов покажем на примере утилизационной паротурбинной установки, использующей теплоту cбросных газов или загрязненных жидкостей. Достижение здесь высокого термического КПД путем осуществления цикла Карно при Т₁= max обязательно приводит к большим потерям располагаемой теплоты. Это следует из сравнения циклов таких ТЭС(рис. 2.1) при различных температурах подвода теплоты - 1234 и 1^’2^’3^’4^’. Термический КПД первого цикла h_t = 1 - и второго h_t^' = 1 - . Поскольку T₁^' > T₁, то h_t^’ > h_t.

Рис. 2.1. Сравнение циклов Карно при различных температурах T₁

Вместе с тем потери располагаемой теплоты q_ух при осуществлении первого цикла будут равны пл. 4bcd, а при осуществлении второго цикла (1^’ 2^’ 3^’ 4^’) будут равны пл. 4^’bce, т.е. значительно большей. При этом полезная работа первого цикла (пл.1234), несмотря на более низкий термический КПД, может оказаться намного большей, чем второго цикла, имеющего более высокий термический КПД. Очевидно, что самую большую работу и наименьшие потери теплоты обеспечит треугольный цикл ady. Другим примером может служить термодинамический цикл атомной станции с реактором типа ВВЭР, где имеется строгая взаимосвязь между количеством выделяемой в реакторе теплоты (Q_p) и термическим КПД цикла. Чем выше температура теплоносителя и h_t осуществляемого здесь цикла Ренкина, тем меньше выделяемая теплота Q_p. При этом максимальная полезная работа АЭС (Z_max) достигается только при максимуме произведения (Q_p h_t).

В отличие от этого в паросиловой установке, где источником теплоты являются продукты сгорания органического топлива, максимум работы Z достигается при максимуме h_t цикла. Это объясняется тем, что теплота сгорания топлива на ТЭС практически не зависит от параметров ее парового цикла. Вместе с тем и на ТЭС нельзя ограничиваться рассмотрением только самого цикла, а обязательно учитывать влияние параметров цикла и его процессов на потери теплоты в котельном агрегате и других элементах установки. В частности, это относится к установлению взаимосвязи потерь теплоты с уходящими газами котлоагрегата и потерь в конденсаторе паротурбинного агрегата с процессами в системе газового подогрева воздуха (газовоздушной регенерации) и регенеративного подогрева питательной воды (паровой регенерации). При этом должны составляться материальный и тепловой балансы всех потоков пара всего блока.

Необходимость специального материального баланса существует и в ГТУ, где количество рабочего тела в различных процессах цикла также не одинаково. Это определяется прежде всего тем, что масса сжимаемого в компрессоре воздуха всегда меньше, чем масса продуктов сгорания, работающих в газовой турбине, на величину массы сожженного топлива. Более того, в современных высокотемпературных ГТУ обязательно осуществляется впрыск воды или пара в камеру сгорания, чтобы уменьшить образование там окислов азота (NO_x). В некоторых схемах ГТУ с газовоздушной регенерацией увлажняют воздух после выхода его из компрессора, за счет чего снижаются температура воздуха на входе в регенератор и температура уходящих газов ГТУ.

Очень важно при термодинамическом анализе реальных циклов учесть влияние на их эффективность необратимости внутрицикловых теплообменных процессов. Покажем это на примере регенеративного цикла простейшей ГТУ (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Регенеративный цикл ГТУ

Вследствие расхождения изобар 2a и 1b даже при равенстве Т_b и Т_е обязательно будет температурное неравенство Т₁>Т₂, что приводит к неравенству Ds₂ > Ds₁. Вследствие этого формула термического КПД

(2.1)

с учетом зависимостей

q₂ = T_2.ср Ds₂; q₁ = T_1.ср Ds₁,

принимает вид

(2.2)

где

(2.3)

Такое же положение существует и в термодинамических циклах паротурбинных установок с регенеративным подогревом питательной воды (рис. 2.3). Здесь вследствие неэквидистантности изобар теплообмена отборного пара и нагреваемой воды всегда имеют место приращения энтро-

пии системы от необратимости такого теплообмена. В результате этого всегда будут неравенства Ds₂ > Ds₁ и g > 1, а расчет КПД этого цикла должен производиться по формуле (2.2). Неучет поправки g, как это обычно делается, приводит к ошибке в определении h_t до 2-3% (абс.).

Рис. 2.3. Цикл ПТУ с регенеративным подогревом питательной воды

Следует также помнить, что при системном анализе циклов дополнительно к термическому КПД должны обязательно учитываться показатели, отражающие потери работы от необратимости реальных процессов сжатия и расширения, а также других процессов в элементах энергетического комплекса, зависящих от параметров исследуемого термодинамического цикла. Особое значение имеет учет изменений работы сжатия располагаемой теплоты, которую необходимо преобразовать в механическую (электрическую) энергию с помощью исследуемого цикла. В теплоэнергетических установках - это низшая рабочая теплота сгорания топлива. Ее максимально возможная величина равна эксергии продуктов сгорания. В утилизационных энергоустановках это будет эксергия теплоносителей и максимальная теплота, которую они могут отдать при охлаждении до равновесного состояния с окружающей средой. Располагаемой эксергией для энергоустановок, работающих на органическом топливе, является эксергия топлива (Ex^топ), определяемая по известным [2] формулам. Для большинства энергетических топлив она близка к их низшей рабочей теплотворной способности , поэтому часто считают их равными (Ex^топ » ).

На результатах оптимизации циклов это не отражается, поскольку ни , ни Ex^топ от параметров циклов ТЭС не зависят. Другое положение при расчете циклов АЭС, где происходит наработка плутония и других элементов, что отражается на величине Ex^топ. Этим объясняется существенное различие в эффективном КПД реального цикла АЭС () и его эксергетическом КПД (), численно близких между собой для ТЭС.

Это, по существу, разные показатели. Первый из них () показывает, какая доля теплоты, выделенной ядерным топливом, преобразована в полезную работу, а второй () - насколько использована часть эксергии топлива, которая израсходована в тепловыделяющих элементах (за вычетом эксергии, израсходованной на выработку плутония, удаляемого из реактора).

При сравнении термического () и эксергетического КПД () надо помнить положение второго закона термодинамики, что всегда меньше Q, и всегда << 1, так при Т₀ = 288 К и Т_г.ср = 1100 К, =(1- )Q₁ = 0,74Q₁. Предельное значение термического КПД в этом случае = 0,74.

Совершенно иное свойство всех эксергетических КПД, которые в пределе могут достигать единицы, поскольку сама эксергия и есть максимальная работа, достигаемая при полной обратимости всех процессов и не зависит от способа преобразования располагаемой энергии. Таким же свойством обладает и абсолютный эксергетический КПД термодинамического цикла (), равный отношению полезной работы к располагаемой эксергии (Ex^рас) горячего источника

(2.4)

Этот показатель достаточно точно отражает термодинамическое совершенство любого цикла в одноцелевых энергоустановках, если под Ex^рас понимать именно располагаемую эксергию горячего источника теплоты, а не эксергию отведенной от него теплоты Q₁. В противном случае будет отражать только внутреннюю необратимость процессов цикла и станет уже не абсолютным, а относительным показателем

(2.5)

Покажем это на простейшем примере цикла паротурбинной установки (рис. 2.4). Из сравнения площадок, эквивалентных располагаемой эксергии (Ex^т = пл.1^г2^гае), отданной теплоты рабочему телу (DEx^т = пл.1^г 2^г xy) и работы цикла ( = пл.1234), можно заменить КПД теоретического цикла.

Рис. 2.4. Термодинамический цикл ПТУ

Из рис. 2.4, в частности, видно, что термический КПД этого цикла будет равен отношению пл.1234 к пл. в41d, относительный эксергетический КПД теоретического цикла - отношение пл.1234 к пл. x2^г1^гy и абсолютный эксергетический КПД - отношение пл.1234 к площади треугольника 01^гу. При этом будет всегда значительно больше , вследствие неучета внешней необратимости процесса подвода теплоты Q₁.

Следовательно, более полную оценку термодинамического совершенства теоретического и реального циклов одноцелевой теплоэнергетической установки дает абсолютный эксергетический КПД, рассчитываемый по располагаемой эксергии топлива или эксергии имеющихся теплоносителей (Ex^г) в утилизационных установках. Вместе с тем в ряде случаев оказывается целесообразным пользоваться и относительным внутренним КПД , равным отношению действительной работы реального цикла к работе теоретического цикла, когда необходимо оценить влияние только внутри-

цикловых потерь

(2.6)

Таким образом, при системном анализе любых циклов одноцелевых теплоэнергетических установок нужно пользоваться различными КПД, в том числе абсолютным эксергетическим КПД реального цикла , отражающим все взаимосвязанные эксергетические потери, начиная от превращения химической энергии топлива в теплоту и заканчивая преобразованием эксергии рабочих тел в механическую энергию на рабочих лопатках турбины, эксергетическим КПД теоретического цикла , отражающим теоретическую возможность использования располагаемой эксергии горячего источника теплоты (теплоносителя), и относительным эксергетическим КПД , отражающим только внутрицикловые потери подведенной с теплотой Q₁ эксергии.

Подобные показатели могут использоваться и для оценки термодинамического совершенства циклов теплофикационных установок, где полезной продукцией являются не только механическая энергия, но и эксергия отданной потребителю теплоты dEx^Q. Расчетные формулы указанных трех типов эксергетических КПД циклов приобретают вид:

абсолютный эксергетический КПД теплофикационного цикла

(2.7)

эксергетический КПД теоретического цикла

(2.8)

относительный эксергетический КПД реального цикла

(2.9)

Все эти формулы являются обобщенными для всех типов теплоэнергетических установок. Как видно, они отличаются друг от друга своими знаменателями, соотношение между которыми характеризует термодинамическое совершенство взаимосвязанных внецикловых процессов в теплоэнергетической установке. Так, отношение Ex^Q к Ex^топ оценивает совершенство преобразования химической эксергии топлива в эксергию продуктов его сгорания и, по существу, представляет эксергетический КПД топочного процесса(камеры сгорания)

(2.10)

Соответственно, отношение DEx^Q к Ex^Q оценивает совершенство теплообмена между продуктами сгорания и рабочим телом в котлоагрегате паротурбинной установки и представляет собой относительный эксергетическийКПД котла

(2.11)

И, наконец, отношение DEx^Q к Ex^топ оценивает термодинамическое совершенство всего комплекса процессов, происходящих в котельном агрегате ТЭС, и является абсолютным эксергетическим КПД котлоагрегата

(2.12)

Дата добавления: 2015-07-02