РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ЦИКЛ ПАРОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ
Регенерация тепла в ПСУ позволяет уменьшить необратимость процессов теплообмена в цикле на участке подогрева питательной воды.
При наличии двух источников тепла с температурами Т1и Т2в цикле Ренкина, осуществляемом во влажном паре, на участке подогрева питательной воды 3-4 (рис. 11.13) будет иметь место необратимый переход тепла при конечной разности температур от верхнего источника с температурой Т1к рабочему телу с температурой Т.
Рис. 11.13
Если процесс расширения пара вести не по адиабате 1-2, а по политропе 1-2', эквивидистантной кривой 3-4 с отводом тепла, то, осуществляя при этом регенерацию тепла, то есть обратимый переход тепла с участка 1-2' на участок 3-4, получим обратимый обобщенный цикл Карно, кпд которого равен кпд наивыгоднейшего обратимого цикла Карно.
Подобный регенеративный цикл можно было бы приближенно осуществить по схеме, представленной на рис. 11.14 , которая включает три ступени турбины ПТ-1, ПТ-II, ПТ-III и две ступени регенератора P-I и Р-II.
Рис. 11.14
Пар после первой ступени ПТ-I турбины поступает на первую ступень регенератора P-I, отдавая часть теплоты питательной воде, направляемой в во дяной экономайзер. После регенератора первой ступени пар поступает во вторую ступень турбины ПТ-II. Отработав на лопатках второй ступени турбины, пар направляется во вторую ступень регенератора Р-II, где отдает питательной воде еще одну часть теплоты. Затем пар поступает в третью ступень турбины и после нее - в конденсатор К.
Соответствующий этой схеме регенеративный цикл изображен на рис. 11.15. Рассмотрим процессы цикла: 1-a - адиабатное расширение пара на лопатках первой ступени турбины; а -b - изотермический отвод теплоты от пара к питательной воде в регенераторе первой ступени; b -с- адиабатное расширение пара на лопатках второй ступени турбины; с-d - изотермический отвод теплоты от пара во второй ступени регенератора; d - 2'- адиабатное расширение пара на лопатках третьей ступени турбины; 2' - 3 - конденсация пара в конденсаторе; 3-4 - подогрев питательной воды в регенераторах, водяном экономайзере и котле; 4-1- превращение воды в пар в котле ПК.
Рис. 11.15
С увеличением числа ступеней турбины и регенератора ломаная линия labcd2'будет приближаться к прямой линии, эквидистантной линии 3-4, а в целом цикл будет приближаться к обобщенному термодинамическому циклу Карно. Однако на практике из-за конструктивных и эксплуатационных трудностей подобная схема регенерации не применяется. В частности, влажность пара (1 – х2) в точке 2' при такой схеме оказалась бы недопустимо высокой.
Регенеративный цикл, широко применяемый в ПСУ, осуществляется путем последовательного отвода из турбины части пара для регенеративного подогрева питательной воды. При таком способе состояние оставшегося основного потока пара в турбине остается таким же, как и в цикле без регенерации.
Различают две основные схемы регенеративного подогрева:
1. Смешивающая (содержит в качестве регенераторов подогреватели
смешивающего типа).
2. Каскадная (содержит поверхностные подогреватели).
Простейшая смешивающая схема регенеративного подогрева питательной воды с двумя отборами пара из турбины и соответствующий ей цикл в is- диаграмме выглядят следующим образом (рис. 11.16, 11.17). Участок m-n-2 изображен условно, т.к. здесь расширяется не весь поступивший в турбину пар.
Работа цикла l равна работе 1 кг пара при полном его расширении за минусом недовыработанной работы g1и g2кг пара, ушедшего в отборы:
.
Рис. 11.16
Количество подведенного в цикле тепла , где - энтальпия, соответствующая температуре конца регенеративного подогрева tрег.
Термический кпд регенеративного цикла
.
Удельный расход пара (кг) на 1 МДж (одну техническую единицу работы)
.
Рис. 11.17
Сравнение этого выражения с выражением для удельного расхода пара в цикле Ренкина без регенерации
показывает, что удельный расход пара в регенеративном цикле выше, чем в
цикле Ренкина.
В то же время удельный расход теплоты на выработку 1 кг пара (кДж/кг)
в регенеративном цикле оказывается меньшим, чем в цикле Ренкина без регенерации
,
где lц' - температура питательной воды после ее подогрева в регенераторах.
Термический кпд цикла Ренкина с регенерацией определяется по формуле
, ,
где - полезная работа цикла с регенерацией.
Ввиду того, что часть пара, проходящего через турбину, направляется на подогрев питательной воды и не участвует в выработке полезной работы на лопатках турбины, полезная работа в цикле Ренкина с регенерацией будет меньше полезной работы обычного цикла Ренкина (при одинаковых начальных и конечных параметрах)
.
Однако расчеты показывают, что уменьшение расхода теплоты оказывается большим, чем уменьшение полезной работы и поэтому
.
Увеличение кпд цикла Ренкина с регенерацией происходит за счет увеличения средней температуры подвода теплоты при одинаковой конечной температуре отвода теплоты.
Таким образом, применение регенеративного подогрева питательной воды приводит к следующему:
1.Увеличивается кпд ПСУ на 10-12 % и тем в большей степени, чем выше давление пара.
2.Уменьшается количество пара, проходящего через последние ступени турбины, а, следовательно, уменьшаются и их габариты.
3.Уменьшается поверхность нагрева водяных экономайзеров. При этом, чтобы не снизить кпд котельной установки, теплоту уходящих газов стремятся максимально использовать для подогрева воздуха, поступающего в парогенератор, в воздушных подогревателях.
В заключение следует отметить, что введение регенерации может быть выгодным лишь до определенной температуры подогреваемой в регенераторах питательной воды, превышение которой приводит к необходимости отбирать для этих целей из турбины пар более высоких параметров. В этом случае может возникнуть ситуация, когда уменьшение полезной работы на лопатках турбины окажется большим, чем уменьшение количества теплоты, затрачиваемой на выработку 1 кг пара, а удельный расход теплоты на единицу работы из-за увеличения удельного расхода пара будет возрастать. В связи с чем выгода, получаемая от применения регенерации, будет уменьшаться и при определенных условиях может оказаться равной нулю. Поэтому для каждой тепловой электрической станции существует определенная температура питательной воды, подогреваемой в регенераторах, которая дает максимальную прибавку кпд.
Термический кпд цикла Ренкина составляет 30-40%. Это означает, что 70-60% теплоты, затрачиваемой на получение пара, отдается холодному источнику теплоты (теплота q2).
Кроме чисто термодинамических потерь в паросиловой установке имеется потери, связанные с работой оборудования (котлоагрегат, трубопроводы, турбогенератор и проч.). Его кпд составляет 90-98%.
Низкий кпд паросиловой установки объясняется малой экономичностью основного процесса преобразования теплоты в работу в цикле Ренкина. Это связано в первую очередь с тем, что в парогенераторе теплообмен протекает при большой конечной разности температур между горячими газами и рабочим телом (пар). Именно здесь в результате необратимого теплообмена происходит наибольшие потери работоспособности (эксергии) теплоты.
§ 11.8. БИНАРНЫЕ (ДВОЙНЫЕ) ЦИКЛЫ
В бинарных циклах в качестве рабочих используются два тела вместо одного. Применение двух рабочих тел обосновывается тем, что пар воды как рабочее тело вместе с положительными имеет и отрицательные свойства, которые наиболее проявляются в области высоких температур.
Для выяснения причин плохого использования верхнего температурного предела в паросиловых установках рассмотрим цикл Ренкина 123451 в Ts-координатах (рис. 11.18), который протекает в интервале температур Т1-Т2. Работа lц 1 кг пара в цикле численно равна площади 123451. В цикле Карно 1234'1 для того же перепада температур работа определяется площадью 123 1, которая значительно больше, чем площадь 123451. Степень приближения цикла Ренкина к циклу Карно характеризуется коэффициентом заполняемости
.
Рис. 11.18
Чем больше kз, тем выше термодинамическое совершенство цикла. Применение бинарных циклов позволяет существенно увеличить kз.
Недостатки водяного пара как рабочего тела заключаются в том, что вода при сравнительно невысокой критической температуре (tкВ 374,15 °С) имеет высокое критическое давление (22,115 МПа). В связи с чем для повышения кпд цикла Ренкина приходится повышать начальную температуру пара, которая в сочетании с высоким давлением неблагоприятно влияет на материал оборудования тепловой станции.
Если бы удалось найти рабочее тело с более высокой критической температурой, чем у воды, при достаточно низком критическим давлении, то кпд цикла Ренкина можно было бы повысить. В то же время это рабочее тело должно иметь низкую температуру насыщения при низких давлениях, близкую к температуре охлаждающей воды. Кроме того, жидкость должна иметь малую теплоемкость, а перегретый пар жидкости - большую теплоемкость.
В природе до сих пор не найдено рабочего тела с такими свойствами. Например, вода удовлетворяет лишь одному из этих свойств - температура насыщения при малых давлениях (при давлениях вакуума в конденсаторе) достаточно мала и незначительно отличается от температуры охлаждающей воды. В связи с чем теплообмен в конденсаторе протекает при небольшой разности температур между паром и охлаждающей водой.
Для того чтобы приблизиться к тем условиям протекания процессов в ПСУ, которые должны выполняться при использовании рабочего тела с перечисленными выше положительными свойствами, был создан цикл с двумя рабочими телами. В таком цикле одно из рабочих тел имеет высокую критическую температуру при достаточно низком давлении насыщения. Оно используется в цикле, реализуемом в области высоких температур. Второе рабочее тело должно иметь низкую температуру насыщения, сопоставимую с температурой окружающей среды при давлениях вакуума (давление в конденсаторе).
В качестве первого рабочего тела используется ртуть. В области низких температур в качестве рабочего тела используется вода.
Рис. 11.19
Принципиальная схема ртутно-водяной бинарной установки представлена на рис. 11.19. На рисунке введены следующие обозначения: РК - ртутный котел; ПП - пароперегреватель водяного пара; РТ - ртутная турбина; КИ -конденсатор-испаритель; ПТ - паровая турбина; КВП - конденсатор водяного пара; HI, H2 - насосы ртутный и водяной соответственно.
Цикл бинарной установки в Ts-координатах представлена на рис. 11.20.
Рис. 11.20
Рис. 11.21
Рассмотрим процессы цикла: 1-2 - адиабатный процесс расширения водяного пара на лопатках паровой турбины; 2-3 - конденсация пара в конденсаторе водяного пара; 3-4 - процесс сжатия воды в насосе Н2 и подогрев воды до температуры кипения в конденсаторе ртутного пара; 4-5 - кипение воды в конденсаторе-испарителе; 5-1 - перегрев водяного пара в пароперегревателе ПП от теплоты уходящих из ртутного котла газов.
Выше был рассмотрен пароводяной цикл. Рассмотрим ртутный цикл 6789. Процесс 6-7 - адиабатное расширение ртутного пара на лопатках ртутной турбины; 7-8 - конденсация пара в конденсаторе-испарителе; 8-9 - сжатие жидкой ртути в насосе H1 и подогрев ее до температуры кипения в ртутном котле; 9-6 - парообразование в ртутном котле.
Так как энтальпия ртутного пара значительно меньше энтальпии водяного пара, то за одинаковые отрезки времени через конденсатор-испаритель должно пройти водяного пара в 10-12 раз меньше, чем ртутного. В связи с чем, на Ts -диаграмме цикл 123451 выполнен для 1 кг водяного пара, а цикл 6789 для М кг ртутного пара
Вводится понятие кратности циркуляции ртути т, которая равна отношению массы ртути к массе воды в цикле. Она может быть найдена также из теплового баланса конденсатора-испарителя
.
Термический кпд бинарного цикла находится по формуле
,
где Lp- работа М кг ртутного пара; lв - работа 1 кг водяного пара; Q1- количество теплоты, подведенной в ртутном котле.
Термический кпд бинарного цикла достигает 0,8-0,85 от значения кпд цикла Карно, работающего в тех же температурных пределах.
Для повышения кпд бинарной установки можно применять регенеративный подогрев питательной воды. Термический кпд бинарного цикла при t6=500° С и t2=30° С составляет ηt =0,57.
Дата добавления: 2016-06-05; просмотров: 7417;