Эксергетический анализ ПТУ

Целью эксергетического анализа любого теплового устройства является:

· расчет составляющих уравнения эксергетического баланса:

,

где – потери эксергии в отдельных узлах устройства, рассчитываемые по формуле

;

· определение эксергетических КПД узлов и устройства в целом:

.

Эксергетический КПД паротурбинной установки, вырабатывающей электроэнергию, совпадает с электрическим КПД

.

Уравнение эксергетического баланса для ПТУ с циклом Ренкина (рис. 9.13) имеет вид

.

Потери эксергии в узлах паротурбинной установки и эксергетические КПД узлов рассчитываются по формулам

- для парового котла

;

- для паровой турбины

;

- для конденсатора

;

- для электрогенератора

.

Для паротурбинной установки с циклом Ренкина при параметрах пара

p₁ = 100 бар, t₁ =530 ⁰С, p₂ = 0,04 бар и коэффициентах полезного действия расчет составляющих теплового и эксергетического балансов дал результаты, представленные в виде потоков тепла (рис. 9.14) и потоков эксергии (рис. 9.15).

Анализ уравнений теплового и эксергетического балансов дает

,

но потери эксергии и потери тепла для конкретного узла установки могут существенно различаться, например в паровом котле и конденсаторе. В паровом котле потери тепла составляют 10% (h_ПК = 0,9), потери эксергии -57,7% ( = 0,423). КПД парового котла учитывает, главным образом, потери тепла с уходящими газами. Эксергетический КПД, кроме потерь эксергии с уходящими газами, учитывает дополнительно:

· потери эксергии от необратимости теплообмена между продуктами сгорания топлива, имеющими температуру ~ 2000⁰С и рабочим телом (водой и водяным паром со средней температурой ~ 350⁰С);

· потери эксергии от необратимости процесса горения;

· потери от присоса атмосферного воздуха и смешения его с горячими газами.

В конденсаторе потери тепла составляют 55,4%, в то время как потеря эксергии этого низкопотенциального тепла равна всего 3,6%.

Таким образом, только применение двух методов термодинамического анализа (метода КПД и эксергетического) дает возможность выявить для каждого узла установки количество тепловых потерь и их качество.

Какие существуют возможности для уменьшения потерь в паровом котле? Наибольшие потери эксергии связаны с необратимостью процесса горения и теплообменом между газами и рабочим телом (водой и водяным паром). Первые потери неустранимы, пока есть горение, вторые потери могут быть уменьшены, если уменьшить перепад температур между источником тепла и рабочим телом. Это можно сделать:

· за счет увеличения параметров пара, вырабатываемого в паровом котле;

· за счет регенеративного подогрева конденсата, подаваемого в паровой котел;

· за счет промежуточных перегревов пара в паровом котле;

· за счет применения комбинированных циклов (бинарные ПТУ, парогазовые установки, ПТУ с МГД-генератором).