Регенеративный цикл паротурбинных установок

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.

Вопросы для самопроверки

1. Изобразите в координатах T, s цикла паротурбинной установки с предельной регенерацией.

2. Покажите, что термический КПД регенеративного цикла паротурбинной установки повышается с увеличением числа регенеративных отборов.

3. Составьте уравнение теплового баланса смешивающего регенеративного подогревателя паротурбинной установки с одним отбором.

4. Изобразите в координатах Т, s идеальный цикл паротурбинной установки с промежуточным перегревом пара.

5. Изобразите в координатах h, s процесс расширения пара в турбине паротурбинной установки с двумя промежуточными перегревами пара. Как сказывается промежуточный перегрев пара на его конечной влажности?