Паротурбинные и парогазовые установок

Цикл паротурбинной установки (ПТУ). Основой современных тепловых электрических станций является паротурбинная установка, на которой реализуется так называемый цикл Ренкина.

Пар с параметрами р₀ и t₀ подводится к турбине 1 (рис. 2.1, а) из пароперегревателя 7. В турбине происходит адиабатное расширение пара до конечного давления р₂, в процессе которого совершается работа, пере­даваемая электрическому генератору 2. Отработавший в турбине пар направляется в конденсатор 3, где он отдает охлаждающей воде 4 теп­лоту и конденсируется при постоянных температуре и давлении. Темпе­ратура пара в конденсаторе немного выше температуры окружающей среды и составляет 30...35 °С, что соответствует давлению в конденса­торе 4...6 кПа. Из конденсатора конденсат поступает в питательный на­сос 5, где его давление повышается до р₀. Полученная вода высокого давления, называемая питательной водой, подается в паровой котел 6, где она получает теплоту сгорания топлива и превращается сначала в сухой насыщенный пар, а затем в пароперегревателе 7 - в перегретый пар. Полученный пар далее поступает в турбину.

Цикл Ренкина (рис. 2.1,б, в, г) состоит из процессов: 0-1t - адиа­батное расширение пара в турбине; 1t-2 - конденсация пара при p₂ = const; 2-3 - адиабатное повышение давления воды в насосе; 3-4 -подвод теплоты к воде при давлении р₀ в паровом котле до соответст­вующей температуры кипения; 5-0 - перегрев насыщенного пара в паро­перегревателе.

Процессы нагрева и испарения воды, а также перегрева водяного пара в котле происходят при постоянном давлении, и поэтому теплота, передаваемая воде и пару, полностью идет на повышение энтальпии. Для 1 кг рабочего тела количество подведенной теплоты

q₁ = h₀ - h₃,

где h₃ и h_о - энтальпии соответственно в конечной и начальной точ­ках процесса.

Это количество теплоты в T-s диаграмме (рис. 2.1,в) изобража­ется площадью 2-3-4-5-0-b-а-2.

Удельная работа паротурбинной установки I равна разности ра­боты турбины I₀ = h₀ - h_1t и насоса I_н = h₃ - h₂, а термический КПД цикла Ренкина

. (2.1)

Рис. 2.1. Схема (а) и цикл паротурбинной установки

в р, v - (б), Т, s - (в), h, s (г) - диаграммах

Работу питательного насоса часто учитывают вместе с другими за­тратами энергии на собственные нужды паротурбинной установки, а ле­вую часть цикла при этом полагают идущей по пограничной кривой (ли­ния 2-4 вместо 2-3-4). Тогда выражение для термического КПД цикла Ренкина упрощается:

, (2.2)

где h₂ - энтальпия конденсата, h₂ = c_в · t_k = 4,19 t_K, кДж/кг.

Величину H₀ = h₀ - h_1t называют располагаемым теплоперепадом турбины и в h-s диаграмме (рис. 2.1,г) изображают отрезком верти­кальной линии 0-1t.

В действительности процесс расширения пара в турбине является необратимым. Линия 0-1, условно изображающая этот процесс в h, s - диаграмме (рис. 2.1,г), отклоняется от изоэнтропы 0-1t в сторону возрас­тания энтропии. При этом энтальпия отработавшего пара повышается до h₁, а разность энтальпий H_i = h₀ - h_1, представляющая собой действительную (или внутреннюю) работу I_i, развиваемую 1 кг пара в турбине, со­ответственно уменьшается на величину потерь Н = Н_о – Н_i. Разность энтальпий H_i = h₀ – h₁ принято называть используемым теплоперепадом турбины, отношение - внутренним относительным КПД турбины, а - внутренним КПД паротурбинной установки.

Из выражения (2.2) следует, что увеличивается с ростом h₀ и снижением h₂, чему соответствует повыше­ние начальных параметров пара р₀, t₀ и уменьшением конечного давления р₂. Понижение давления р₂ в конденсаторе менее чем 3,5...4 кПа ограни­чено температурой охлаждающей воды (0...25 °С).

Повышение начальной температуры пара t₀ всегда приводит к росту КПД, но оно ограничено удорожанием металла; t₀ составляет 540...565 °С (теплоустойчивая сталь перлитного класса). Применяют в паротур­бинных установках и сопряженные параметры р_о = 16 МПа, t_o = 560 °C и р_о = 24 МПа, t_o = 560 °C при допустимой влажности 10... 12 %.

Цикл паротурбинной установки с промежуточным перегревом пара. С появлением мощных паровых турбин, более 100 МВт и выше, в цикл Ренкина внесено усовершенствование - применен вторичный, или промежуточный, перегрев пара. В паротурбинных установках с промежу­точным перегревом пара (рис. 2.2) турбина, механически связанная с электрическим генератором 8, выполняется из двух отдельных частей: части высокого давления (ЧВД) 1 и части низкого давления (ЧНД) 2.

В ЧВД пар адиабатно расширяется до давления р_пп и совершает работу 1_i1. Затем пар направляется для повторного нагрева в промежу­точный перегреватель 6, где получает теплоту q_пe, и после этого посту­пает в ЧНД 2, в котором адиабатно расширяется до давления р_к в кон­денсаторе 3, совершая при этом работу l_i2. Конденсат насосом 4 подает­ся в котел 5, где получает теплоту сгорания топлива q_K и превращается в насыщенный пар, который после нагрева в пароперегревателе 7 посту­пает в турбину 1.

Промежуточный перегрев пара в турбоустановках позволяет не только избежать повышенной влажности в конце процесса расширения, которая снижает внутренний относительный КПД турбины и вызывает эрозионный износ отдельных ее элементов, но также повысить КПД цикла за счет приближения процесса подвода теплоты к изотермическо­му.

а)

б)

Рис. 2.2. Схема (а) и цикл (б) паротурбинной установки с промежу­точным

перегревом пара в h, s-диаграмме

Внутренний КПД турбоустановки с промежуточным перегревом пара

. (2.3)

Как правило, применяют однократный промежуточный перегрев.

Регенеративный цикл паротурбинной установки (ПТУ). Для повышения экономичности работы паротурбинных установок, помимо повышения параметров пара, применяют так называемый регенеративный цикл, при котором питательная вода до ее поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагреву паром, отбираемым из промежуточных ступней паровой турбины. Так как питательной воде передается теплота отобранного пара, включая теплоту парообразования, а при получении работы используется лишь часть теплоты пара, не включая теплоту парообразования, то потеря работы в результате отборов будет значительно меньше, чем увеличение энтальпии питательной воды. Поэтому, в целом, КПД цикла возрастает.

Применение регенеративного цикла позволяет, когда это желательно, исключить экономайзер (подогрев питательной воды уходящими газами), использовав теплоту уходящих газов для подогрева поступающего в топку воздуха.

При применении регенерации экономия теплоты в цикле возрастает с повышением начального давления пара . С повышением увеличивается температура насыщения (кипения) воды, следовательно, повышается количество теплоты, которое можно подвести к воде при подогреве ее паром из отбора турбины. В настоящее время регенеративный подогрев применяется на всех крупных электростанциях.

В реальных ПТУ регенеративный цикл реализуется путем подогре­ва питательной воды в регенераторах - пароводяных подогревателях, в которые поступает пар, отбираемый из турбины. Схема ПТУ с двумя от­борами на регенеративный подогрев питательной воды приведена на рис. 2.3,а. Из котла 1 пар поступает в пароперегреватель 2, а затем в турбину. Из 1 кг пара, поступившего из котла, через первую часть турбины проходит весь пар. Расширяясь до давления p₁ (рис.2.3,б), он соверша­ет удельную работу I_I = h₀ – h₁. После расширения в первой части турби­ны некоторое количество пара , кг с энтальпией h₁ отбирается к подог­ревателю 11, где отдает свою теплоту питательной воде и конденсиру­ется. Остальное количество пара , кг расширяется во второй части 4 турбины до давления р₂ и совершает удельную работу . После расширения отбирается в подогрева­тель 10 , кг пара с энтальпией h₂. Оставшиеся , кг пара расширяются в третьей части 5 турбины до конечного давления р_к, со­вершают удельную работу I_K = α_K(h₂ - h_K) и поступают в конденсатор 6. Далее с помощью насосов 7 и 9 вода, пройдя через смешивающий 8 и регенеративные 10, 11 подогреватели, подается в котел 1.

а)

б)

Рис. 2.3. Схема турбоустановки с регенеративным подогревом пи­тательной воды (а) и изображение процесса расширения пара в h, s -диаграмме (б)

Полная удельная работа цикла равна сумме работ, совершенных паром во всех частях турбины:

. (2.4)

Расход теплоты на турбоустановку с регенерацией равен разности начальной энтальпии пара h₀ и питательной воды h_п.в:

. (2.5)

Термический КПД цикла Ренкина с регенерацией:

. (2.6)

Число регенеративных отборов в ПТУ составляет 4...13 (обычно 5…7).Увеличение термического КПД при применении регенерации составляет 10…15 %.

Цикл парогазовых установок. В настоящее время практически исчерпаны возможности повыше­ния тепловой экономичности циклов паротурбинных установок. Возмож­ное повышение экономичности электрических станций связывают с при­менением установок с комбинированными циклами, в которых паротур­бинный цикл сочетается с различными высокотемпературными циклами (ГТУ, МГД - установками и др.). Пока практическое применение в энерге­тике находят лишь парогазовые установки, на которых реализуется па­рогазовый цикл. Он представляет собой цикл с двумя рабочими телами: в области высоких температур рабочим телом являются продукты сгора­ния топлива, в области низких температур - вода.

а)

б)

Рис. 2.4. Схема (а) и цикл (б) парогазовой установки

На рис. 2.4,а приведена принципиальная схема парогазовой установки. Компрессор 1 повышает давление воздуха и подает его в камеру сгорания высоконапорного генератора 2. Продукты сгорания отдают часть своей теплоты воде, которая превращается в парогазогенераторе 2 в пар, поступающий в пароперегреватель, а затем в паровую турбину 5, механически связанную с электрическим генератором 7. После турбины пар поступает в конденсатор 6, где полностью конденсируется. Конденсат подается в теплообменник 4, а затем поступает в высоконапорный парогазогенератор.

Продукты сгорания, охлажденные до необходимой температуры в парогазогенераторе 2, поступают в газовую турбину 3, совершают там работу и далее через теплообменник 4 выбрасываются в атмосферу.

Парогазовый цикл установки (рис. 2.4,б) состоит из двух контуров: 0-1-3-4-5-0 – газовый цикл; 6-7-8-9-10-11-6 – пароводяной цикл. Газовый цикл состоит из следующих процессов: 0-1 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 1-2 – подвод теплоты в камере сгорания при р = const; 3-4 – адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине; 4-5 – изобарный отвод теплоты в теплообменнике 4; 5-0 – отвод теплоты в окружающую среду.

Пароводяной цикл включает следующие процессы: 10-11 – адиабатное расширение пара в турбине; 11-6 – конденсацию пара в конденсаторе; 6-7 подвод теплоты к воде в теплообменнике; 7-8-9 – нагрев и парообразование воды в парогазогенераторе; 9-10 – перегрев пара в пароперегревателе.

Цикл построен для 1 кг воды. В цикле газотурбинной установки подвидимая теплота равна площади 3-a-b-1-3, а в цикле паротурбинной установки - площади 6-8-9-10-d-c-6. Полезная работа установки определяется суммой работ газового цикла l_г и парового цикла l_п, пропорциональных соответственно площадям 01340 и 101168910.

Теплота, выделяющаяся при охлаждении отработавших в газовой турбине газов, по линии 4-5 используется для подогрева питательной воды, по линии 6-7 – в теплообменнике 4. Количество теплоты, затраченной на получение пара в высоконапорном парогазогенераторе 2, уменьшается на величину, равную площади 7-е-с-6-7, а эффективность комбинированного цикла возрастает.

Работу парового и газового циклов можно определить из выражения

; , (2.7)

где m, кг – количество продуктов сгорания топлива.

Количество подведенной в цикле теплоты

. (2.8)

Термический КПД цикла парогазовой установки

. (2.9)

Выполненные по сложным схемам со ступенчатым сгоранием и компрессией парогазовые установки могут иметь термический КПД до 40…50%.

Дата добавления: 2015-07-25