Теплоносители и их свойства. Цикл Ренкина. Другие циклы ПТУ. (Тема 7)

Цикл Ренкина паротурбинной
установки (ПТУ) в pv-диаграмме
1-2 адиабатное расширение пара
в турбине;
2-2’ изобарно-изотермическая
конденсация пара в
конденсаторе;
2’-3 адиабатное сжатие воды в
питательном насосе;
3-4 изобарный
нагрев воды в водяном
экономайзере;
x=0
x=1
p
0
v
к
1
2
2’
3
4 5
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Цикл Ренкина паротурбинной
установки в Ts-диаграмме
4-5 изобарно-изотермическое
парообразование;
5-1 изобарный перегрев пара
в пароперегревателе.
Термический КПД цикла Ренкина:
. (1)
x=const
T
0
s
к
1
2
2’
3
4
5
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Приближенный КПД цикла Ренкина
Если в выражении (1) перегруппировать члены, то:
.
Здесь lт – положительная работа пара в турбине; lн – затрата
работы на сжатие воды в насосе; q1 – теплота, подведенная
к рабочему телу в парогенераторе.
В современных ПТУ lт≈1200…1600 кДж/кг, lн≈20…40 кДж/кг
и для приближенных расчетов работой сжатия воды можно
пренебречь, то есть считать,
что h2’≈h3, тогда: . (2)
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Влияние начальной температуры
Влияние начального давления
Влияние
конечного давления
Т1
Т’1
р1
р2
х=1
Т1
p1
p’1
p2
х=1
Т1
р1
h’0
h’0
h0
р2
х=1
h
s
h
s
h
s
Влияние параметров пара на
термический КПД цикла Ренкина
h’0
h0
p’2
h0
h’0>h0, следовательно: η’t>ηt
Т’1>T1
p’1>p1
p’2
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Порядок конечных и начальных
параметров пара
В современных ПТУ обычно р2=0,03…0,05 бар и зависит от
температуры охлаждающей воды.
При этих давлениях температура конденсации отработавшего
в турбине пара соответственно tн=24…33 °С.
Начальные параметры пара в современных ПТУ:
р1=240…300 бар, t1=550…600 °С.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Простейшая схема
паротурбинной установки (ПТУ)
ПГ – парогенератор;
ПЕ – пароперегреватель;
ПТ – паровая турбина;
ЭГ – электрогенератор;
К-р – конденсатор
(Pк=3…5 кПа);
КН – конденсатный насос;
Д – деаэратор;
ПН – питательный насос.
ПГ
ПЕ
ПТ
К-р
Д
КН
ПН
ВЭ
~
ЭГ
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Цикл ПТУ с учетом необратимости
Основные необратимые потери
происходят в паровой турбине и
питательном насосе.
Процесс течения пара в соплах
и каналах рабочих лопаток
можно считать адиабатным из-за
высоких скоростей пара и малого
времени контакта между паром и
проточными поверхностями.
Так как в необратимом процессе пар расширяется до того же
давления р2, то для влажного пара на выходе из турбины
Т2д=Т2.
Т
s
p1
p2
1
2 2д
2’
3
3д
4
5
0
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Обозначения процессов в цикле ПТУ
1-2; 1-2д – теоретическое и действительное адиабатные
расширения пара в турбине;
2д-2’ – изобарно-изотермическая конденсация пара в
конденсаторе;
2’-3; 2’-3д – теоретическое и действительное сжатия воды в
питательном насосе;
3д-4 – изобарный нагрев воды в экономайзере;
4-5 – изобарно-изотермическое парообразование в испарителе;
5-1 – изобарный перегрев пара в пароперегревателе.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Необратимые потери в турбине
При течении пара в соплах и
каналах рабочих лопаток турбины
часть кинетической энергии пара
расходуется на трение и завихре-
ние.
Эти потери преобразуются в
теплоту, которая при адиабатном
течении воспринимается потоком пара, за счет чего его
энтальпия возрастает до h2д>h2.
Необратимые потери в турбине учитываются внутренним
относительным КПД турбины: .
h
s
1
2
2д
р1
р2
t1
x=1
h1
h2
h2д
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Необратимые потери в насосе
Необратимые потери в насосе
учитываются внутренним относительным
КПД насоса:
.
Внутренний абсолютный КПД ПТУ,
учитывающий необратимые потери:
.
h
s
p2
x=0
2’
3
3д
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Цикл ПТУ
с промежуточным перегревом пара
После расширения пара в ЦВД
до линии х=1 он поступает в
промежуточный пароперегре-
ватель ПП, перегревается снова
до температуры свежего пара.
На цикле 6-7 промперегрев;
1-6 адиабатное расширение
пара в ЦВД, 7-2 – то же в ЦСД
и ЦНД.
Благодаря промперегреву
х2п>х2Р, поэтому ηtп>ηtр.
ПГ
ПЕ ПП ЦВД ЦСД
в ЦНД
к 1 7
T
4 5
3
2’
2
6
x2п=const
x2P=const
0
s
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Термический КПД ПТУ
с промежуточным перегревом пара
Термический КПД ПТУ с промежуточным перегревом пара:
.
Основное же назначение промежуточного перегрева пара – это
снижение внутренних потерь в турбине от влажности пара, что
приводит к повышению внутреннего относительного КПД ПТУ.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Каскадная схема ПТУ с 3 отборами пара для регенеративного подогрева воды
1 – парогенератор;
2 – пароперегреватель;
3 – паровая турбина;
4 – конденсатор;
5 – конденсатный насос;
6,7,9 – регенеративные
подогреватели воды;
8 – питательный насос;
9 – водяной экономайзер;
g1,g2,g3 – отборы греющего пара из турбины.
2
1
1 кг
g1
g2
g3
1-g1
1-g1-g2
1-g1-g2-g3
3
4
5
6
7
8
9
1 кг
1-g1-g2-g3
1-g1-g2
1-g1
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Термический КПД
регенеративного цикла ПТУ
Питательная вода подогревается в трех смесительных
регенеративных подогревателях за счет теплоты конденсации
водяного пара, отбираемого из турбины.
В реальных ПТУ бывает до 6…9 регенеративных поверхностных
и смесительных подогревателей воды, что повышает
термический КПД установки ηt=l/q1 на 10…14 %,
где работа l складывается из работ потоков пара, проходящих
через турбину:
.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Работа потоков пара
Работа потоков пара:
• 1 кг пара до 1 отбора
l1=h1-h’;
• (1-g1) кг пара после 1 отбора
l2=(1-g1)(h’-h”);
• (1-g1-g2) кг пара после 2 отбора
l3=(1-g1-g2)(h”-h”’);
• (1-g1-g2-g3)=g кг пара после 3 отбора
l4= (1-g1-g2-g3)(h”’-h2).
Работа турбины равна сумме этих работ
l=h1-g1·h’-g2·h”-g3·h”’-g·h2.
h
s
p1
t1
p’
p”
p2
x=1
h1
h’
h”
h”’
p”’
h2
1
2
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Термический КПД
регенеративного цикла ПТУ
Термический КПД
регенеративного цикла ПТУ:
.
Расход пара в отборах находится
из уравнения теплового баланса
регенератора, например, для
первого подогревателя:
,
где h’0 – энтальпия питательной воды на выходе из
подогревателя, равная энтальпии конденсата
греющего пара, откуда расход пара, кг/с:
.
Т
s
p1
1
2
0
p2
p’
p”
p”’
1 кг
1-g1
1-g1-g2
1-g1-g2-g3=g
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013

Теплофикационный цикл ПТУ
В цикле Ренкина теплота q2 должна
быть отдана холодному источнику
(охлаждающей воде в конденсаторе).
Но эту теплоту можно использовать,
если поднять давление в конденсаторе
с обычных рк=3…5 кПа до рк>1 бар.
При атмосферном давлении
температура конденсации пара 100 °С,
то есть температура охлаждающей воды
на выходе из конденсатора 95 °С и ее
можно использовать для отопления и
горячего водоснабжения.
T
0
s
к
1
2
2’
3
4
5
q2
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013