Денисов-Винский Н.Д. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок

Подождите немного. Документ загружается.

На sT-диаграмме (рис.16) можно видеть, что влажность пара в последних ступенях турбины

(точка 2) намного меньше, чем была бы при отсутствии вторичного перегрева пара (точка с),

и процесс перемещается в более безопасную область состояний пара. Это также способствует

улучшению внутреннего относительного КПД турбины. Влажность пара в конце его расширения в

турбине зависит теперь от его состояния после вторичного перегрева (точка b), а не от начальных

параметров p

и T

что позволяет выбирать их оптимальные значения, не ориентируясь на

конечную влажность пара. В частности, это позволяет использовать высокие начальные

давления пара, в том числе и сверхкритические. Именно такой цикл представлен на рис.16.

Термический КПД цикла со вторичным перегревом пара может быть вычислен как:

В зависимости от начального давления перед цилиндром низкого давления, при котором

производится вторичный перегрев пара, он может быть большим или меньшим, чем КПД цикла

без вторичного перегрева.

Выражение для термического КПД сложного цикла:













   

bа

нЦНДЦВД

hhhh

hhhhhh

lll













2321



 

   

abp

TTchh

cssT





















212



Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

Рис. 17.

Рис. 18.

0

















опт







опт



Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

На рисунке 19 представлен действительный

необратимый цикл паротурбинной установки со

вторичным перегревом пара. Внутренняя

необратимость его обусловлена наличием трения в

процессах расширения пара в ЦВД и ЦНД турбины и

сжатия воды в насосе.

Применение вторичного перегрева пара позволяет

повысить экономичность паротурбинной установки

на 4 - 5 %. Возможно использование и двух

промежуточных перегревов пара. Однако еще один

промежуточный перегрев пара дает дополнительную

возможность повысить экономичность установки

всего на 1 - 1,5% при существенном усложнении ее.

Поэтому применяется он достаточно редко на

установках сверхкритических начальных параметров

пара.

Внутренний КПД цикла, изображённого на рисунке 19:

Рис. 19.













   

aдbд

ЦНД

ЦВД

iа

hhhh

hhhhhh









0230201





Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

[

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ

ЦИКЛ

ПАРОТУРБИННОЙ

УСТАНОВКИ

]

В результате эксергетического анализа паротурбинной установки было показано, что при

повышении ее экономичности важную роль играет уменьшение внешней необратимости цикла,

обусловленной большой разностью температур при передаче теплоты от горячих продуктов

сгорания топлива к рабочему телу. Для этого следует повышать среднюю температуру воды и

пара в процессе подвода теплоты от верхнего

теплового источника.

В то же время в цикле Ренкина (рис.20) имеется

участок, где теплота от горячих газов передается

воде в интервале низких температур – от

температуры в конденсаторе,

близкой к температуре окружающей среды, до

температуры насыщения в котле, что существенно

снижает среднюю температуру подвода теплоты.

Избежать этого можно, если нагревание воды в этом

интервале температур осуществлять не за счет

подвода теплоты от верхнего теплового источника

(горячих газов), а за счет теплоты, отводимой от того

же рабочего тела (пара) на другом участке цикла.

Такой процесс называется регенерацией теплоты,

а цикл, в котором он используется - регенеративным

циклом.

Рис. 20.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

На рис.21 изображен цикл, осуществляемый с насыщенным паром, в котором нагрев воды за

счет теплоты, отбираемой от пара, производится вплоть до температуры насыщения. Такой

процесс называется предельной регенерацией. Процесс расширения пара в турбине теперь не

адиабатный, так как наряду с совершением работы в нем происходит отвод теплоты от пара к

нагреваемой воде. Для того, чтобы цикл был обратимым, этот теплообмен должен

осуществляться при равных температурах пара и воды в каждой точке процесса. Это означает,

что теплоемкости пара и воды должны быть одинаковы на протяжении всего процесса и,

следовательно, линии 3 - 4 и 1 - 2г на диаграмме (рис.21) должны быть эквидистанты.

Рис. 21. Рис. 22.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

В реальной паротурбинной установке процесс расширения пара с отводом теплоты воде

не может быть реализован, так как турбина состоит из ряда ступеней, в которых происходит

адиабатное расширение пара. Он может быть заменен процессом, в котором пар после

адиабатного расширения в ступени турбины направляется в теплообменник, где отдает теплоту

воде, затем поступает в следующую ступень турбины, где расширяется адиабатно, снова

посылается в теплообменник и т.д. Так повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто

давление, равное давлению в конденсаторе.

Такой процесс показан на рис.23 в виде ступенчатой

линии 5 - 2г, вертикальные отрезки которой

соответствуют адиабатному расширению пара, а

горизонтальные - отдаче теплоты в теплообменниках.

Очевидно, что такая многократная транспортировка

пара из турбины в теплообменники и назад вызывала

бы большие конструктивные трудности. Более того, на

диаграмме видно, что влажность пара в конце такого

процесса была бы намного больше, чем в конце

адиабатного расширения (точка 2 на рис.23), и

превышала бы допустимую по условиям безопасности

работы турбины. Поэтому такая теоретическая

регенерация не реализуется на практике.

В реальных установках после адиабатного расширения

в турбинной ступени только часть пара направляется в регенеративный подогреватель, где

конденсируется, отдавая теплоту воде. Основная же часть пара продолжает адиабатно

расширяться в следующей ступени, после чего снова часть пара отбирается для

регенеративного подогрева воды. При этом возможны две схемы, различающиеся типами

применяемых регенеративных подогревателей.

Рис. 23.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

На рис.24 показана схема регенеративной

паротурбинной установки с подогревателями

поверхностного типа. Здесь отобранный из

турбины T пар конденсируется в подогревателе

на внешней поверхности труб, отдавая теплоту

воде, проходящей внутри труб. Образовавшийся

конденсат направляется в подогреватель более

низкого давления, затем в следующий и так по

каскадной схеме до тех пор, пока весь конденсат

не будет введен в основной поток воды. Доля

пара α

, поступающая в каждый регенеративный

подогреватель, определяется из его теплового

баланса, причем давление отборного пара

выбирается так, чтобы температура его

конденсации была на 5 - 10 К выше, чем

температура воды на выходе из подогревателя.

На рис.25 представлена схема паротурбинной установки с двумя регенеративными

смешивающими подогревателями. В этом случае отобранный из турбины пар смешивается

с водой в подогревателе, нагревая ее до температуры насыщения, соответствующей давлению

этого пара. Поэтому после каждого подогревателя имеется насос, повышающий давление воды

до давления в следующем подогревателе, а после последнего (по ходу воды) подогревателя

- питательный насос ПН, подающий воду в котел.

Рис. 24.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

На рис. 26 представлена sT-диаграмма такого цикла. Рассматривая ее, следует иметь в виду

некоторую условность ее построения. Если ранее она всегда строилась для постоянной массы

вещества (например, для 1 кг), то в данном случае изображенные на ней процессы относятся к

различным массам воды и пара. Это надо учитывать, сопоставляя количество теплоты,

переданные в каком-либо процессе, с представлением их в виде площадей в sT-диаграмме.

Рис. 25. Рис. 26.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

[ 6

ЦИКЛ

ПАРОТУРБИННОЙ

УСТАНОВКИ

АЭС

РЕАКТОРОМ

ВВЭР

]

Атомные электрические станции (АЭС) различаются типами применяемых атомных реакторов,

используемым топливом, замедлителями нейтронов, теплоносителями, рабочими телами и

различными конструктивными составляющими. Однако в итоге для преобразования полученной

от реактора теплоты в электроэнергию всегда применяется паротурбинная установка.

Особенности получения теплоты от реактора, а также

экономики АЭС, где в отличие от обычных электростанций

затраты на топливо составляют лишь малую часть

себестоимости вырабатываемой электроэнергии, приводят

к тому, что чаще всего верхняя граница температурного

интервала, в котором осуществляется цикл, намного ниже,

чем для циклов обычных электростанций. В этих условиях

становится целесообразным использование цикла с

влажным паром.

цикл насыщенного пара 1 – 2 – 3 – 4 – 1

цикл перегретого пара 1а – 2а – 3 – 5 – 1а

Если пар при входе в турбину является насыщенным,

то при дальнейшем адиабатном расширении влажность его может достичь значения,

недопустимого по условиям безопасности работы турбины. Для того, чтобы избежать

этого, применяется специальных процесс сепарации пара – удаление образовавшейся

жидкой фазы при некотором промежуточном давлении. Обычно после сепарации пар ещё

перегревают.

Рис. 27.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год

Имея в виду все эти обстоятельства, рассмотрим цикл паротурбинной установки АЭС с

наиболее широко применяемым в России реактором ВВЭР (водо-водяной энергетический

реактор) рис.28.

Данная АЭС является двухконтурной. В первом контуре вода, служащая одновременно и

замедлителем, и теплоносителе, под давлением 16,5 МПа прокачивается циркуляционным

насосом ЦН через реактор Р. В реакторе она нагревается до температуры 322 ºС, более

низкой, чем температура насыщения при этом давлении, равная 350 ºС. Нагретая вода

поступает в парогенератор ПГ, где, отдавая теплоту воде и пару второго контура,

охлаждается до температуры 289 ºС, после чего направляется снова в реактор.

Рис. 28. Рис. 29.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

Курс «Общая энергетика», НОУ ВПО МИЭЭ, 2010 год