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

Подождите немного. Документ загружается.

Насыщенный пар второго контура, приготовленный в парогенераторе, имеет давление

6,2 МПа и температуру 278 ºС (точка 1 в sT – диаграмме на рис.29). Основная часть его

поступает в цилиндр высокого давления ЦВД турбины, в котором адиабатно расширяется до

промежуточного давления 0,5 МПа (точка 2 на рис.29). В этом состоянии влажный пар

направляется в сепаратор С, где отделяется жидкая фаза, которая передаётся затем в

подогреватель питательной воды. Сухой насыщенный пар с параметрами состояния 3 из

сепаратора передаётся в паро-паровой перегреватель ПП. Здесь он при постоянной давлении

перегревается до температуры 250 ºС паром с параметрами состояния 1, не прошедшим

через турбину. Отдавая теплоту, этот греющий пар конденсируется, и получившийся

конденсат дренируется в подогреватель питательной воды. Перегретый же пар адиабатно

расширяется в цилиндре низкого давления ЦНД турбины до давления в конденсаторе 3 – 4 кПа.

Расход греющего пара в паро-паровой перегреватель:

Теоретическая мощность турбины:

Термический КПД цикла:







DxD

пп













54212

hhxhhDN















 

711

54212

hhD

hhxhhD













Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

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

[

ТЕПЛОФИКАЦИОННЫЕ

ЦИКЛЫ

]

Как было показано при энергетическом анализе цикла большое количество подведённой

в нём к рабочему телу теплоты отводится нижнему тепловому источнику, что является

неизбежным условием выполнения второго закона термодинамики. В конденсационной

паротурбинной установке эта теплота отводится к охлаждающей конденсатор воде и

сбрасывается в окружающую среду. В тоже время есть потребность в теплоте для

отопления и для осуществления ряда производственных процессов. Для этих целей не может

быть использована вода конденсатора, имеющая при давлении 3 – 4 кПа температуру

24 – 29 ºС.

Для того, чтобы теплоту использовать теплоту конденсирующего пара для отопления и

для выработки тепла для производственных процессов, давление его повышают до

0,12 – 0,25 МПа, что позволяет нагреть циркулирующую в теплосети воду до 100 – 125 ºС, а

если этот пар используется для производственных нужд, то давление его повышают до

более высоких значений. Турбину в этом случае называют теплофикационной турбиной

с противодавлением.

На рисунке 30, 31 изображены схема паротурбинной установки и sT – диаграмма. В этой

установке приготовленный в паровом котле ПК пар поступает в турбину Т, где при

адиабатном расширении производит работу, а затем, конденсируясь, отдаёт теплоту

тепловому потребителю. Полученный конденсат насосом Н подаётся в котёл, где в

изобарном процессе 3 – 4 – 1 при подводе теплоты снова получает пар состояния 1.

Очевидно, что при повышении давления за турбиной термический КПД цикла снизится. Но

он в этом случае и не характеризует работу установки, так как в ней теперь получаются

два полезных продукта – работа и тепло.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

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

У теплофикационной установки, имеющей турбины с противодавлением (рис.30),

выработка электроэнергии жестко связана с отпуском теплоты тепловому потребителю,

так как расход пара через турбину может быть только таким, какой нужен для выработки

теплоты в количестве, заданном тепловым потребителем. Поэтому такие установки

применяются там, где тепловая нагрузка достаточно постоянна (промышленный

потребитель). Если же тепловое потребление значительно изменяется от времени года

(системы отопления) или других факторов, то используются теплофикационные установки

турбины с регулируемым отбором пара.

Рис. 30. Рис. 31. Рис. 32.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

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

Из парового котла ПК пар поступает в турбину Т, в которой адиабативно расширяется до

давления р

. При этом давлении часть пара отбирается в сетевой подогреватель СП воды,

циркулирующей в отопительной сети теплового потребителя ТП, от него отводится

теплота, используемая для нужд теплофикации. Оставшийся пар продолжает адиабатное

расширение в турбине до давления p

, поддерживаемого в конденсаторе К. Конденсат пара

теплофикационного отбора с параметрами состояния 4 смешивается с конденсатом,

поступающим из конденсатора. Получившийся поток с параметрами состояния 5 сжимается

насосом Н до начального давления p

и направляется в котёл.

Рис. 33. Рис. 34.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

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

Мощность, развиваемая теплофикационной турбиной, определяется как:

Количество теплоты, отданной тепловому потребителю, составляет:

Для выработки их в котле к воде подводится теплота, рассчитываемая по формуле:

где

энтальпия h

находится

















гм

oiттэ

hhDhhDDN





3121





hhDQ

дтт







611

hhDQ 

lhh 





hDDhD

тт 24









Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

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

[

ЦИКЛЫ

ГАЗОТУРБИННЫХ

УСТАНОВОК

]

[

8.1.

Цикл

газотурбинной

установки

со

сгоранием

топлива

при

постоянном

давлении

]

Газотурбинная установка представляет собой двигатель, в котором сгорание топлива

происходит непосредственно в рабочем теле цикла, осуществляемого в потоке газа.

Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ), в которой топливо сгорает при

постоянном давлении, приведена на рис.35, а осуществляемый в ней обратимый цикл

представлен на рисунках 36 и 37.

В этой установке воздух из окружающей среды, имеющий давление p

и температуру T

поступает на вход компрессора К, вращающегося на одном валу с газовой турбиной Т. В

компрессоре воздух адиабативно сжимается до давления p

, при котором подаётся в камеру

сгорания КС, куда поступает и газообразное или жидкое топливо. Здесь при постоянном

давлении происходит сгорание топлива, вследствие чего температура получившихся

газообразных продуктов сгорания повышается до температуры T

, достигающего у

современных установок 1200 – 1500 К. При этой температуре и давлении p

= p

газ

поступает в турбину, где при адиабатном расширении до атмосферного давления

совершает работу, одна часть которой затрачивается на привод компрессора, а другая –

на привод генератора Г, вырабатывающего электроэнергию. Из турбины газ при давлении

= p

выбрасывается в окружающую атмосферу, а в компрессор забирается из атмосферы

новый чистый воздух.

При термодинамическом рассмотрении цикла обычно не учитывается изменение массы

рабочего тела при сгорании топлива (оно невелико и составляет около 2%), а также не

принимается во внимание происходящее при этом изменение химического состава газа и все

расчёты проводятся по отношению к 1 кг чистого воздуха.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

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

Все процессы в газотурбинной установке протекают в потоке газа.

1 – 2 – a – b – 1 (рис.36) – техническая работа, затрачиваемая на сжатие

воздуха в компрессоре;

3 – 4 – b – a – 3 (рис.36) – техническая работа, полученная в турбине;

1 – 2 – 3 – 4 – 1 (рис.36) – полезная работы ГТУ;

2 – 3 – b – a – 2 (рис.37) – теплота, подводимая в камере сгорания;

4 – 1 – a – b – 4 (рис.37) – теплота, отводимая в окружающую среду;

Рис. 35.

Рис. 36. Рис. 37.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

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

Термический КПД цикла для ГТУ может быть выражен как:

Для анализа зависимости термического КПД от характерных параметров цикла ГТУ,

воспользуется следующими зависимостями:

Приняв постоянными значения теплоёмкости и показателя адиабаты, после

преобразования получим:

где β – степень повышения давления газа в компрессоре.

Следовательно, термический КПД цикла ГТУ зависит только от степени повышения

давления β и не зависит от температуры газа перед турбиной.









 

1243

hhhh

кт











Tch

















ppTT

1212





 









Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

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

Действительный цикл ГТУ, в котором необратимые из-за наличия трения процессы в

турбине и компрессоре протекают с ростом энтропии, показан на рис.38

Показателем экономичности такого цикла

является внутренний КПД:

внутренний относительный КПД турбины

внутренний относительный КПД компрессора

тогда внутренний КПД цикла









 

дд

hhhh

1243













Рис. 38.





 











 















 

hhhh

1243











Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

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

[

8.2.

Регенеративный

цикл

ГТУ

]

На примере ПТУ было показано, что внешнюю необратимость цикла можно уменьшить,

применяя регенерацию теплоты.

На рис.39 представлена принципиальная схема регенеративной ГТУ, а на рис.40 и 41 показан

её предельный регенеративный цикл. В этой установке в компрессоре К обратимое

адиабатное сжатие атмосферного воздуха производится до состояния 2, после чего он

направляется в регенератор Р, где к нему при постоянном давлении p

подводится теплота

от уходящих из турбины Т газов.

Рис. 39. Рис. 40.

Рис. 41.

Н.Д. Денисов-Винский

E-mail: denisov.vinskiy@yandex.ru

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