Эрдман С.В. Техническая термодинамика и теплотехника: Учебное пособие.

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 3.5. Иллюстрация причины малого КПД цикла Ренкина

по сравнению с циклом Карно

Потери работы – заштрихованная площадь.

Нумерация точек совпадает с нумерацией на рис. 3.3 и 3.4.

Совершенство паросиловой установки определяется не только

термическим коэффициентом полезного действия цикла, но и коэффи-

циентом полезного действия котельного агрегата. Последний представ-

ляет собой отношение подведенной теплоты к рабочему телу химиче-

ской энергии топлива. К чести отечественных теплоэнергетиков, разра-

ботчиков котельных агрегатов КПД современной котельной установки

составляет величину 99,5 %. Это значит, что

например, из 100 вагонов

угля 99,5 вагонов угля будут «превращены» в энтальпию перегретого

пара (точка 1 на рис. 3.3, 3.4 и 3.5) и только 0,5 вагона угля уйдут на

обогрев атмосферы. Следовательно, низкий КПД всей паросиловой ус-

тановки, работающей по циклу Ренкина, имеет глубокие термодинами-

ческие (генетические) основания.

Суть этих оснований в том, что природа воды, ее физико

химические свойства таковы, что цикл Ренкина слабо заполняет пло-

щадь внутри цикла Карно (см. рис. 3.5).

Воду сделали рабочим телом в паросиловых установках, т. к. во-

да–самое распространенное вещество на Земле, воды раньше было мно-

го, она была бесценна. В настоящее время современная обработка воды

для паросиловой установки делает ее

очень дорогой. Даже воду для ох-

лаждения конденсатора приходится тщательно очищать от водорослей,

амеб, жгутиковых организмов, микроорганизмов, т. к. они великолепно

живут и активно размножаются в теплообменнике, приводя всю уста-

новку в состояние отказа.

Коэффициенты полезного действия и двигателей внутреннего сго-

рания и паросиловых установок расточительно малы. Следовательно,

приходится и/или разрабатывать мероприятия по увеличению КПД

и/или заниматься энергосбережением.

3.3. Методы повышения КПД паросиловых установок

Все термодинамические методы и приемы повышения КПД паро-

силовых установок не изменяют величину Т

, т. к. практически ее труд-

но изменить.

Итак, подвод теплоты в цикле Ренкина происходит по некоторой

ломаной кривой (см. рис. 3.4 и диаграмму Т-S, процесс 4–5–1, р

=const).

Среднеинтегральной температурой процесса подвода теплоты в

паросиловом цикле называется

> ≡

Tds

∫

(3.3.1)

Иными словами, <Т

> в математике называют среднеинтеграль-

ной величиной функции на каком-то интервале изменения аргумента.

Тогда для любого цикла паросиловой установки

эквивалентный цикл

Карно будет иметь КПД, равный

= 1 – Т

/<T

>. (3.2.6)

Любое предложение по увеличению или изменению η

паросило-

вой установки будем оценивать по изменению <T

3.3.1. Повышение температуры рабочего тела перед турбиной.

На рис. 3.6 представлена возможность реализации этого приема

повышения термического коэффициента полезного действия.

Количество работы за цикл увеличилось с увеличением Т

, но од-

новременно увеличились потери теплоты в конденсаторе, увеличились

затраты теплоты за цикл. Здесь наглядно видно, что у дроби η

увели-

чился и числитель, и знаменатель, а результат неопределенен. Но видно,

что увеличение Т

до Т

’ увеличивает <T

>. Следовательно, η

увеличи-

вается с увеличением Т

Рис. 3.6. Метод повышения η

путем увеличения температуры Т

пара

перед турбиной

3.3.2. Повышение давления рабочего тела перед турбиной

На рис. 3.7 представлена возможность реализации этого метода

повышения η

Рис. 3.7. Метод повышения η

путем повышения давления

водяного пара перед турбиной

Судя по рис. 3.7, трудно решить, увеличились или уменьшилась

работа за цикл, зато потери теплоты в конденсаторе явно уменьшились.

Если же использовать понятие <T

>, то из рис. 3.7 следует, что с увели-

чением р

величина <T

> тоже увеличилась, а температура Т

не изме-

нилас

ь. Следовательно, однозначно можно сделать вывод, что увеличе-

ние давления пара перед турбиной увеличивает термический коэффици-

ент полезного действия η

Повышение температуры Т

пара перед турбиной мало эффектив-

но, т. к. изобары p = const довольно круто идут вверх в области пере-

гретого водяного пара. Такова природа этого вещества.

Увеличение температуры и давления водяного пара перед турби-

ной ограничивается набором термостойких и особо прочных материа-

лов для изготовления и котельного агрегата, и турбины.

3.3.3. Многократный перегрев пара

Суть этого метода повышения КПД теплосиловой установки со-

стоит в следующем. Турбина, как правило, имеет несколько ступеней

расширения пара. Это позволяет водяной пар после первой ступени

расширения снова направить

в свой пароперегреватель, расположенный

в газоходах котельного агрегата. Ничто не мешает сделать то же самое с

паром после второй ступени расширения и т. д. На практике делают не

больше трех промежуточных перегревов, т. к. установка сильно услож-

няется, увеличивается число и длина паропроводов, запорной и регули-

рующей арматуры. Все это уменьшает надежность

паросиловой уста-

новки.

На рис. 3.8 представлена возможность реализации метода по-

вторного перегрева водяного пара для увеличения термического коэф-

фициента полезного действия паросиловой установки.

Рис. 3.8. Метод повышения η

путем двойного перегрева водяного пара:

Процесс 5–1 – первый перегрев перед первой ступенью турбины;

процесс 6-1’ – второй перегрев перед второй ступенью турбины

Термодинамика рекомендует уменьшать давление р

в конденса-

торе с целью уменьшения температуры Т

(см. рис.3.7). Это предложе-

ние трудно реализуемо, т. к. охлаждение пара осуществляется посредст-

вом проточной воды с температурой в окружающей среде. Это значит,

что летом при температуре воды на охлаждение t = 25

С давление кон-

денсации (кипения) равно р

= 0,03166 бара (см. таблицы насыщенного

водяного пара по температурам). Зимой при t = 0,01

C давление кон-

денсации равно р

= 0,006108 бар. И сделать ниже этой величины не-

возможно (вода становится льдом).

Конечно, можно поставить холодильную машину для проведения

процесса конденсации с целью уменьшения Т

, но прирост работы за

цикл w

не перекрывает затрат работы в холодильной установке.

Окончательно, как следует из опыта и практики повышения η

па-

росиловых установок указанными методами, сделать термический ко-

эффициент полезного действия больше 40 % - 42 % не удается.

3.3.4. Теплофикация

Суть метода теплофикации заключается в том, чтобы потери теп-

лоты в цикле Ренкина (в конденсаторе) сделать полезными. Организа-

ция процесса теплофикации заключается в следующем (рис. 3.9).

Рис.3.9. Процесс теплофикации

Водяной пар с состоянием т. 1 направляется в паровую турбину,

но процесс расширения проводится не до конца, а до давления р

теплофик

Далее, пар после турбины направляется по паропроводу в тепловые

пункты жилых районов. В этих пунктах установлен теплообменник, ко-

торый нагревает питьевую воду из водопроводной сети за счет процесса

конденсации пара из паропровода. Часть горячей воды идет на отопле-

ние жилых и производственных зданий, другая часть – на бытовые нуж-

ды. Конденсат возвращается обратно в паросиловую установку на вход

питательного насоса.

Идея этого метода состоит в том, что полезной для паросиловой

установки теперь является не только работа турбины, но и теплота пере-

гретого пара, направляемая в жилые районы. И жители города, про-

мышленные предприятия платят поставщикам тепловой энергии.

Теплофикация получила самое

широкое распространение в Рос-

сии, т. к. Россия все-таки северная страна с суровым климатом.

4. ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

Большинство современных газотурбинных установок выполня-

ется по открытой схеме со сгоранием при p = const

В состав газотурбинных установок обычно входят камера сгора-

ния, газовая турбина, воздушный компрессор, теплообменные аппара-

ты различного назначения (воздухоохладители, маслоохладители

системы смазки, регенеративные теплообменники) и вспомогатель-

ные устройства (маслонасосы, элементы водоснабжения и др.).

Рабочим телом газотурбинных установок служат продукты сго-

рания топлива, в качестве которого используются природный газ, хо-

рошо очищенные искусственные газы (доменный, коксовый, генера-

торный) и специальное газотурбинное жидкое топливо (прошедшее

обработку дизельное моторное и соляровое масло).

Подготовка рабочей смеси производится в камере сгорания. Ог-

невой объем камеры (рис.4.1) разделяется на зону горения, где про-

исходит сгорание топлива при температуре порядка 2000 °С, и зону

смешения, где к продуктам горения подмешивают воздух для сни-

жения их температуры до 750—1150 °С (более высокие температуры

материал газовых турбин выдержать не может).

Рис.4.1. Схема камеры сгорания газотурбинных установок:

1-воздухонаправляющее устройство; 2-запальное устройство;

3-форсунка; 4-пламенная (жаровая) труба; 5-корпус; 6-смеситель

Принцип работы газовой и паровой турбин одинаков, но кон-

струкция проточной части газовых турбин значительно проще. Они

работают на относительно не большом располагаемом теплоперепаде

и поэтому имеют небольшое число ступеней. В связи с высокой тем-

пературой продуктов сгорания (750-1150 °С) детали проточной части

турбин (сопла, рабочие лопатки, диски, валы) изготавливают из леги-

рованных высококачественных сталей. Для надежной работы у боль-

шинства турбин предусмотрено интенсивное воздушное охлаждение

наиболее нагруженных деталей корпуса и ротора.

В реальных условиях все процессы в газотурбинных установ-

ках являются необратимыми, что оказывает большое влияние на ха-

рактеристики установки. Необратимость реальных процессов вызвана

потерями работы в турбине и компрессоре, а также потерями давле-

ния рабочего тела в тракте газотурбинной установки.

Если в первом приближении считать расход рабочего тела

одинаковым в любой точке тракта газотурбинной установки, то с

учетом названных потерь можно построить реальный цикл в тепло-

вых диаграммах. На рис.4.2 действительный процесс сжатия в ком-

прессоре изображен линией 1-2, а процесс расширения в турбине –

линией 3-4.Точками 2а и 4а отмечено состояние рабочего тела со-

ответственно в конце изоэнтропийного сжатия и расширения (иде-

альные процессы), точкой 0 — параметры окружающей среды. Ввиду

потерь давления во всасывающем тракте компрессора (линия 01)

процесс сжатия начинается в точке 1.

Рис.4.2 Реальный цикл газотурбинной установки

4.1. Газотурбинные установки с утилизацией теплоты

уходящих газов

Теплоту уходящих из газотурбинных установок газов можно ис-

пользовать для получения пара и горячей воды в обычных тепло-

обменниках.

Использование теплоты уходящих газов для отопления и горяче-

го водоснабжения — один из наиболее простых и распространенных

способов повышения технико-экономических показателей газотурбин-

ных установок. Так, установки ГТ-25-700 ЛМЗ снабжены сетевыми

подогревателями, причем максимальная температура воды за подог-

ревателем равна 150—160 °С.

Вместе с тем сравнительно высокий уровень коэффициента из-

бытка воздуха в газотурбинных установках позволяет сжигать доста-

точно большое количество дополнительного топлива в среде продук-

тов сгорания, что обеспечивает повышение параметров и расхода па-

ра. Для этого применяются парогенераторы с развитой радиацион-

ной поверхностью нагрева. В таких установках пар используют для

получения дополнительной полезной мощности в паровой турбине

(до 80 – 85 % общей полезной мощности газовой и паровой турбин).

4.2. Применение газотурбинных установок

Последние годы характеризуются все более широким примене-

нием газотурбинных установок в различных областях: на транспорте,

в энергетике, для привода стационарных установок и др.

Энергетические газотурбинные установки применяются в качест-

ве агрегатов для покрытия пиковых нагрузок и аварийного резерва

для собственных нужд крупных энергосистем. Для таких установок

характерны частые пуски (до 1000 в год) при относительно малом

числе часов использования (от 100 до 1500 ч/год). Диапазон единич-

ных мощностей таких установок составляет от 1,0 до 100 МВт.

Газотурбинные установки применяются также для привода элек-

трогенератора и получения электроэнергии в передвижных установ-

ках (например, на морских судах). Такие установки обычно работа-

ют в диапазоне нагрузок 30 – 110 % номинальной, с частыми пусками

и остановками. Единичные мощности таких установок составляют

от десятков киловатт до 10 МВт. Быстрое развитие атомных энерге-

тических установок с реакторами, охлаждаемыми, например, гелием,

открывает перспективу применения в них одноконтурных газотурбин-

ных установок, работающих по замкнутому циклу (рабочее тело не

покидает установку).

Специфическую группу энергетических газотурбинных устано-

вок составляют установки, работающие в технологических схемах

химических, нефтеперерабатывающих, металлургических и других

комбинатов (энерготехнологические). Они работают в базовом режи-

ме нагрузки и предназначены чаще всего для привода компрессора,

обеспечивающего технологический процесс сжатым воздухом или га-

зом за счет энергии расширения газов, образующихся в результате са-

мого технологического процесса.

Приводные газотурбинные установки широко используются для

привода центробежных нагнетателей природного газа на компрес-

сорных станциях магистральных трубопроводов, а также насосов для

транспортировки нефти и нефтепродуктов и воздуходувок в парогазо-

вых установках. Полезная мощность таких установок составляет от

2 до 30 МВт.

Транспортные газотурбинные установки широко применяются

в качестве главных и форсажных двигателей самолетов (турбореактив-

ных и турбовинтовых) и судов морского флота. Это связано с возмож-

ностью получения рекордных показателей по удельной мощности и га-

баритным размерам по сравнению с другими типами двигателей, не-

смотря на несколько завышенные расходы топлива. Газовые турбины

весьма перспективны как двигатели локомотивов, где их незначитель-

ные габариты и отсутствие потребности в питательной воде явля-

ются особенно ценными. Транспортные газотурбинные установ-

ки работают в широком диапазоне нагрузок и пригодны для кратко-

временных форсировок.

5. ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Холодильные установки – это машины, понижающие температуру

своих рабочих тел до отрицательных значений по шкале Цельсия. Рабо-

чими телами (холодильными агентами) бывает воздух, аммиак и фрео-

ны. Фреоны представляют собой искусственно синтезируемые хлор-

фторсодержащие углеводороды.

Назначение

холодильных установок – достижение или поддер-

жание низких температур (по сравнению с температурой окружающей

среды – атмосферы рабочих тел в циклах.

Классификация холодильных установок осуществляется по

уровню достигаемой температуры. Различают установки умеренного

холода и глубокого холода.

При использовании установок умеренного холода ставится лишь

одна технологическая задача – создание и поддержание низкой темпе-

ратуры в холодильной камере. В ней химики-технологи реализуют не-

обходимые им процессы химических и фазовых превращений (напри-

мер, экзотермические реакции). В

быту в холодильной камере разме-

щают продукты питания, чтобы избежать их порчи.

Установки глубокого холода предназначены для производства

жидкой фазы из газообразной. Установки сжижения воздуха позволяют

получить жидкую фазу, которая далее идет на разделение с целью полу-

чения чистого кислорода и азота и комплекта инертных газов. Первый

предназначен для металлургических

процессов, второй – для производ-

ства азотной кислоты. Природный газ также сжижают с целью отделе-

ния гелия и для дальнейшей транспортировки в жидком состоянии.

Существует свыше 200 технологических приемов достижения

низких температур, среди которых самыми распространенными в про-

мышленности не тепловыми методами являются использование дроссе-

лирования газа и его адиабатное расширение.

Общая теория

циклов показала, что наиболее эффективным явля-

ется цикл Карно. Осуществить его без больших технологических труд-

ностей возможно в двухфазных областях существования вещества, т. е.

при температуре и давлениях ниже критических.

Однако даже для цикла Карно существуют свои экономичные

уровни температур, т. к. холодильный коэффициент связан с температу-

рами охлаждения и

температурой окружающей среды:

= T/(T – T

где Т – температура источника теплоты в цикле Карно и Т

– температу-

ра окружающей среды (303К или 298К, в зависимости от цели расчета).

По своему смыслу холодильный коэффициент

есть отношение коли-

чества кДж «холода» к величине кДж работы, затрачиваемой на реали-

зацию цикла, т.е. по существу,

представляет собой количество «хо-

лода», которое можно получить из 1 кДж работы. Коэффициент Карно

= η

= (T – T

)/T = 1/ε

Коэффициент τ

является простой функцией только температуры

источника Т (температуру окружающей среды Т

человеку сложно из-

менить). Если Т > Т

, то τ

> 0. Последнее означает, что теплота переда-

ется рабочему телу с получением работы. Если температура источника

ниже температуры окружающей среды (Т < Т

), то τ

< 0. В этом случае