Циклы паросиловых установок

12. Циклы паросиловых установок 12.1. Цикл Карно для насыщенного пара Основным рабочим телом в паросиловых установках является водяной пар, используемый как в перегретом, так и в насыщенном состояниях. Если рабочим телом установки является насыщенный пар, то возможно осуществить цикл Карно и получить максимальный термический к.п.д. Принципиальная схема установки, осуществляющей цикл Карно в области насыщенного пара, представлена на рис. 12.1. На рис. 12.2 приведено изображение цикла в координатах p,  и T, s. Установка состоит из следующих основных элементов: паровой котел I, паровая турбина II с электрогенератором, конденсатор III, компрессор IV (рис.12.1). Цикл Карно состоит из следующих процессов: 4-1 - процесс парообразования, осуществляемый в котле при Т1 = const и p1 = const; 1-2 - адиабатное расширение сухого пара в турбине; 2-3 - неполная конденсация пара в конденсаторе при Т2 = const и p2 = const; 3-4 - адиабатное сжатие влажного пара в компрессоре. Таким образом, рассмотренный цикл, так же как и изучавшийся ранее цикл Карно для идеального газа, состоит из двух изотерм (4-1 и 2-3) и двух адиабат (1-2 и 3-4). Особенностью данного цикла является то, что конденсация не доводится до конца, т.е. до получения насыщенной жидкости низкого давления р2 (ей соответствовала бы точка 3). Достигаемая при неполной конденсации точка 3 выбирается таким образом, чтобы последующее адиабатное сжатие 3-4 в компрессоре III привело влажный пар (точка 3) к состоянию 4, т.е. к состоянию насыщенной жидкости при давлении р1. Теплота q1, подведенная к рабочему телу в процессе кипения 4-1, может быть представлена на диаграмме T, s площадью с41d. Теплота q2, отведенная от рабочего тела в процессе конденсации 2-3, может быть представлена площадью с32d. Для любого прямого цикла тепловой баланс записывается в виде q1 = lц + q2. Из этого следует, что площадь 1234 в диаграмме T, s, представляющая собой разность q1 и q2, выражает работу цикла: lц = q1 - q2. Термический к.п.д. цикла Карно для насыщенного пара может быть найден по формуле . В данном случае х4 = 0, х1 = 1, тогда , где х1, х2, х3, х4 - степень сухости в соответствующих точках цикла, r1 - теплота парообразования при р1, r2 - теплота парообразования при р2. Как известно, цикл Карно имеет наивысший термический к.п.д. в заданных температурных границах. Несмотря на это данный цикл не нашел применения в паросиловых установках. Объясняется это тем, что в процессе конденсации 2-3 образуется влажный пар с достаточно большим удельным объемом, вследствие чего объем цилиндра компрессора при адиабатном сжатии влажного пара от точки 3 до точки 4 должен быть весьма значительным. Это вызывает необходимость иметь громоздкий компрессор, расходующий на сжатие пара значительную работу. Причем эта работа будет увеличиваться при повышении начального давления р1 и уменьшении конечного давления р2, т.е. при переходе к более выгодным температурным условиям. Кроме того, необходимость осуществления цикла Карно только в области насыщенного пара не позволяет иметь высокую начальную температуру пара, ограниченную в пределе критической температурой. В силу изложенного за циклом Карно сохраняется лишь теоретическое значение. 12.2. Цикл Ренкина Работа на сжатие рабочего тела может быть значительно уменьшена, если осуществить полную конденсацию пара, отработанного в турбине. В этом случае будет происходить сжатие воды (конденсата), а не влажного пара, как в цикле Карно. Для перемещения конденсата из конденсатора в котел с одновременным повышением давления от р2 до р1 применяются не компрессоры (как в цикле Карно), а насосы, компактные и простые по устройству, потребляющие мало энергии для своего привода. Впервые такой цикл с полной конденсацией пара предложил У. Дж. Ренкин. Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина с перегретым паром, представлена на рис. 12.3. На схеме приняты следующие обозначения: ПК - паровой котел; ПП - пароперегреватель; ПТ - паровая турбина; ЭГ - электрогенератор; К - конденсатор; ПН - питательный насос. Влажный пар, получаемый в котле, направляется в пароперегреватель, где подсушивается и перегревается. Перегретый пар направляется в турбину, где, расширяясь адиабатно, совершает работу, которая в электрогенераторе преобразуется в электрическую энергию. Из турбины отработанный пар направляется в конденсатор (представляющий из себя теплообменник), где отдает тепло охлаждающей воде и полностью конденсируется. Полученный конденсат засасывается из конденсатора, сжимается питательным насосом и направляется вновь в котел для повторного парообразования. В конденсаторе вследствие резкого уменьшения удельного объема пара при его конденсации создается высокий вакуум (абсолютное давление в конденсаторах современных паровых турбин равно 0,04 - 0,06 бар), то есть пар может за счет этого дополнительно расширяться в турбине примерно на одну атмосферу и совершать дополнительную работу. Если пренебречь работой, затрачиваемой на привод питательного насоса (она составляет около 1 % от полезной работы турбины), и считать, что изобары подогрева жидкости в координатах T, s и h, s совпадают с нижней пограничной кривой, то цикл Ренкина можно представить в координатах p, ; T,s; h,s следующим образом (рис. 12.4): На диаграммах : 4-5 - изобарный процесс нагрева воды в котле до температуры насыщения при р1 = const; 5-6 - процесс парообразования в котле при р1 = const; 6-7 - подсушка влажного пара в пароперегревателе при р1 = const: до х = 1; 7-1 - перегрев пара в пароперегревателе при р1 = const; 1-2 - адиабатное расширение перегретого пара в турбине от р1 до р2; 2-3 - конденсация пара в конденсаторе при р2 = const; 3-4 - адиабатный процесс подачи конденсата в котел питательным насосом с повышением давления от р2 до р1. Необходимо отметить, что вследствие малой сжимаемости воды эта адиабата практически совпадает с изохорой на диаграмме p, , а на диаграммах T, s и h, s она вырождается в точку. Термический к.п.д. цикла Ренкина t = (q1 - q2)/q1. Так как процессы подвода тепла 4-5-6-7-1- и отвода тепла 2-3 в цикле Ренкина являются изобарными, то q1 = h1 - h3, где h1 - энтальпия перегретого пара; h3 - энтальпия конденсата (заметим, что h3  h4); q2 = h2 - h3, где h2 - энтальпия отработанного в турбине пара. Тогда . Величину полезной работы за цикл равную lц = q1 - q2 = h1 - h2 называют также адиабатным теплопадением. Термический к.п.д. удобно определить с помощью h, s - диаграммы (рис. 12.5). По параметрам перегретого пара p1 и t1 наносят на диаграмму точку 1, соответствующую состоянию пара перед турбиной. Из этой точки проводят вертикаль до пересечения с изобарой р2. Точка их пересечения будет точкой 2. Ординаты точек 1 и 2 определяют значения h1 и h2. По изобаре р2 находят температуру конденсации при этом давлении ts2. Тогда h3 = cк  ts2, где ск = 4,187 кДж/(кгк) - теплоемкость конденсата. Одной из характеристик, позволяющих судить об экономичности паросилового цикла, является удельный расход пара в килограммах на единицу работы. Если принять в качестве единицы работы 1 МДж (1000 кДж), то удельный расход пара , где h1 и h2 - энтальпия, кДж/кг; d - удельный расход пара, кг/МДж. На практике чаще применяется другая единица измерения удельного расхода пара, которая получается следующим образом: , где h1 и h2 - энтальпия, кДж/кг, d - удельный расход пара, кг/кВт ч. Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом теплосиловых установок, применяемых в современной теплоэнергетике. 12.3. Цикл с промежуточным перегревом пара Анализ цикла Ренкина показывает, что t цикла увеличивается при повышении начального давления р1 и при понижении конечного давления р2. Этим объясняется, что паросиловые установки неуклонно развиваются в направлении освоения пара высокого давления. Однако следует заметить, что применение пара высокого давления имеет одну отрицательную сторону. Дело в том, что пар высокого давления при адиабатном расширении в турбине быстро теряет свой перегрев, обращаясь в насыщенный пар с большой степенью влажности. Это свойство пара высокого давления легко обнаруживается при рассмотрении рис. 12.6. На этом рисунке начальное давление р1