Начальные и конечные параметры на термический кпд цикла ренкина

Исследование термического к.п.д. цикла Ренкина при различных начальных и конечных состояниях пара позволяет сделать вывод, что с увеличением начального давления и начальной температуры пара и понижением конечного давления в конденсаторе к.п.д. паротурбинной установки растет. Выясним влияние этих параметров на к.п.д. цикла Ренкина.

Влияние начального давления пара. При увеличении начального давления пара и одном и том же конечном давлении в конденсаторе термический к.п.д. паротурбинной установки значительно увеличивается, а удельный расход пара уменьшается.

Увеличение начального давления с р1досвязано с повышением температуры насыщенного пара, т.е. с повышением средней температуры подвода теплоты, что ясно видно из Ts – диаграммы (рис. 12.7 а). Возрастание средней температуры подвода и отвода теплоты в конденсаторе при p = const

приводит к увеличению к.п.д. цикла. Следовательно, не начальное давление является причиной увеличения к.п.д. паросиловой установки, а увеличение средней температуры подвода теплоты. Из is – диаграммы (рис.12. 7 б) также можно установить, что с увеличением начального давления пара увеличивается адиабатное теплопадение h1, но повышается конечная влажность пара и капли воды разрушают лопатки последних ступеней турбины. Конечная влажность пара свыше 13 – 14 % не допускается.

Значительное увеличение к.п.д. с ростом начального давления пара играет существенную роль в повышении экономичности работы паротурбинных установок. В настоящее время осваиваются давления до 30,0 МПа.

Влияние начальной температуры пара. При повышении начальной температуры пара происходит увеличение к.п.д. паротурбинного цикла, т.к. увеличивается среднеинтегральная температуры подвода теплоты и при этом растет адиабатное теплопадение h (рис. 12.8). Увеличение к.п.д. цикла будет более значительным, если с увеличением температуры возрастет и начальное давление пара. Например, при начальном давлении в 2,0 МПа и повышении температуры с 4000С до 5500С к.п.д. цикла увеличивается с 0,332 до 0,355. Если же одновременно увеличивается и давление, например до 20,2 МПа при тех же условиях, то к.п.д. цикла возрастает с 0,405 до 0,434.

Одновременно с увеличением начальной температуры уменьшается удельный расход пара. В настоящее время используют пар с температурой до 5650С и осваивается пар с температурой до 6000С и выше. Повышение температуры перегрева пара ограничивается способностью металла, из которого сделаны трубы, выдерживать большие давления при высоких температурах, т.е. конечные параметры пара определяются наличием относительно дешевых жаропрочных металлов.

Влияние конечного давления в конденсаторе. Понижение давления в конденсаторе является особенно эффективным средством для повышениятермического к.п.д. паротурбинной установки. Из is – диаграммы (рис.12.9) видно, что понижение давления в конденсаторе значительно уменьшает среднеинтегральную температуру отвода теплоты и увеличивает адиабатное теплопадение h, а следовательно, и к.п.д. цикла. Например, при начальном давлении в 10 МПа, t1= 6000C и конечном давлении 0,1 МПа к.п.д. цикла равен 0,308. При понижении давления в конденсаторе до 0,03 МПа к.п.д. цикла увеличивается до 0,356. при уменьшении давления до 0,005 МПа, что соответствует температуре насыщения 330С, к.п.д. цикла возрастает до 0,47. Однако, выбор конечного давления в конденсаторе определяется температурой охлаждающей воды, т.к. для интенсивного теплообмена разность температур между паром и охлаждающей водой должна быть 10 – 150С.

Рис. 4.6

На этих диаграммах цикл Ренкина с промежуточным перегревом представлен фигурой 1 – 7 – 8 – 9 – 3 – 5 – 4 – 1.А соответствующий цикл без перегрева (основной цикл Ренкина) изображен фигурой1 – 2 – 3 – 5 – 4 – 6 – 1.Сухость пара на выходе из турбины в основном цикле равнах2,а в цикле с промежуточным перегревом- х9. Из диаграмм очевидно, чтох9 > х2,т.е.Δх= х9 – х2>0,следовательно, сухость пара за счет промежуточного перегрева повышается.

Применение промежуточного перегрева пара еще способствует повышению термического КПД цикла Ренкина .

Выражение для напишем в виде

,

Рис. 4.7

где lп- полезная работа пара при прохождении через турбину;

q1- количество теплоты, подводимое к рабочему телу, каждая из этих величин состоит из составляющих

,

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Источник

С увеличением начального давления и начальной температуры пара и понижением конечного давления в конденсаторе КПД ПСУ – растет.

Влияние начального давления пара

При увеличении начального давления пара и одном и том же конечном давлении в конденсаторе КПД ПСУ – значительно увеличится, а расход пара – уменьшится.

Рис. 4.6 Влияние начального давления на КПД ПСУ

Увеличение начального давления с до связано с повышением температуры насыщенного пара, т.е. с повышением средней температуры подвода теплоты, что при одной и той же температуре отвода теплоты в конденсаторе приводит к повышению КПД ПСУ.

С ростом начального давленияпонижаетсяконечная влажность пара (повышается степень сухости как видно по is-диаграмме), что также положительно, – капли воды разрушают лопатки последних ступеней турбины. Конечная влажность пара свыше 13-14% не допускается.

В настоящее время применяют .

Влияние начальной температуры пара

Рис. 4.7 Влияние начальной температуры пара на КПД ПСУ

При повышении начальной температуры пара происходит увеличение КПД ПСУ, т.к. увеличивается среднеинтегральная температура подвода теплоты в цикле. Кроме того, при этом растет адиабатное теплопадение (h).

Увеличение КПД цикла будет более значительным если одновременно с температурой будет возрастать и начальное давление пара.

При повышении начальной тепературы пара расход пара – уменьшится.

В настоящее время используют пар с температурой до 565 оС (и до 600 оС и выше). Температура перегрева пара ограничена жаропочностью металла.

Влияние конечного давления в конденсаторе

Понижение давления в конденсаторе является особенно эффективным средством для повышения термического КПД цикла паротурбинной установки.

Рис. 4.8 Влияние конечного давления на КПД ПСУ

Из is-диаграммы видно, что понижение давления в конденсаторе значительно уменьшает среднеинтегральную температуру отвода теплоты и увеличивает адиабатное теплопадение h, а, следовательно, и КПД цикла.

Выбор конечного давления в конденсаторе определяется температурой охлаждающей воды, т.к. для интенсивного теплообмена разность температур между паром и водой должна быть 10-15 оС.

Регенеративный цикл ПСУ

Термический КПД цикла можно значительно повысить введением регенерации теплоты.

Условный предельно-регенеративный цикл ПСУ на рис. 4.9

Подогрев питательной воды (процесс 4-5) производится за счет отведенной теплоты в процессе 2-3.

При этом количество теплоты, отведенное в процессе 2-3 и измеряемое пл. 27832, равно количеству теплоты, подводимому в процессе 4-5 – пл. 04590.

В регенеративном цикле средняя температура подвода теплоты от внешнего источника к рабочему телу получается выше, чем у обычного цикла Ренкина, поэтому регенеративный цикл имеет больший КПД, чем цикл Ренкина, но меньший, чем цикл Карно в таком же интервале температур.

Рис. 4.9 Условный предельно-регенеративный цикл ПСУ

Рис. 4.10 Цикл Ренкина (идеальный)

Рис. 4.11 Цикл эквивалентный по термическому КПД предельно-регенеративному циклу ПСУ

Из анализа цикла на на рис. 4.9 следует, что использованная теплота на участке 2-3 для подогрева воды в процессе 4-5 уменьшает удельную полезную работу пара по сравнению с обычным циклом (см. рис. 4.10), т.е. регенеративный цикл характеризуется большим удельным расходом пара.

Ввиду равенства площадей под кривыми процессов 2-3 и 4-5 цикл на рис.4.9 можно заменить эквивалентным по термическому КПД циклом – рис.4.11.

Термический КПД эквивалентного цикла:

(4.9)

Где – абсолютная температура пара в конденсаторе;

– энтропия перегретого пара;

– энтропия кипящей жидкости;

– энтальпия перегретого пара;

– энтальпия кипящей жидкости при начальном давлении .

На практике регенеративный подогрев питательной воды осуществляется в нескольких последовательно включенных подогревателях, в каждый из которых поступает небольшое количество пара, отбираемого из соответствующей ступени турбины (такой реальный цикл невозможно изобразить на Ts-диаграмме).

В зависимости от способа включения греющего пара и конденсата в общую сеть питательной воды возможны различные схемы регенерации, отличающиеся по эксплуатационным и экономическим характеристикам.

Рис.4.12 Каскадная схема паротурбинной установки с тремя отборами пара для подогрева питательной воды.

1 – паровой котел;

2 – пароперегреватель;

3 – паровая турбина;

4 – конденсатор;

5 – насос питательной воды;

6 – поверхностный подогреватель;

7 – дренажный насос;

8 – конденсат греющего пара;

9 – питательная вода;

10 – греющий пар из отбора турбины.

Поступающий из котла пар в турбину 3 имеет давление , температуру и энтальпию ; в конденсаторе 4 давление , температура и энтальпия .

Через турбину проходит не весь пар. Из каждого килограмма пара, поступающего в турбину, отбирается:

kг – в первый подогреватель 6 с энтальпией , давлением и температурой ;

kг – во второй подогреватель с энтальпией , давлением и температурой ;

kг – в третий подогреватель с энтальпией , давлением и температурой ;

Отводится в кондесатор кг пара.

Тогда:

Образовавшийся конденсат после турбины при давлении и температуре подается конденсатным насосом 5 последовательно через три подогревателя 6 и, нагреваясь до температуры более высокой чем в конденсаторе, нагнетается питательным насосом 5 в котел.

Температура питательной воды с энтальпией .

Полезная работа 1 кг пара в идеальной турбине с регенерацией меньше, чем , работа пара в цикле определяется как сумма работ от потоков пара, проходящих через турбину:

Термический КПД регенеративного цикла:

Где – теплота, определяемая как разность ;

– энтальпия питательной воды при температуре , равной температуре насыщения при давлении пара в первом отборе .

До первого отбора через турбину проходит 1 кг пара, поэтому:

Между первым и вторым отборами расширяется кг пара, работа которого равна:

Между вторым и третьим отборами расширяется пара и его работа равна:

Между третьим отбором и конденсатором работа пара будет равна:

Работа турбины определяется как сумма работ всех ступеней:

(4.10)

Или:

Термический КПД цикла:

(4.11)

Теоретический массовый удельный расход пара в кг на 1 МДж:

(4.12)

Энтальпию пара в местах отбора определяют по is-диаграмме.

По данным начального состояния пара перед турбиной ( и ) и конечного ( ) в конденсаторе проводим адиабату расширения.

Проектируя на ось ординат состояние промежуточных точек в местах отборов (по значениям , , ), определяем значения энтальпий.

Расходы пара в местах отборов определяются из уравнений тепловых балансов подогревателей, для которых принимается что температура питательной воды и кондесата в каждом подогревателе равна температуре насыщения проходящего через него пара.

Для первого подогревателя:

В него входит из второго подогревателя питательная вода в количестве кг с энтальпией , а также входит пар из первого отбора в количестве кг, с энтальпией . Из первого подогревателя выходит питательная вода с энтальпией .

Тогда уравнение теплового баланса:

Откуда

(4.13)

Также определяют расход пара во всех отборах.

Введение регенерации для подогрева питательной воды увеличивает цикла ПТУ на 10 – 14%, увеличивается и эксергетический КПД установки в целом, т.к. за счет регенерации повышается температура питательной воды, поступающей в котел.

Чем выше начальные параметры пара – тем выше экономия.

Применение регенерации уменьшает проходные сечения между лопатками в последней ступени турбины, т.е. уменьшает ее габариты.

Основы теплофикации

Установлено, что термический КПД цикла Ренкина не превышает 50%, а если учесть потери теплоты в котельной установке при сжигании топлива, в паропроводах; на трение в турбогенераторах и т.д.

Поэтому действительный КПД конденсационной ПТУ не превышает 30 – 35%.

Наибольшая потеря теплоты имеет место в конденсаторе. Применяющаяся при конденсации пара вода имеет не достатодно высокую температуру на выходе из кондесатора и поэтому ее тепловой потенциал практически нельзя использовать.

Если повысить конечное давление до 1 – 2 бар, то отработавший пар можно использовать для коммунально-бытовых нужд, а если повысить до 1,5 – 5 бар – то для производственных нужд фабрик и заводов.

Тогда теплота сжигаемого топлива используется сначала для выработки электроэнергии, а затем в нагревательных приборах различного назначения.

Такое комбинированное получение электроэнергии и теплоты наз. теплофикацией, а сами электростанции наз. теплоэлектроцентралями, или ТЭЦ.

Общий коэффициент использования теплоты топлива на ТЭЦ достигает 80%.

Источник

Недостатки паросиловой установки, в которой осуществляется цикл Карно на влажном паре, можно частично устранить. Для этого пар после турбины необходимо полностью конденсировать. И в этом случае от давления р2 до давления р1 придется сжимать не влажный пар (для чего необходим громоздкий и энергоемкий компрессор), а воду, удельный объем которой значительно меньше. Для подачи воды из конденсатора в котел с одновременным повышением давления применяются насосы – простые, компактные устройства, потребляющие небольшое количество энергии.

Кроме того, в предложенном Ренкиным цикле (рис 9.3) применяют перегрев пара в специальном пароперегревателе, где пар нагревается до температуры, значительно превышающей температуру насыщенного пара при данном давлении.

На рис. 9.3 представлен цикл Ренкина с перегревом паром в T-S диаграмме. В этом случае средняя температура подвода тепла увеличивается по сравнению с температурой подвода тепла в цикле без перегрева. Кроме того, процесс расширения пара в турбине заканчивается в области более высокой степени сухости, поэтому условия работы проточной части турбины оказываются более легкими.

Рис. 9.3. Цикл Ренкина в Ts-диаграмме

Пар после турбины поступает в конденсатор и полностью в нём конденсируется (процесс 2-3) при давлении р 2. Затем вода сжимается насосом по адиабате 3-5 до давления р 1. Малая длина отрезка 3-5 свидетельствует о малой работе сжатия. Под давлением р 1 вода подается в котёл, где к ней в изобарном процессе р 1= const подводится тепло. Сначала вода в котле нагревается до кипения (участок 5-4 изобары р 1= const), затем после достижения температуры насыщения происходит изотермический и изобарный процесс кипения (процесс 4-6). Далее в пароперегревателе пар перегревается (процесс 6-1) и в точке 1 поступает на лопатки турбины. Адиабатное расширение пара в турбине (процесс 1-2) – процесс получения работы в цикле.

Количество тепла подводимого к рабочему телу в цикле q1 изображается в T-S диаграмме площадью a-3-5-4-6-1-b-a. Тело, отводимое в цикле q2, эквивалентно площади a-3-2-b-a. Работа, полученная в цикле эквивалентна площади 3-5-4-6-1-2-3.

В цикле Ренкина процессы подвода и отвода тепла осуществляются по изобарам, и поэтому количество подведенного/отведенного тепла равно разности энтальпии рабочего тела в начале и в конце процесса. Тогда:

q1 = h1 – h5 (9.1)

q2 = h2 – h3 (9.2)

Здесь h1 – энтальпия перегретого пара на выходе из пароперегревателя при давлении p1 и температуре T1.

h5 – энтальпия подаваемой насосом воды на входе в котел при давлении p 1 и температуре T5 .

h2 – энтальпия пара на выходе из турбины на входе в конденсатор при давлении p 2 и температуре T2 .

h3 – энтальпия сконденсированной воды на входе в насос при давлении p 2 и температуре T2, являющейся температурой насыщения определяемой давлением p2.

Термический КПД цикла Ренкина:

Это выражение можно представить в виде:

Где разность энтальпий (h1 – h2) представляет собой работу полученную в турбине, а разность (h5 – h3) – это техническая работа насоса. Если пренебречь величиной работы насоса, то уравнение (9.4) можно записать в виде:

Уравнение (9.5) позволяет с помощью h-S диаграммы или таблиц термодинамических свойств и водяного пара определять КПД обратимого цикла Ренкина по известным начальным параметрам p 1 и T1 пара на входе в турбину и давлении пара в конденсаторе p 2 .

При одном и том же значении начальных параметров (p1 и T1) пара, при понижении температуры (и соответственно давления) конденсации расширяется температурный диапазон цикла и увеличивает термодинамический КПД цикла. Термодинамический КПД цикла Ренкина зависит также и от начальных параметров пара (p1 и T1) . Рост температуры перегрева пара T1 (при давлении p1) как и повышение давления p1 приводит к росту термического КПД.

Существуют теплосиловые установки с параметрами p1 = 300·105 Па и T1 = 600…650 К. Дальнейшее повышение начальных параметров пара ограничивается свойствами конструкционных материалов.

Источник