Влияние параметров пара на абсолютный КПД ПТУ Понятие эквивалентной температуры при замене цикла Ренкина циклом Карно. Промежуточный перегрев пара.

Исторический обзор развития паровых турбин. Турбины Герона, Лаваля, Парсонса, и их конструктивные особенности.

80% тепла получают с помощью паровых турбин.

Паровой двигатель - основной вид двигателя на соврем. ТЭС.

Паровые турбины обладают большой быстроходностью, сравнительно малыми размерами и массой.

У пар. турбины хорошие техн.-эконом. характеристики: надежность, небольшая уд. стоимость.

Для получения электр использовали:

Паровая турбина Герона

Изобретение греческого механика и учёного Герона Александрийского (II век до нашей эры). Ёе работа основана на принципе реактивного движения: пар из котла поступал по трубке в шар, укреплённый на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато-изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться.

Первый прототип аксиальной одноступенчатой активной турбины с расширяющимися соплами был предложен в 1883 г. шведским инжене­ром Густавом Лавалем. В этой турбине расширение пара происходило только в сопловой решетке одной ступени от начального до конечного давления, что обусловливало очень высокие скорости истечения пара из сопловых каналов. Турбины Лаваля имели чрезмер­но большую окружную скорость, а следовательно, и большую частоту вращения. Так, самые малые из турбин Лаваля (диаметр диска 100 мм, мощность около 2,5 кВт) имели частоту вращения 500 с^-1 . Мощность наибольшей из построенных Лавалем турбин не превышала 500 кВт. К тому же эти тур­бины имели очень низкий КПД.

Турбины, построенные по такому принципу, в которых весь процесс расширения пара происходит в неподвижных соплах, называются активными турбинами.

В 1884 г. английский инженер Чарльз Парсонс предложил многоступенчатую реактивную турби­ну, расширение пара в которой происходило не в одной, а в ряде следующих друг за другом ступе­ней, причем не только в сопловых (неподвижных), но и в рабочих (вращающихся) решетках, благодаря чему стала возможна работа машины со значительно меньшими, чем в турбине Лаваля, ско­ростями пара на выходе из сопловых решеток и со­ответственно с меньшими окружными скоростями рабочих лопаток.

Ступени турбины, в которых расширение пара и связ. с ним скорости потока, происходит как в сопловых, так и рабочих лопатках, получили название реактивных ступеней.

В конце XIX в. в связи с развитием электрических машин и широким внедрением электроэнергии раз­витие паротурбостроения пошло быстрыми темпами. Первые паровые турбины в России начали выпускать в 1907 г. на Металлическом заводе в Петербурге.

 

2. Принципиальная схема теплоэнергетической установки и ее цикл в T-S координатах (Ренкина). Абсолютный КПД идеальной установки  с учетом и без учета роботы насоса.

 

 

 

Рис. 1.6 Идеальный цикл теплосиловой установки (цикл Ренкина) в T-S диаграмме.

Простейшая теплосиловая установка (рис. 1.4) состоит из питательного насоса, котла 2, паропе­регревателя 3, паровой турбины 4, конденсатора 5 и электрического генератора 6. Рабочим телом се яв­ляется водяной пар.

Идеальный цикл Ренкина для теплосиловой уста­новки, работающей на перегретом паре, изобра­жен в Т, s-диаграмме на рис. 1.6. На этой диаграм­ме показаны: а'а— процесс адиабатного сжатия воды в питательном насосе; a b — процесс нагрева воды в котле до температуры кипения; b с— ис­парение воды в котле; cd— перегрев пара в пере­гревателе; de— изоэнтропийное расширение пара в турбине; еа' — конденсация отработавшего па­ра в конденсаторе.

Процессы нагрева, испарения и перегрева воды в котле происходят при постоянном давлении. Сле­довательно, все количество теплоты q ₁, переданное 1 кг воды и пара, целиком идет на повышение эн­тальпии рабочего тела от энтальпии питательной воды h _п.вдо энтальпии свежего пара h ₀и равно их разности: q ₁ = h ₀ – h _{п.в .} Это количество теплоты в Т, s-диаграмме изобража­ется площадью фигуры 1 abc d21.

Из турбины пар поступает в конденсатор, где при постоянном давлении конденсируется и отдает теп­лоту q ₂ охлаждающей воде. Эту теплоту можно оп­ределить: q ₂ = h _{к t} – h'_к

Полезная теоретическая работа:

L=q₁-q₂ = (h₀-h_п.в)-(h_kt-h_k’) = (h₀-h_kt)-(h_п.в-h_k’) =L_Тt-L_H.

L_Тt-теоретическая работа турб. (без учета потерь), работа которую может совершить 1кг пара идеал. турб.

L_H- работа насоса

Полезная теоретическая работа, совершаемая 1 кг пара, эквивалентна площади abcdea/

Отношение этой работы к подведенной теплоте называется абсолютным, или термическим, КПД идеальной установки:

Вычитая и прибавляя в знаменателе этого выра­жения величину h '_к ,получаем

Если экономичность турбинной установки рас­сматривать без учета работы питательного насоса, то абсолютный КПД идеального цикла

где величину H₀ = h₀– h _{к t}принято называть рас­полагаемым теплоперепадомтурбины.

3.Процесс расширения пара в турбине в h - s диаграмма. Понятия располагаемого теплоперепада Н₀ и формулы для его расчета при расширении в область влажного пара и при расширении в область перегретого пара. Поняли использованного теплоперепада и относительного внутреннего КПД  турбины.

H₀ = h₀– h _{к t}принято называть рас­полагаемым теплоперепадомтурбины. Значения располагаемого теплоперепадаH₀ удобно определять при помощи h, s - диаграммы. Для этого на ней находят начальную эн­тальпию h₀, соответствующую точке пересечения dзаданных начальных параметров пара перед турби­ной p ₀иt ₀.

 

Из этой точки проводят вертикальную линию изоэнтропийного расширения пара в турбине до заданного конечного давления р _K .

Длина полу­ченного отрезка Н₀ = h ₀ – h _{к t}определяет теорети­ческую работу, совершаемую 1 кг пара в турбине, и является располагаемым теплоперепадом турбины. Значение H ₀ можно определить также расчет­ным путем. При этом, если расширение заканчива­ется в области перегретого пара, используется урав­нение идеального газа:

где = 1,3 — показатель изоэнтропы для перегрето­го пара; р₀, р_к- начальное и конечное давления пара; ₀ - начальный удельный объем пара.

Расширение пара в турбине в Н-S координатах.

В действительности процесс расширения пара в турбине имеет значительную степень необратимо­сти, так как течение его в проточной части сопрово­ждается заметными потерями работы. Поэтому ли­ния процесса расширения отклоняется от изоэнтро­пы на диаграммах Т, sв сторону увеличения энтропии.

 

В результате увеличения энтропии отработавше­го пара при неизменном давлении энтальпия его по­вышается, разность начальной и конечной энталь­пий, представляющая собой действительную рабо­ту, производимую 1 кг пара в турбине, соответст­венно уменьшается и становится равной: L _т = h₀ – h _к = H _i .

Действительную работу, которую совершает 1 кг пара внутри турбины, принято называть ис­пользованным теплоперепадом H_iтурбины.

 

Рис.1.8 Действительный тепловой цикл в T-S диаграмме

 

Отношение использованного теплоперепадаH _i к располагаемому H₀ называется относительным внутренним КПД   турбины:

 

 

Влияние параметров пара на абсолютный КПД ПТУ Понятие эквивалентной температуры при замене цикла Ренкина циклом Карно. Промежуточный перегрев пара.

Характер зависимости термического КПД от па­раметров пара в различных точках цикла проще всего установить из рассмотрения цикла в Т, s -диаграмме. При этом целесо­образно заменить цикл Ренкина эквивалентным циклом Карно.

 

 

 

 

В цикле Ренкина подвод теплоты при нагреве питательной воды до температуры насыщения (ли­ния ab), при ее испарении (линия be ) и перегреве пара (линия cd ) осуществляется при раз­ных температурах. Отвод же теплоты в конденсато­ре в зоне влажного пара в этом цикле происходит при постоянной температуре T _к(линия еа'). Следовательно, чтобы заменить цикл Ренкина эквивалентным циклом Карно, достаточно переменную температуру Т на участке подвода теп­лоты заменить эквивалентной постоянной темпера­турой Т_э, при которой площадь фигуры, ограниченной контуром эквивалентного цикла, будет равна площади фигуры, ограниченной конту­ром цикла Ренкина, т.е. КПД цикла Ренкина бу­дет равен КПД эквивалентного цикла Карно :

откуда: ,

Влияние давления свежего пара.

Если при не­изменных температурах отработавшего Т_ки све­жего T ₀пара повысить начальное давление пара р₀, то вследствие повышения температуры насы­щения возрастет эквивалентная температура под­вода теплоты от Т_эдо Т_э1. Согласно чему это приведет к увеличению абсолютно­го КПД цикла.

Однако по мере увеличения начального давле­ния эквивалентная температура цикла Т_эвначале возрастает, затем вследствие увеличения доли под­водимой теплоты, затрачиваемой на нагрев воды до температуры насыщения, рост замедляется, и дальнейшее повышение давления приводит уже к снижению Т_э и экономичности цикла.

 

 

 

 Располагаемый теплоперепад турбины H ₀, с ростом p ₀ увеличива­ется до тех пор, пока в h-s диаграммекасательная abк изотерме t ₀ = const не станет параллельной участку изобары р_к = const. При даль­нейшем повышении р₀теплоперепад начинает уменьшаться. 

Эн­тальпия свежего пара h ₀ при t ₀ = const с ростом дав­ления р₀понижается. Этим объясняется тот факт, что максимум КПД достигается при более высоком давлении пара р₀, чем максимум теплоперепадаН₀.

Повышение начального давления пара р₀при за­данной температуре t_Qи неизменном конечном дав­лении р_к, вызывает увеличение его конечной влажности, которая, приводит к снижению относительного внутреннего КПД турбины - и эрозии рабочих ло­паток.

Влияние температуры пара.По­вышение начальной температуры от Т₀до Т₀₁ приводит к возрастанию средней темпе­ратуры подвода теплоты от Т_э до Т_э1 при неизмен­ной температуре отвода ее Т_ки к соответствующе­му увеличению КПД цикла. Если рассматривать повышение темпера­туры как присоединение дополнительного цикла 2 dd ₁ 2₁2 к исходному циклу 1 abcd 21, в исходном цикле средняя температура подвода те­плоты Т_эниже, чем в присоединенном, а темпера­тура отвода теплоты в обоих циклах одинакова, термический КПД присоединенного цикла выше, чем первоначального. Следовательно, эквивалентная температура Т_Э1 и термический КПД нового цикла будут выше.

Если процесс расширения заканчивается в зоне влажного пара, то по мере повышения начальной температуры пара уменьшается степень влажности его в последних ступенях турбины. Благодаря этому одновременно с повышением термического КПД возрастает также и относительный внутрен­ний КПД турбины при дальнейшем повышении начальной темпе­ратуры процесс расширения может закончиться вы­ше пограничной кривой, т.е. в области перегретого пара. В этом случае несколько увеличится средняя температура отвода теплоты. Таким образом, повышение начальной темпера­туры пара всегда приводит к увеличению абсолют­ного КПД цикла, причем повышение начальной температуры перегретого пара всегда сопровождается возрастанием располагаемого теплоперепада.

 Дальнейшее повышение температуры перегрева в основном сдерживается возможностями металлур­гии и связано с заметным удорожанием элек­тростанции.

Влияние конечного давления. Уменьшение давления отработавшего пара р_кпри неизменных начальных параметрах р₀и Т₀вызывает пониже­ние температуры конденсации пара, а значит, и тем­пературы отвода теплоты Т_к. Поэтому уменьшение конечного давления всегда приводит к увеличению средней температурной разности подвода и отвода теплоты, располагаемого теплоперепада и термического КПД цикла.

Площадь фигуры abedea , от­носящейся к первому циклу, больше площади, за­ключенной в контуре a ₁ bcde ₁ a ₁относящейся ко второму циклу, отличающемуся более высоким ко­нечным давлением пара, на площадь заштрихован­ной фигуры аа₁е₁еа. Следовательно, располагаемый теплоперепад в первом цикле больше, чем во втором, на величину

ПП. В теплоэнергетической установке с промежу­точным перегревом пар после расшире­ния в ЦВД турбины направляется в котел для вто­ричного перегрева, где температура его повышает­ся от t ₁ до t_ПП. После промежуточного перегрева пар попадается в ЦНД, где расширяется до давле­ния в конденсаторе р_к. Цикл с промежуточным перегревом пара и сверх­критическим начальным давлением можно рассматривать как сочетание двух циклов, первый из которых 1 a ¹ abde 21 является ос­новным, а второй 2 ee ₁ fg 32 — дополнительным.

Рис. 1.18. Схема теплоэнергетической установки с промежу­точным перегревом пара:1— питательный насос, 2 — котел; 3 — пароперегреватель; 4 — часть высокого давления турбины; 5 — промежуточный перегре­ватель; б —часть низкого давления турбины; 7 — конденсатор

Если эквивалентная температура дополнительного цикла (T _Э)_ПП выше эквивалентной температуры основного цикла T_Э, то экономичность дополнительного цикла будет выше экономичности основного цикла и КПД общего цикла возрастет. При этом благодаря уменьшению влажности пара в последних ступенях турбины возрастут относительные внутренние КПД этих ступеней, следовательно, увеличится и КПД всей турбины. Идеальный тепловой цикл с промежуточным пере­гревом пара в T, s -диаграмме.

Процесс расширения пара в h, s-диаграмме для турбины с промежуточным перегревом пара.

 

 

 

 

 

 

Принципиальные схемы турбин для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Сравнение идеальных циклов конденсационной турбины и турбины с противодавлением. Основные типы паровых турбин по ГОСТ 3618-82, их обозначение.

В конденсационном паровой турбине, отработав­ший пар поступает в конденсатор, где он конденси­руется и отдает скрытую теплоту парообразования охлаждающей воде. Эта теплота, составляющая 55-65% подведенной в котле теплоты, теряется, так как температура охлаждающей воды на выходе из конденсатора лишь незначительно (на 10-15 °С) превышает атмосферную. В то же время для бытовых и технологических нужд требуется сравнительно невысо­кая температура теплоносителя (100—150°С), ко­торым может служить пар, отработавший в турбине до давления, необходимого тепловому потребите­лю. В этом случае может быть полностью использо­вана теплота конденсации отработавшего пара, а конденсат возвращен в цикл турбинной установки. Таким образом, одновременная выработка элек­трической энергии и теплоты в одной и той же теп­лосиловой установке выгоднее раздельной. В этом легко убедиться, если сравнить идеальные тепловые циклы для конденсационной турби­ны и турбины с противодавлением.

В конденсацион­ной турбине теплота отработавшего пара, эквива­лентная площади фигуры 1ае21, полно­стью теряется, поскольку она отводится с охлаждающей водой. В турбине же с повышенным давлением отработавшего пара (с противодавлением), которая одновременно с выработкой электроэнергии обслу­живает и тепловых потребителей, почти вся теплота отработавшего пара, эквивалентная площади фиругы1₁ а₁ е₁ 21₁может быть использована для удов­летворения нужд тепловых потребителей.

Комбинированная выработка на ТЭС электроэнергии и теплоты для бытовых и технологических нужд за счет отбора и ис­пользования отработавшего пара на базе централизо­ванного теплоснабжения называется теплофикацией.

Для покрытия же всей потребности в электро­энергии необходимо кроме теплофикационных тур­бин иметь конденсационные турбины.

Выигрыш теплоты при комбинированной выра­ботке энергии по сравнению с раздель­ной определяется следующим обра­зом. Пусть требуется обеспечить электрическую мощность N _Эи снабдить потребителя теплотой Q _П . Будем считать, что процессы расширения пара в конденсационной турбине и турбине с противо­давлением изображаются общей кривой в h , s-диаграмме, а энтальпия питательной воды в обеих установках одинакова и равна h_к'. Использованный теплоперепад для турбины с противодавлением обозначим через а для конденсационной турбины — через H_i¹¹ = h₀ – h_к. Для упрощения будем вести расчеты по внут­ренней мощности N _i :

 

Расход пара на выработку электроэнергии кон­денсационной турбины

Следовательно, расход теплоты при раздельной выработке электрической энергии и теплоты

 

 

Расход пара через турбину с противодавлением для обеспечения теплотой Q _птеплового потребите­ля при комбинированной выработке энергии

а мощность этой турбины соответственно

Экономия теплоты, достигаемая при комбиниро­ванной выработке энергии по сравнению с раздель­ной, будет равна

 

 

Относительная величина этой экономии, выражен­ная в долях от количества теплоты, отдаваемой те­пловому потребителю, составит

 

Таким образом, чем больше выработка электро­энергии на тепловом потреблении и чем ниже аб­солютный КПД конденсационной установки

тем большая экономия теплоты будет получена от комбинированной выработки.

В зависимости от характера теплового процесса раз­личают следующие основные типы турбин:

1) конденсационные паровые турбины, в которых весь свежий пар, за исключением пара, отбираемого на регенерацию, протекая через проточную часть и расши­ряясь в ней до давления, меньшего, чем атмосферное, по­ступает в конденсатор, где теплота отработавшего пара отдается охлаждающей воде и полезно не используется;

2) турбины с противодавлением, отработавший пар которых направляется к тепловым потребителям, исполь­зующим теплоту для отопительных или производствен­ных целей;

3) конденсационные турбины с регулируемым отбо­ром пара, в которых часть пара отбирается из промежу­точной ступени и отводится к тепловому потребителю при автоматически поддерживаемом постоянном давле­нии, а остальное количество пара продолжает работать в последующих ступенях и направляется в конденсатор;

4) турбины с регулируемым отбором пара и противо­давлением, в которых часть пара отбирается при постоян­ном давлении из промежуточной ступени, а остальная часть проходит через последующие ступени и отводится к тепловому потребителю при более низком давлении.

По ГОСТ 3618-82 приняты следующие обозначения турбин. Первая буква характеризует тип турбины; К — конденсационная; Т — теплофикационная с отопитель­ным отбором пара; П — теплофикационная с производст­венным отбором пара для промышленного потребителя; ПТ — теплофикационная с производственным и отопи­тельным регулируемыми отборами пара; Р — с противо­давлением; ПР — теплофикационная с производствен­ным отбором и противодавлением; ТР — теплофикацион­ная с отопительным отбором и противодавлением; ТК — теплофикационная с отопительным отбором и большой конденсационной мощностью; КТ — теплофикационная с отопительными отборами нерегулируемого давления.

После буквы мощность турбины, МВт (если дробь, то в числителе номинальная, а в знаменателе максимальная мощность), а затем началь­ное давление пара перед стопорным клапаном турбины, МПа. Под чертой для турбин типов П, ПТ, Р и ПР указывается номинальное давление производственного отбора или противодавле­ние, МПа (кгс/см ).

 

---

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 566; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!