Бинарный состав паросиловой установки
На рис.1.37 представлены для сравнения циклы Ренкина и Карно при одинаковых значениях Т1, Т2 и отводимой теплоты q2.
Рис.1.37 Циклы Ренкина и Карно в одинаковом температурном диапазоне и равных значениях отводимой теплоты:
цикл Ренкина;
_ _ _ _ _ цикл Карно.
Полезной работе цикла Карно Ацкарно соответствует площадь 1-2-3-4-1, а работе цикла Ренкина Ацренк – площадь 1-2-3-5-6-1. Как следует из сравнения этих площадей, при одинаковых Т1, Т2 и q2 работа цикла Ренкина значительно меньше работы цикла Карно. Чем больше значение температуры насыщения ТН1 у рабочего тела при заданном давлении Р1, тем ближе Ацренк к Ацкарно.
Термодинамическое совершенство цикла характеризуется коэффициентом заполняемости
(1.56)
У разных веществ различная зависимость температуры насыщения ТН от давления. Казалось бы, что используя в качестве рабочего тела не воду, а другое вещество с более высокой температурой насыщения при том же давлении Р1, можно существенно повысить Ацренк и ηtренк.
В качестве альтернативы воде рассматривались ртуть и дефинил.
К рабочему телу паросиловых установок предъявляются следующие требования:
1. Высокая критическая температура Ткр при достаточно широком критическом давлении Ркр.
2. Низкая температура насыщения ТН при низких давлениях, близкая к температуре охлаждающей воды (10…15о С).
3. Малая теплоемкость в жидкой фазе.
|
|
|
4. Высокая теплоемкость перегретого пара.
Вода удовлетворяет лишь второму требованию, так как при Р=3…6 кПа температура насыщения tн = 25…35о С.
Недостатком водяного пара как рабочего тела является сравнительно невысокая критическая температура tк=374,14оС при высоком критическом давлении Рк=22,129 МПа.
Учетом всех требований к рабочему телу осуществить цикл Ренкина только в ртути или в дефиниле нельзя, поэтому реализуются так называемые бинарные циклы.
Бинарные циклы – это циклы с двумя рабочими телами.
В области высоких температур в бинарном цикле используется первое рабочее тело, имеющее высокую критическую температуру tкр при достаточно низком критическом давлении Ркр, то есть соответствующее лишь первому требованию к рабочим телам.
Второе рабочее тело должно соответствовать второму требованию, то есть иметь при низких давлениях низкие температуры насыщения, превышающие температуру окружающей среды(охлаждающей воды) на 15…20 градусов. В качестве первого рабочего тепла используют ртуть, и в качестве второго – воду.
На рис 1.38 представлена принципиальная схема бинарной ртутно-водяной паросиловой установки.
Рис 1.38 Схема бинарной ртутно-водяной паросиловой установки :
|
|
|
РПК – ртутный паровой котел; РЭ – ртутный экономайзер; РПН – ртутный питательный насос; РПТ – ртутная паровая турбина; К-И – конденсатор-испаритель; ВПТ – пароводяная турбина; ВПП – водяной пароперегреватель; ЦН – циркуляционный насос охлаждающей воды; ЭГ – электрогенератор.
На рис 1.39 представлен цикл бинарной установки в диаграмме 
.
Зависимость между давлением и температурой насыщения воды и ртути представлена на рис 1.40.
Рис 1.39 Цикл бинарной ртутно-водяной установки в диаграмме 
:
Ртутный цикл
Пароводяной цикл
Рис 1.40 Зависимость между давлением и температурой насыщения воды и ртути.
Процессы ртутного цикла:
1Р-2Р – адиабатное расширение ртутного пара на лопатках ртутной турбины РПТ; 2Р-3Р – конденсация ртутного пара в конденсаторе-испарителе К-И при 
и 
с передачей теплоты 
на испарение воды;
3Р-4Р – сжатие жидкой ртути насосом РПН с повышением давления от 
до 
;
4Р-5Р – подогрев жидкой ртути при 
до температуры кипения 
в ртутном экономайзере РЭ;
5Р-1Р – парообразование ртути в ртутном котле РПК.
Процессы пароводяного цикла:
1-2 – адиабатное расширение водяного пара на лопатках пароводяной турбины ВПТ с понижением давления от 
до 
и температуры от 
до 
;
|
|
|
2-3 – конденсация водяного пара при 
и 
в конденсаторе водяного пара ВК;
3-4 – сжатие воды в насосе ВПН от 
до 
;
4-5 – подогрев воды при 
до температуры кипения 
теплотой конденсации ртутного пара 
в конденсаторе-испарителе К-И;
5-6 – парообразование воды в конденсаторе-испарителе К-И при 
и 
;
6-1 – перегрев водяного пара при 
от 
до в водяном пароперегревателе ВПП за счет теплоты, получаемой от продуктов сгорания топлива в котле ртутного котла РПК.
Температура насыщенного ртутного пара 
выбирается исходя из допустимых значений температуры для материалов установки (540…600 градусов) и допустимых значений давления для ее конструкции. (Для справки: температуре насыщения ртутного пара 
соответствует давление 
)
Конечное давление для ртути 
выбирают в зависимости от начального давления для воды 
из условия
Так при 
и 
и соответственно 
.
Энтальпия насыщенного ртутного пара от 
до 
в 10…12 раз меньше энтальпии воды из водяного конденсатора ВК ( 
) и ее сухого насыщенного пара ( 
и2). Для стационарной теплопередачи от ртутного пара к воде из конденсатора ВК и ее насыщенному пару в конденсаторе-испарителе К-И массовый расход ртути (циркуляционная масса ртути) в ртутном цикле 
должен быть в М раз больше массового расхода воды в пароводяном цикле 
.
|
|
|
Обозначим 
(1.57)
(1.57) – кратность циркуляции ртути.
Из теплового баланса конденсатор-испаритель К-И
(1.58)
При 
и, соответственно, 
окончательно получим
(1.59)
или 
(1.60)
Термический КПД бинарного цикла
(1.61)
(1.62)
где 
(1.63)
- теплота, подведенная в ртутном котле РПК при к М кг ртути в процессах 4Р-5Р и 5Р-1Р, а также к 1 кг водяного пара при в процессе его перегрева 6-1 от 
до .
При одинаковых температурных пределах Т1…Т2 и с учетом потерь теплоты в реальных процессах
Так, при Т1 = ТН1Р = 500о С, ТН2 = 30о С и Р1 = 2,4 МПа получено
, а 
В зависимости от выбранных параметров бинарного цикла кратность циркуляции ртути М = 10…12, то есть на 1 кг водяного пара требуется 10…12 кг ртути.
Справка:
Для ртути Ткр = 1400о С, Ркр = 98 МПа.
При Р=0,00405МПа температура насыщения ртути составляет 217оС. (Для сравнения, у воды при том же давлении Р=0,00405МПа температура насыщения Тн=27о С).
С целью предотвращения замерзания жидкости, охлаждающий конденсатор второго (нижнего) теплоносителя, в северных районах в холодное время года применяют в качестве второго теплоносителя низкокипящие жидкости, в частности, фреон-12. Пример такой ПСУ представлен на рис.1.41 и 1.42.
Рис.1.41 Схема паросиловой установки с бинарным циклом вода-фреон-12.
Рис.1.42 Бинарный цикл вода-фреон-12 в T-S диаграмме
ВПК – водяной паровой котел;
ВПП – водяной пароперегреватель;
ВПТ – водяная паровая турбина;
ВПН – водяной питательный насос;
К-И – конденсатор-испаритель;
ФПТ – фреоновая паровая турбина;
ФК – конденсатор фреона;
ФПН – фреоновый питательный насос.
Циклы парогазовых установок
Парогазовый цикл – это бинарный цикл, в котором первым рабочим телом в области высоких температур являются продукты сгорания топлива, а вторым в области низких температур – водяной пар.
Парогазовые установки (ПГУ) – это последовательно соединенные газовая и паровая тепловые установки.
Температура газов на входе в паровую турбину газотурбинной установки (ГТУ) составляет 900…1000о С, а на выходе – более 350о С.
Температура перегретого водяного пара на входе в паровую турбину паросиловой установки (ПСУ) достигает 600…650 о С, а температура влажного насыщенного пара в конденсаторе ПСУ – лишь 25…30 о С.
Организация бинарного цикла с этими рабочими телами позволяет получить температурный перепад от 900…1000 о С до 25…30 о С, и за счет этого значительно повысить термический КПД всей установки до значений 0,40…0,45.
Идеальный паровой цикл представлен на рис.1.43. 
Рис.1.43 Идеальный цикл парогазовой установки:
_ _ _ _ - газовый цикл;
- пароводяной цикл.
Газовый цикл:
1г-2г – адиабатное расширение газа;
2г-3г – изобарный отвод теплоты от газа;
3г-4г – адиабатное сжатие газа;
4г-1г – изотермический подвод теплоты к газу.
Пароводяной цикл:
1-2 – адиабатное расширение пара;
2-3 – изотермический отвод теплоты от пара;
3-4 – адиабатное сжатие воды;
4-1 – изобарный подвод теплоты к пару.
Передача теплоты от газа в изобарном Р2Г = const процессе 2г-3г к пароводяному рабочему телу, совершающему изобарный Р1 = const процесс 4-1, происходит в теплообменном аппарате.
Изотермический подвод теплоты к газу 4г-1г практически можно осуществить лишь приближенно, за счет многоступенчатого подвода теплоты при расширении газа.
Изотермический отвод теплоты 2-3 в пароводяном цикле можно осуществить в конденсаторе водяного пара при Р2 = const.
Газовый цикл в парогазовом цикле является открытым, поскольку продукты сгорания топлива (первое рабочее тело) выбрасываются в окружающую среду после теплообмена с водяным рабочим телом.
Пароводяной цикл – закрытый, поэтому в нем могут использоваться не только вода, но и другие вещества, например, углекислый газ (СО2).
Так как реализация изотермического подвода теплоты в паровом цикле сопряжена с серьезными техническими проблемами, то используется изобарный Р1Г = const подвод теплоты, входящий в цикл газотурбинной установки. В идеальном цикле ПГУ с газовым циклом ГТУ на рис.1.44 подвод теплоты происходит в изобарном процессе расширения газа 4г-1г. Коэффициент заполнения такого цикла приближается к единице.
Рис.1.44 Идеальный цикл парогазовой установки с газовым циклом, совершаемым газотурбинной установкой:
_ _ _ _ - цикл ГТУ (газовый цикл);
- пароводяной цикл.
Комбинированные турбинные установки на органическом топливе делятся на 2 типа:
1. Парогазовые установки (ПГУ);
2. Газопаровые установки (ГПУ).
В ПГУ основная доля теплоты подводится с топливом в паротурбинную часть, а в ГПУ – в камеру сгорания газотурбинной установки.
По взаимодействию рабочих тел ПГУ и ГПУ делятся на 2 группы:
1. С разделенными контурами, в которых пароводяное рабочее тело и продукты сгорания топлива движутся по самостоятельным трактам в газовую и паровую части установок и передают теплоту в теплообменных аппаратах поверхностного типа, то есть без смешивания;
2. Контактного типа, когда пароводяное рабочее тело и продукты сгорания топлива смешиваются перед поступлением в газопаровую турбину.
В дальнейшем рассматриваются только парогазовые установки с разделенными контурами (потоками), которые в свою очередь подразделяются по схемам на:
а) параллельные с высоконапорными парогенераторами (ВПГ);
б) последовательные с низконапорными парогенераторами (НПГ), называемые также ПГУ со сбросом теплоты, или ПГУ сбросного типа.
В ПГУ с НПГ продукты сгорания топлива в газотурбинной установке поступают либо в топку котла для дожигания и газоводяной подогреватель питательной воды (экономайзер), либо сразу в подогреватель питательной воды, называемый газовым подогревателем. Схема ПГУ в НПГ и газовым подогревателем представлена на рис.1.45.
Рис.1.45 принципиальная схема парогазовой установки со сбросом теплоты и газовым подогревателем питательной воды:
ТН – топливный насос;
КС – камера сгорания;
ВК – воздушный компрессор;
ТБ – топливный бак;
ГТ – газовая турбина;
ЭГ – электрогенератор;
КА – котлоагрегат;
ПП – пароперегреватель;
ПК – паровой котел;
ГП – газовый подогреватель;
ПН – питательный насос;
ПТ – паровая турбина;
К – конденсатор;
ЦН – циркуляционный насос.
Воздух сжимается компрессором ВК и подается в камеру сгорания, где образует с топливом смесь, сгорающую при постоянном давлении (Р1Г = const) в камере сгорания КС. Продукты сгорания топлива поступают в газовую турбину ГТ, где расширяются, совершая работу 
, передаваемую электрогенератору ЭГ.
Газы, отработавшие в газовой турбине ГТ, подаются в газовый подогреватель ГП для подогрева питательной воды паросиловой установки, а затем удаляются в атмосферу.
Большое количество утилизируемой теплоты продуктов сгорания топлива в этом случае позволяет полностью отключить регенеративные подогреватели питательной воды ПСУ, что приводит к увеличению термического КПД и мощности установки. Экономия топлива за счет утилизации теплоты отходящих газов газотурбинной установки достигает 15%. Эффективность ПГУ выше, чем у ПСУ и ГТУ по отдельности.
В парогазовой установке с параллельной схемой и высоконапорным парогенератором (ВПГ) камера сгорания и парогенератор обычно совмещены. Топливная смесь сгорает в камере сгорания при высоком давлении, при этом часть теплоты сгорания сразу идет на парообразование и перегрев пара, после чего продукты сгорания с пониженной температурой поступают на вход газовой турбины. Температурный напор при теплопередаче в ВПГ значительно выше, чем в НПГ, что объясняет название парогенераторов «высоконапорный» и «низконапорный». НА рис.1.46 представлена схема ПГУ с ВНП и газоводяным подогревателем питательной воды.
Рис.1.46 Схема парогазовой установки с высоконапорным парогенератором и газоводяным подогревателем:
ВК – воздушный компрессор;
ВПГ – высоконапорный парогенератор;
ПП – пароперегреватель;
ГТ – газовая турбина;
ЭГ – электрогенератор;
ПГВ – газоводяной подогреватель;
ПН – питательный насос;
К – конденсатор;
ПТ – паровая турбина;
ЦН – циркуляционный насос.
Газоводяной подогреватель питательной воды (экономайзер) ПГВ позволяет увеличить термический КПД за счет частичного отказа от регенеративных подогревателей.
Воздух (окислитель) сжигается в компрессоре ВК и подается в высоконапорный парогенератор ВПГ, где смешивается с жидким или газообразным топливом. Продукты сгорания этой смеси (топливной смеси), отдав часть теплоты водяному пару в самом ВПГ, направляются в газовую турбину ГТ, с которой соединен электрогенератор ЭГ. Отработав в ГТ, продукты сгорания с пониженной энтальпией и давлением направляются в газовый подогреватель ПГВ, где подогревают питательную воду, подаваемую в парогенератор ВПГ. Отдав теплоту питательной воде, в ПГВ, продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. В схеме ПГУ с ВПГ отсутствует паровой котел, функции которого выполняет испарительная поверхность в ВПГ.
Рис.1.47 Цикл парогазовой установки с высоконапорным парогенератором и газоводяным подогревателем
Процессы в газовом цикле:
4г-1г’ - изобарное расширение при Р1Г = const продуктов сгорания топливной смеси с подводом теплоты сгорания (теплоты химических реакций горения), изображаемой площадью а-4г-1г’-е-а и выделяемой в камере сгорания ВПГ;
1г’-1г – изобарная передача теплоты при Р1Г = const от продуктов сгорания к пароводяному рабочему телу через испарительные поверхности и пароперегреватель ПП высоконапорного парогенератор с понижением температуры от Т’Г1 до ТГ1 (площадь с-1г-1г’-е-с);
1г-2г – адиабатное расширение продуктов сгорания с начальной температурой ТГ1 и давлением Р1Г до давления Р2Г и температуры ТГ2 в газовой турбине ГТ;
2г-3г – изобарная передача теплоты при Р2Г = const от продуктов сгорания, отработавших в газовой турбине, к питательной воде в газоводяном подогревателе ПГВ (площадь а-3г-2г-с-а). В точке 3г продукты сгорания, охладившиеся в ПГВ до температуры ТГ3, выбрасываются в атмосферу;
3г-4г – адиабатное сжатие свежей порции воздуха в воздушном компрессоре ВК от давления Р2Г до Р1Г с повышением температуры топливной смеси до ТГ4;
Процессы в пароводяном цикле:
4-Р – регенеративный подогрев питательной воды в газоводяном подогревателе ПГВ при Р1 = const теплотой газового процесса 2г-3г;
Р-5 – подогрев в ВПГ питательной воды из ПГВ до температуры кипения при Р1 = const;
5-6 – парообразование в ВПГ за счет части теплоты газового процесса 1г’-1г;
6-1 – перегрев пара в пароперегревателе ПП за счет части теплоты газового процесса 1г’-1г;
1-2 – адиабатное расширение пара в паровой турбине ПТ от Р1 до Р2 с повышением температуры от Т1 до Т2;
2-3 – конденсация водяного пара в конденсаторе К при Р2 = const и Т2 = const;
3-4 – адиабатное сжатие воды от Р2 до Р1 в питательном насосе ПН с повышением температуры от Т3 до Т4.
Полезная работа пароводяного цикла
|
(1.64)
Полезная работа газового цикла:
|
(1.65)
Полезная работа обоих циклов:
|
(1.66)
|
(1.67)
|
Термический КПД парогазовой установки с ВПГ
(1.68)
|
Парогазовые установки с высоконапорными парогенераторами более эффективны, чем ПГУ с НПГ.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 437; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!