Паросилові установки

Тема 8. парові установки

8.1.Прінціпіальная схема паросилова установки

Перетворення енергії органічного або ядерного палива в механічну за допомогою водяної пари здійснюється в парових силових установках (п. С. У.), Які є базою сучасної великої енергетики. Принципова схема найпростішої паросилова установки показана на рис. 8.1.

Мал. 8.1. Принципова теплова схема паросилова установки

У паровому котлі 1 вода перетворюється в перегрітий пар з параметрами p1. t1. i1, який по паропроводу надходить у турбіну 2, де відбувається його адіабатне розширення до тиску p2 з вчиненням технічної роботи, що приводить в обертальний рух ротор електричного генератора 3. Потім пара надходить в конденсатор 4, який являє собою трубчастий теплообмінник. Внутрішня поверхня трубок конденсатора охолоджується циркулюючої водою.

В конденсаторі за допомогою охолоджуючої води від пари віднімається теплота пароутворення і пар переходить при постійних тиску р2 і температурі t2 в рідину, яка за допомогою насоса 5 подається в паровий котел 1. Надалі цикл повторюється.

На рис. 8.2 приведена схема парової турбіни. Турбінні установки призначені для перетворення енергії робочого тіла (пари, газу), що має високий тиск і температуру, в механічну енергію обертання ротора турбіни. Турбіни використовують в якості двигунів електрогенераторів, турбокомпресорів, повітродувок, насосів.

Мал. 8.2. Схема одноступінчастої турбіни активного типу

Водяна пара з високим тиском і температурою надходить у сопло 1, при витіканні з якого його тиск знижується, а кінетична енергія збільшується. Струмінь пара спрямовується на закріплені на диску 3 ротора турбіни лопатки 2, віддаючи їм частину своєї кінетичної енергії, яка через лопатки передається обертається ротора.

Зазвичай турбіна має кілька сопел, що становлять сопловий апарат. Робочі лопатки розташовані по всьому колу диска і утворюють робочу решітку. Сопловий апарат і робоча решітка складають щабель турбіни, а канали для проходу газу - проточну частину турбіни.

Турбіни бувають одноступінчасті і багатоступінчасті, активного і реактивного типів.

В активних турбінах процес розширення пари відбувається тільки в соплах, а в реактивних - в соплах і в каналах робочих лопаток.

8.2.Цікл Ренкина

В паросилових установках застосовують цикл Ренкіна. У циклі Ренкіна охолодження вологої пари в конденсаторі проводиться до перетворення його в воду.

Розрізняють цикл Ренкіна з сухим насиченим паром і з перегрітою парою (рис. 8.3). У циклі Ренкіна з сухим насиченим паром суху насичену пару з параметрами p1. T1. i1 надходить з парового котла в турбіну (точка 1 на рис. 8.3), де адіабатно розширюється від тиску p1 до тиску p2 (точка 2). Після турбіни вологий насичений пар з параметрами p2. T2. i2 надходить в конденсатор, де повністю конденсується при постійних тиску і температурі (точка 3). Поживна вода за допомогою насоса стискається до тиску p1. рівного тиску в паровому котлі, і подається в котел (точка 4). Параметри води на вході в котел - p1. T2. i4. У паровому котлі живильна вода змішується з киплячою водою, нагрівається до температури кипіння і випаровується

Мал. 8.3. цикл Ренкіна

Цикл Ренкіна складається з наступних процесів:

4'-1 - процес пароутворення в казані при постійному тиску;

1-2 - процес адиабатного розширення пари в турбіні;

2-3 - процес конденсації вологої пари в конденсаторі з відведенням теплоти за допомогою охолоджуючої води;

3-4 - процес адиабатного стиснення води в насосі від тиску p2 до тиску p1;

4-4 '- процес підведення теплоти до води при тиску p1 в паровому котлі до відповідної цьому тиску температури кипіння.

Термічний к. П. Д. Циклу

Теплота q1 в циклі підводиться в процесах: 4-4 '- підігрів води до температури кипіння в казані; 4'-1 - пароутворення в казані. Для 1 кг пара q1 в изобарном процесі дорівнює різниці ентальпій кінцевої (точка 1) і початкової (точка 4) точок процесу підведення тепла:

Термічний к. П. Д. Циклу Ренкіна менше термічного к. П. Д. Циклу Карно при однакових початкових і кінцевих параметрах пари, так як в циклі Карно теплота q1 витрачається тільки на процес пароутворення (тобто q1 ≈r), а в циклі Ренкина вона витрачається як на пароутворення, так і на підігрів живильної води в процесі 3-4. Тому для паросилових установок в заданому температурному інтервалі термодинамічно найбільш вигідним циклом міг би бути цикл Карно. Однак його здійснення пов'язане з великими труднощами. Цикл Карно щодо простіше було б здійснити в області вологої пари. Це пояснюється тим, що в області вологої пари ізотермічні процеси збігаються з ізобарна і можуть бути реально здійснені в котлі і конденсаторі. Однак в циклі Карно конденсація пара в ізотермічному процесі відбувається не повністю, внаслідок чого в подальшому адіабатні процесі стискається не вода, як в циклі Ренкіна, а вологий пар, який має відносно великий обсяг.

У циклі Ренкіна з перегрітою парою додається ще один процес: 1-1 '- перегрів пари.

8.3.Вліяніе параметрів пара на термічний к. П. Д. Циклу Ренкіна

Аналіз термічного к. П. Д. Циклу Ренкіна показує, що термічний к. П. Д. Паросилова установки зростає при збільшенні початкового тиску p1 і початкової температури пара t1.

При збільшенні температури пари на виході з котлоагрегату (тиск пара не змінюється) збільшується i1. Якщо інші ентальпії, що входять у вираз (8.5), незмінні, що технічно можливо, то, як випливає з (8.5), збільшення температури пари на виході з котлоагрегату супроводжується зростанням ηt.

При збільшенні тиску пари на виході з котлоагрегату (температура перегрітої пари не змінюється) зменшується i1 (дивись таблиці термодинамічних свойст води і перегрітої пари). Якщо інші ентальпії, що входять у вираз (8.5), незмінні, що технічно можливо, то, як випливає з (8.5), збільшення тиску перегрітої пари на виході з котлоагрегату супроводжується зменшенням ηt. Отже, тиск на виході котлоагрегату доцільно підвищувати тільки з метою збільшення температури пара.

8.4.Путі підвищення економічності паросилових установок

Незважаючи на те, що в даний час здійснюється масове освоєння високих і надвисоких параметрів пара (p1 = 23,0 ÷ 30,0 МПа; t1 = 570 ÷ 600 0 С), термічний к. П. Д. Циклу Ренкіна не перевищує 50% . У реальних установках частка корисної використаної теплоти ще менше через втрати, пов'язані з внутрішньою необоротністю процесів. У зв'язку з цим було запропоновано інші способи підвищення теплової ефективності паросилових установок.

Мал. 8.4. Схема паросилова установки з проміжним пароперегрівом

Одним з таких способів є проміжний перегрів пари (рис. 8.4). Тут пар перегрівається в пароперегрівачі 2 парогенератора 1 і подається в циліндр високого тиску 3, в якому знаходяться ступені турбіни, розраховані на пар з високим тиском. У циліндрі високого тиску пар виробляє механічну роботу, його тиск і температура знижуються. З циліндра високого тиску пар направляють в проміжний пароперегрівач 4, де його температуру підвищують, передаючи йому деяку кількість тепла q1 '. З проміжного пароперегрівача пар направляють в циліндр низького тиску 5, де він проводить механічну роботу, знижуючи свій тиск і температуру до тиску і температури конденсатора 7. З конденсатора насосом 8 конденсат подається в парогенератор. Циліндри низького і високого тиску знаходяться на одному валу з електрогенератором 6.

Кількість тепла q2 віддається парою в конденсаторі, залишається постійним, а кількість тепла q1. сообщаемое пару в котлоагрегате збільшується на q1 '. підводиться до пару в проміжному пароперегрівачі. Тому відповідно до (8.1) термічний к. П. Д. Паросилова установки з проміжним пароперегрівом вище, ніж у паросилова установки без проміжного пароперегрівача. Збільшення термічного к. П. Д. В цьому випадку не перевищує 2-3%.

Більш ефективним способом підвищення термічного к. П. Д. Паросилова установки є застосування схем регенеративного підігріву живильної води (рис. 8.5).

Мал. 8.5. Схема паросилова установки з проміжним пароперегрівом і регенеративним підігрівом живильної води

Для отримання такої схеми встановлюють підігрівач живильної води 9 і організують додатковий відбір пари. Наприклад, з циліндра низького тиску. В цьому випадку пар, що відбирається на підігрів живильної води, не віддає тепло в конденсаторі, і кількість теплоти, що втрачається в конденсаторі, зменшується на деяку величину q2 '. Тому відповідно до (8.1) термічний к. П. Д. Паросилова установки підвищується. Однак, у зв'язку з тим, що частина пара, що направляється на підігрів живильної води, не виробляє механічну роботу на наступних щаблях турбіни, потужність що віддається турбіною електрогенератора в цьому випадку знижується.