книги / Техническая термодинамика.-1

м и ческом процессе b - а происходит не полностью, вследствие .чего в последую щ ем адиабатном процессе а - 5 сжимается влажный пар, а не

вода, к а к в ц и к л е Ренкина. Сжатие пара, имеющего достаточно боль­ ш ой начальны й объем , требует специального компрессора, работающе­ го с сущ ественны м и затратам и энергии на сжатие (площадь а5 р 1р 2а). Это значительно сниж ает общую экономичность установки и практи­

области д вухф азн ы х состояний не позволяет иметь высокую началь­ ную тем п ературу пара, ограниченную критической температурой, т.е. не д ает возм ож ности получить достаточно больш ие значения его терм и ческого КПД.

В рассм отренном ц и кл е Ренкина осущ ествляется полная конден­ сация пара с последую щ им адиабатным повыш ением давления (про­ цесс 3 - 4 ) кон ден сата в насосе, что сопряж ено с существенно меньши­ м и затратам и работы (площ адь 34р1р 23), чем в случае сж атия пара в ком прессоре.

Т ерм ический. КПД ц и кл а Ренкина может быть вычислен по общей

тоян и и и зображ ается площ адью под отрезком изобары (от оси ординат до точ ки н а изобаре, изображаю щ ей заданное состояние).

ч еск и х процессов (/, = /'х _ а , /н = / 3 _ 4 ), к а к это сл ед у ет и з п ер во го за к о н а терм оди н ам и ки (/' = - A h ) при q = 0).

П оскольк у в о д а п ракти ч ески несж им аем а, процесс в насосе я в л я е т ­

цесса расш и рен и я пара в турбине (^~-2) (рис. 78), h 3 = h'2 о п р ед ел я ется

Рис. 78. Схема определения энтальпий при адиабатном расширении пара в турбине

ный объем пара, поступаю щ его из турбины в конденсатор, вследствие

денсаторе становится м алой разница температур конденсирующегося пара и охлаж даю щ ей воды , что такж е приводит, к увеличению разме­ ров и стоим ости конденсатора. Охлаждающую воду в конденсатор подаю т обы чно из водоем ов, на берегах которых строят тепловые электростанции . К ак уж е отмечалось, искусственное снижение темпе­ ратуры во д ы ниж е, чем в водоем е, требует энергозатрат, что в итоге, не п р и вод и т к увеличению экономичности установки. Наконец, отме­ тим, что п о ск о л ьк у изм енение Т2 сильней вли яет на КПД, чем изме­

Рассмотрим зависим ость терм ического КПД от начальных парамет­

t 's = 310 °С соответственно) при одной и той ж е температуре перегрева пара f ! = 500 вС и одном и том ж е давлении в конденсаторе р 2 = 4 кПа повы ш ает л t от 0,368 до 0,426, т.е. на 16,2 %.

Н ар яд у с полож ительны м эффектом, повыш ение начального д ав ­ л ен и я п ри води т к р я д у отрицательны х моментов. Во-первых, с повы ­ ш ением д а в л е н и я пара повыш аю тся требования к качеству м еталла, у вел и ч и вается его расход, что ведет к удорожанию установки. Во-вто­ ры х, следстви ем повы ш ения начального давлен и я явл яется у вели ­ чение степени влаж ности пара в конце расш ирения (или уменьш ение

Pitt. 80. Действительный процесс адиабатного расширения пара в турбине

п ревращ ается в полезную работу.

При тех ж е napaM eTpàx пара, которы е допустимы при существующих

Р ен ки н а прим еняю т регенерацию теплоты и вторичный перегрев пара.

Р еген ерати вн ы й ц и кл ПТУ

Осуществить регенерацию в цикле Ренкина можно, если воду, поступающую в пароге­ нератор, подогревать до температуры кипения за счет теплоты, отводимой от пара, рас* ширяющегося в турбине. Теоретически процесс охлаждения пара нужно вести по полит­ ропе а — Ь, эквидистантной участку пограничной кривой 4 —4' на диаграмме T - s (рис. 81, б). Отвод теплоты непосредственно из турбины технически неосуществим. Можно заменить непрерывный отвод теплоты ступенчатым, используя для этого многоступенча­ тую турбину, с промежуточными холодильниками. На рис. 81, б охлаждение в промежу­ точных холодильниках показывают изобарные процессы а' - Ъ\ а" - Ь”, процессы рас­ ширения в ступенях турбины - адиабаты 1 - с', Ь* - fl", Ъ” - аО днако такой ступен­ чатый процесс невыгоден из-за существенного увеличения влажности пара в последних ступенях турбины, что существенно ухудшает условия их работы.

Эта проблема решается, если подогрев воды, питающей парогенератор, осуществлять в специальных регенеративных подогревателях П1 —ПЗ (см. рис. 81, а) паром, отбираемым из ступеней турбины (без возвращения охлажденного пара в турбину).

Чтобы приблизить теплообмен в подогревателях к изотермическим условиям, Умень­ шив тем самым степень необратимости процесса регенерации, делают пять —шесть реге­ неративных отборов.

При отборе пара и подогреве им конденсата уменьшается количество подведенной за счет сжигания топлива теплоты qu одновременно уменьшается и работа пара в турбине. Несмотря на противоположное влияние этих изменений на КПД отбор всегда повышает

Рве. 81. Схема (а) и регенеративный цикл (б) паротурбинной установки

Л;» Это обусловлено тем, что регенерация увеличивает среднюю интегральную темпера* туру подвода теплоты в цикле, поскольку питательная вода поступает в парогенератор подогретой. Кроме того, регенеративный подогрев питательной воды уменьшает необра­ тимость в процессе передачи теплоты в парогенераторе к воде, так как уменьшается разность температур между газами и предварительно подогретой водой.

Следует отметить, что цикл паротурбинной установки с регенерацией нельзя изобра­ жать в Г —«- и h —«-диаграммах, поскольку они строятся для постоянного количества вещества (1 кг), тогда как в цикле с регенерацией количество пара за счет отборов из турбины изменяется. В связи с этим такое изображение является условным.

Рассмотрим подробно регенеративный цикл паротурбинной установки с одним отбо­ ром (рис. 82). Пересечение адиабаты расширения 1 —2 (рис. 82, б) с изобарой отбора Р2о дает точку 0, характеризующую состояние пара в отборе.

На рис. 82, а видно, что из 1 кг пара, поступающего в турбину, а кг пара расширяется только до давления отбора Р2р, производя полезную работу lTi = a (hi —h ^ ), a (1 —а) кг расширяется до конечного давления р2. Полезная работа этого потока пара 1,2 = (1 —

— a(hi — h2). Удельная работа всей турбины в регенеративном цикле равна 1, = I,j +

Количество теплоты, подведенной в цикле, ql s!h1 —h'2o. Термический КПД регене­ ративного цикла

Процессы в регенеративных подогревателях рассматривают как изобарные и считают, что вода из подогревателя выходит в состоянии насыщения, при давлении пара в соответ­ ствующем отборе, поэтому h'20 — энтальпия кипящей воды при Р20 (определяется по таблицам насыщенного пара).

Количество отобранного пара определяется из уравнения теплового баланса подогре­ вателя (1 - ocXhjo —h'a) = a(h2o - h'2о), откуда

где ЛîjQ — энтальпия кипящей жидкости при давлении отбора'Р2о. h2o —энтальпия пара, отбираемого из турбины; h 2 — энтальпия конденсата, выходящего из конденсатора. Аналогично можно определить долю любого отбора, если их несколько.

Применение регенеративного подогрева питательной воды увеличивает термический КПД цикла паротурбинной установки на 8—12 %

Рве. 82. Схема (в) и h —s-диаграмма (б) цикла с одним регенеративным отбором пара

Ц икл ПТУ с вторичны м перегревом пара

Выше было установлено, что неблагоприятным следствием повышения начального давления является увеличение степени влажности пара в конце адиабатного расширения.

Чтобы избежать повышения влажности сверх допустимого предела, повышают началь­ ную температуру перегрева пара, а также применяют вторичный или промежуточный перегрев. Сущность промежуточного перегрева заключается в том, что пар после расшире­ ния в первых ступенях турбины 1 —2 (рис. 83) при постоянном давлении Рпр подвергается

Рп*1

Рис. 83. Схема (о) и цикл (б) со вторичным перегревом пара

вторичному перегреву во втором пароперегревателе до температуры Т3\ затем пар посту­ пает в следующие ступени турбины Т2, где происходит расширение 3 —4 до давления в конденсаторе. В результате вторичного перегрева степень сухости пара увеличивается с х 2 до *2. Одновременно повышается термический КПД, поскольку средняя температура в процессе перегрева 2 —3 становится выше средней температуры подвода теплоты в цикле с однократным перегревом.

Fte. 85. Принципиальная схема одноконтурной (а) и двухконтурной (б) атомной электро­ станции

Из первого закона термодинамики следует, что /'о + д'а = Ч, поэтому в идеальном случае X, = 1. В реальных условиях часть теплоты теряется и экономичность теплофикационных установок с противодавлением снижается до 60 — 80 %, однако это значительно превы­ шает экономичность обычных конденсационных установок.

Следует отметить, что возможность получения от ТЭЦ централизованно большого количества теплоты для технологических и бытовых нужд избавляет от необходимости сооружать мелкие котельные, имеющие относительно малый КПД и существенно ухуд­ шающие обстановку. Это также избавляет и от нерационального использования теплоты высокого температурного потенциала, полученной при сжигании топлива и используемой для нагрева низкотемпературных тел, что связано с потерей работоспособности (эксергии) системы.

10.6.ЦИКЛЫ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

ИПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

В н асто ящ ее в р е м я > 80 % эл ек тр и ч еск о й энергии вы рабаты вается

на те п л о в ы х эл ек тр и ч ес к и х стан ц и ях и з орган и ческого то п л и ва (у гл я,

~ 80 • 106 кД ж теп лоты , что э к в и в а л е н тн о сж иганию 2,5 • 103 к г к а м ен ­ ного у г л я .

Т еп лоту я д ер н ы х р еак ц и й использую т н а атом ны х эл ек тр о стан ­ ц и ях т а к ж е, к а к теп л о ту сго р ан и я орган и ческого то п л и ва н а обы чны х теп л о вы х эл ек тр о стан ц и ях , т.е. осу щ ествл яет ц и к л Р ен ки н а.

В ы деляю щ аяся в я д ер н о м р еак то р е теп лота м ож ет п о д во д и ть ся к

рабочем у те л у (воде) ли бо н еп осредствен н о в акти вн ую зон у р еакто р а, либо п у тем и с п о л ь зо ван и я п ром еж уточн ого теп л о н о си тел я, которы й

отвод и т теп л о ту и з ак ти вн о й зон ы р еак то р а, а затем в теп лооб м ен н ом ап п арате (парогенераторе) п ередает ее рабочем у тел у п аротурби н н ой у стан о вк и . В п ер во м сл у чае сх ем а у с тан о вк и н азы в ается о д н о к о н ту р ­

ной, а в о втором сл у чае - д ву х к о н ту р н о й .

П ринц ипиальная сх ем а одн око н ту р н о й атом ной эл ек тр и ч еск о й станции п о к азан а н а рис. 85, а. Вода, п р о х о д я ч ер ез яд ер н ы й р еак то р ЯР, н агр евается и п ревращ ается в пар. О бразовавш и й ся пар п оступ ает в паровую турби н у Т, а затем в ко н д ен сато р К , гд е к о н д ен си р у ется за

п ерсонала, и возм ож н ость за гр я зн е н и я турбины п р о д у к там и к о р р о зи и теп ловы д еляю щ и х эл ем ен то в реакто р а .

Н а рис. 85, б п р и вед ен а п р и н ц и п и ал ьн ая схем а д ву х к о н ту р н о й АЭС. В этой сх ем е и сп о л ьзу ется д в а теп лон оси теля . В п ерви чн ом к о н ту р е

п ром еж уточны й теплоноситель н агр евается в р еак то р е Я Р и п оступ ает

в п арогенератор ЯГ, гд е отдает теп л о ту рабочем у тел у (воде) эн ер ге ­ ти ческого к о н ту р а, а затем насосом Я 2 во звр ащ ается оп ять в р еак то р .

В к ач ество теп лон оси теля в п ерви чн ом к о н ту р е м о гу т быть и сп о л ь ­

он б езоп асен д л я обслуж иваю щ его персонала. К ром е того, д л я о х л аж ­ д е н и я р еак то р а м ож но и сп о л ьзо вать разн ообразн ы е теп лон оси тели , в том чи сле ж и д к и е м еталл ы , а не то л ьк о в о д у и л и газ.

теп л о вы д ел яю щ и х эл ем ен то в . П окры тия теп л о вы д ел яю щ и х эл ем ен то в

р еак то р а в зави си м о сти от м атер и ал а о б о л о ч ек м о гу т им еть тем п ер а ­ ту р у 670 - 1300 К, к р о м е того, сущ ествую т д оп усти м ы е тем п ер ату р ы