close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Н.Д. Денисов-Винский [Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок]

код для вставкиСкачать
Данный курс читается в рамках повышения квалификации работников ТЭК. Содержит необходимые сведения, которые необходимы для понимания основных термодинамических процессов в теплотехнике. Курс главным образом ориентирован для подготовки энергоаудиторо
Московский
Московский
Институт
Институт
Энергобезопастности
Энергобезопастности
и
и
Энергосбережения
Энергосбережения
кафедра
кафедра
«
«
Энергетики
Энергетики
и
и
энергосбережения
энергосбережения
»
»
Курс
Курс
«
«
ОБЩАЯ
ОБЩАЯ
ЭНЕРГЕТИКА
ЭНЕРГЕТИКА
»
»
Лекция
Лекция
«
«
Термодинамические
Термодинамические
основы
основы
циклов
циклов
теплоэнергетических
теплоэнергетических
установок
установок
»
»
Денисов
-
Винский
Никита
Дмитриевич
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
НОУ
ВПО
«
МИЭЭ
»
Москва
2010 год
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[
[
Исходные
Исходные
положения
положения
для
для
расчёта
расчёта
процессов
процессов
идеального
идеального
газа
газа
]
]
Процессы
, реализуемый
в
теплоэнергетических
установках
с
индивидуальными
газами
и
газовыми
смесями
, можно
разделить
на
следующие
:
-
изохорный
-
изобарный
-
изотермический
-
адиабатный
-
политропный
При
термодинамическом
анализе
принимается
, что
эти
процессы
протекают
обратимо
, без
трения
. Целью
расчёта
является
нахождение
термический
параметров
(
давление
, объём
, температура
) рабочего
тела
в
начальном
и
конечном
состоянии
процесса
, определение
изменения
калорических
функций
состояния
(
внутренняя
энергия
, энтальпия
, энтропия
), вычисление
значений
полученной
(
затраченной
) работы
и
подведённой
(
отведённой
) теплоты
в
результате
процесса
.
const
const
p
const
T
0
dq
0
n
p
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
В
зависимости
от
типа
анализируемой
системы
производится
расчёт
или
работы
расширения
или
в
случае
потока
газа
технической
работы
. Это
выражение
может
быть
записано
следующим
образом
(
при
условии
, что
изменение
кинетической
энергии
газа
мало
или
учитывается
отдельно
:
Аналогично
поступают
и
при
расчёте
теплоты
, подводимой
к
потоку
, принимая
, что
кинетическая
энергия
газа
на
входе
в
теплообменный
аппарат
и
на
выходе
из
него
одинакова
. В
этом
случае
с
учётом
того
, что
в
теплообменных
аппаратах
поток
не
производит
техническую
работу
, получаем
:
Все
перечисленные
выше
процессы
(
адиабатный
процесс
приближенно
) могут
рассматриваться
как
члены
одного
семейства
политропный
процессов
. dp
dl
тех
dh
dq
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Для
определения
значений
показателя
политропы
для
адиабатного
процесса
следует
использовать
соотношение
, связывающее
показатель
политропы
с
теплоёмкостями
газа
:
Для
адиабатного
процесса
выполняется
условие
:
Согласно
определению
политропного
процесса
показатель
политропы
для
него
есть
величина
постоянная
. У
разряженных
газов
теплоёмкости
, а
следовательно
, и
показатель
адиабаты
изменяются
в
зависимости
от
температуры
.
Поэтому
расчёт
адиабатного
процесса
с
постоянным
показателем
является
приближённым
.
c
c
c
c
n
n
p
n
c
c
k
n
p
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[
[
Расчёт
Расчёт
адиабатного
адиабатного
процесса
процесса
с
с
учётом
учётом
зависимости
зависимости
теплоёмкости
теплоёмкости
от
от
температуры
температуры
]
]
При
инженерный
расчётах
теплоэнергетический
циклов
важно
точно
проводить
расчёт
адиабатного
процесса
, так
как
именно
такой
процесс
осуществляется
при
получении
(
в
турбине
)
и
затрате
(
в
компрессоре
) основных
работ
цикла
. Применение
же
формул
, где
используется
постоянное
значение
показателя
адиабаты
k
, может
привести
к
большим
погрешностям
расчёта
, поскольку
при
изменяющихся
с
изменением
температуры
теплоёмкостей
меняется
и
показатель
адиабаты
.
Обратимый
адиабатный
процесс
есть
процесс
изоэнтропный
(
s = const
)
. Исходя
из
этого
, точный
расчёт
его
можно
провести
при
использовании
справочных
данных
, при
получении
которых
были
применены
точные
уравнения
для
температурной
зависимости
теплоемкости
газов
.
Наиболее
часто
встречающийся
вариант
, в
котором
известны
давление
и
температура
в
начальном
состоянии
и
давление
в
конечном
состоянии
. Значение
стандартной
энтропии
приведены
в
справочной
литературе
.
По
справочнику
для
начальной
температуры
T
1
можно
найти
энтальпию
, внутреннюю
энергию
и
энтропию
газа
.
c
R
c
R
c
c
c
k
p
1
0
ln
1
2
0
1
0
2
p
p
R
s
s
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Тогда
уравнение
может
быть
записано
в
следующей
форме
:
Соответственно
работу
расширения
можно
найти
согласно
следующей
зависимости
:
Это
выражение
вытекает
из
первого
закона
термодинамики
при
условии
изоэнтропного
расширения
или
сжатия
.
Если
же
процесс
происходит
в
потоке
газа
, то
техническую
работу
его
можно
определить
по
следующему
уравнению
:
В
справочниках
табулирована
специальная
функция
, которая
позволяет
рассчитывать
параметры
изоэнтропного
процесса
сжатия
или
расширения
:
1
2
0
1
0
2
ln
p
p
R
s
s
2
1
u
u
l
2
1
h
h
l
тех
R
s
T
0
0
exp
1
2
1
01
2
02
p
p
T
T
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
В
случае
, когда
для
адиабатного
процесса
известны
температура
, удельный
объём
газа
в
начальном
состоянии
и
удельный
объём
газа
в
конечном
состоянии
, для
расчёта
используется
величина
:
Тогда
для
конечной
точки
процесса
будем
иметь
следующую
зависимость
:
Откуда
:
Вид
табулированной
функции
(
приводится
в
справочнике
)
dT
T
c
T
s
T
T
0
0
ln
1
2
1
2
R
s
s
1
2
1
2
ln
R
s
s
R
s
T
exp
0
1
2
1
01
2
02
T
T
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[ [ 1. 1. Эксергия
Эксергия
термодинамических
термодинамических
систем
систем
]
]
При
рассмотрении
второго
закона
термодинамики
на
примере
преобразования
теплоты
в
работу
было
установлено
, что
различные
виды
энергии
обладают
неодинаковыми
свойствами
с
точки
зрения
возможности
преобразования
их
в
другие
виды
. Одни
из
них
могут
быть
полностью
преобразованы
в
любые
иные
. Это
энергии
упорядоченных
форм
движения
. Другие
виды
энергии
-
энергии
неупорядоченных
форм
движения
(
например
, теплового
движения
молекул
) могут
быть
преобразованы
в
энергию
иных
форм
лишь
в
ограниченной
части
и
при
соблюдении
некоторых
условий
. Очевидно
, что
именно
эта
часть
представляет
интерес
при
анализе
процессов
, протекающих
в
тепловых
машинах
.
Часть
энергии
системы
, которая
может
быть
преобразована
в
энергию
организованных
форм
движения
, называется
эксергией
. Остальная
часть
называется
анергией
. Мерой
эксергии
является
максимальная
полезная
работа
, которую
можно
получить
при
обратимом
изменении
состояния
системы
от
заданного
(
при
параметрах
р
, Т
) до
состояния
равновесия
с
окружающей
средой
при
параметрах
р
0
и
T
0
. Таким
образом
, в
отличие
от
энергии
эксергия
является
функцией
не
только
параметров
системы
, но
и
параметров
окружающей
среды
.
Рассмотрим
изолированную
систему
, состоящую
из
вещества
, занимающего
при
давлении
р
и
температуре
Т
некоторый
объем
V, и
окружающей
среды
при
давлении
р
0
и
температуре
T
0
. Эксергию
этого
вещества
можно
найти
, рассчитав
, как
сказано
выше
, максимальную
полезную
работу
, совершаемую
в
обратимом
процессе
изменения
его
параметров
до
р
0
, T
0
. Такое
обратимое
изменение
параметров
можно
осуществить
в
результате
последовательного
проведения
двух
процессов
. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Вначале
следует
провести
обратимое
адиабатное
(
изоэнтропное
) расширение
вещества
так
, чтобы
его
температура
стала
равной
температуре
окружающей
среды
T
0
, а
затем
-
обратимое
изотермическое
расширение
до
давления
окружающей
среды
p
0
. В
последнем
процессе
к
веществу
подводится
теплота
, равная
(
в
расчете
на
1 кг
)
Рис
. 1. s
s
T
q
0
0
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
и
суммарно
совершённую
в
этих
двух
процессах
работу
можно
найти
по
уравнению
первого
закона
термодинамики
:
Однако
это
не
есть
эксергия
, так
как
часть
этой
работы
должна
быть
затрачена
на
преодоление
постоянного
давления
окружающей
среды
при
увеличении
объёма
вещества
от
начального
до
объёма
при
конечных
параметрах
p
0
, T
0
.
Поэтому
эксергия
вещества
в
замкнутом
объёме
:
Если
в
подобной
системе
вещество
находится
не
в
замкнутом
объёме
, а
в
потоке
, то
обратимо
изменить
его
параметры
до
параметров
окружающей
среды
можно
с
помощью
той
же
последовательности
процессов
.
В
этом
случае
при
нахождении
эксергии
следует
учесть
, что
техническая
работа
потока
это
и
есть
эксергия
, так
как
её
можно
полностью
полезно
использовать
на
валу
вращающегося
механизма
(
турбины
, компрессора
и
др
.)
Заметим
, что
в
это
уравнение
не
входит
эксергия
кинетической
энергии
потока
, так
как
при
желании
это
легко
сделать
, а
обычно
нас
гораздо
больше
интересует
, что
можно
получить
за
счёт
изменения
параметров
вещества
.
s
s
T
u
u
l
0
0
0
0
0
0
0
0
p
s
s
T
u
u
e
s
s
T
h
h
e
0
0
0
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Эксергия
в
потоке
вещества
может
быть
наглядно
продемонстрирована
в
h,s
–
диаграмме
(
рис
.2). В
этой
диаграмме
к
изобаре
окружающей
среды
p
0
= const
в
точке
0(h
0
, s
0
)
, параметры
в
которой
соответствуют
состоянию
окружающей
среды
, проведена
касательная
. В
данный
переменных
производная
на
изобаре
равна
и
следовательно
, угол
наклона
касательной
определяется
условием
Поэтому
эта
линия
называется
прямой
среды
. Эксергия
на
рис
.2 изображается
вертикальным
отрезком
1 –
a
.
Выясним
далее
, как
определяется
эксергия
теплоты
, отводимой
от
источника
в
системе
, состоящей
из
этого
источника
и
окружающей
среды
с
постоянной
температурой
T
0
. Если
температура
теплового
источника
T
не
изменяется
при
отводе
теплоты
q
, то
, очевидно
, что
максимальная
работа
может
быть
получена
при
осуществлении
за
счет
этой
теплоты
обратимого
цикла
Карно
.
Рис
. 2. 0
0
T
s
h
p
0
T
tg
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Поэтому
эксергия
теплоты
в
это
случае
:
Выражение
, стоящее
в
скобках
, часто
называют
эксергетической
температурой
:
График
ее
изменения
при
изменении
температуры
источника
показан
на
рис
. 3, из
которого
видно
, что
она
может
иметь
отрицательные
значения
, следовательно
, эксергия
теплоты
тоже
может
быть
отрицательна
. Это
есть
просто
отражение
того
факта
, что
для
отвода
теплоты
от
источника
с
температурой
ниже
температуры
окружающей
среды
в
окружающую
среду
надо
затратить
работу
.
На
практике
чаще
приходится
иметь
дело
с
тепловыми
источниками
, температура
которых
при
отводе
теплоты
изменяется
. Примером
такого
источника
теплоты
могут
служить
газообразные
продукты
сгорания
топлива
в
котле
, где
они
при
постоянном
давлении
охлаждаются
, отдавая
теплоту
воде
и
водяному
пару
, от
температуры
сгорания
до
(
в
переделе
) температуры
окружающей
среды
.
T
T
q
q
e
K
t
q
0
1
T
T
e
0
1
Рис
. 3. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
В
этом
случае
эксергия
равна
:
Примем
во
внимание
, что
эксергия
теплоты
, получаемой
от
источника
с
переменной
температурой
, составляет
:
где
-
изменение
энтропии
источника
теплоты
.
Графическое
представление
эксергии
теплоты
в
s
,
T
–
диаграмме
показано
на
рис
.4.
0
1
0
1
T
T
q
T
T
dq
e
Рис
. 4. ds
T
dq
и
0
s
T
q
e
q
и
s
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[ [ 2. 2. Потеря
Потеря
эксергии
эксергии
в
в
необратимых
необратимых
процессах
процессах
]
]
Полученные
в
предыдущем
параграфе
выражения
для
эксергии
определяют
максимальную
работу
, которую
можно
получить
в
различных
системах
при
проведении
обратимых
-
идеализированных
процессов
. Реальные
же
процессы
всегда
в
той
или
иной
степени
необратимы
, что
приводит
к
уменьшению
способности
системы
совершать
работу
. Это
уменьшение
и
называется
потерей
эксергии
.
Как
можно
определить
уменьшение
эксергии
системы
вследствие
необратимости
процесса
разберем
на
примере
необратимого
процесса
адиабатного
дросселирования
. Поток
газа
в
сечении
1
-
1 (
рис
. 5) перед
местным
сопротивлением
(
клапаном
) имеет
параметры
:
В
результате
трения
в
клапане
давление
уменьшается
.
Процесс
дросселирования
существенно
необратим
.
до
дросселирования
:
после
дросселирования
:
Рис
. 5. 1
p
1
h
1
s
1
w
2
1
p
p
2
1
h
h
2
1
s
s
2
1
w
w
0
1
0
0
1
1
s
s
T
h
h
e
0
2
0
0
2
2
s
s
T
h
h
e
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Уменьшение
эксергии
:
Поскольку
процесс
дросселирования
адиабатный
, то
увеличение
энтропии
газа
представляет
собой
увеличение
энтропии
всей
системы
.
-
увеличение
энтропии
системы
вследствие
любых
необратимых
процессов
.
Таким
образом
, в
отличие
от
энергии
, которая
не
исчезает
, а
лишь
превращается
из
одной
формы
в
другую
, эксергия
может
уменьшаться
при
необратимых
процессах
. Потеря
эксергии
означает
, что
вследствие
необратимости
дополнительное
количество
энергии
будет
передано
окружающей
среде
, где
она
имеет
нулевую
возможность
преобразования
ее
в
работу
.
Понятие
эксергии
дает
возможность
сопоставлять
различные
виды
энергии
по
их
ценности
с
точки
зрения
получения
работы
за
их
счет
, а
понятие
потери
эксергии
позволяет
судить
о
термодинамическом
совершенстве
процессов
преобразования
энергии
. Показателем
термодинамического
совершенства
процесса
служит
эксергетический
коэффициент
полезного
действия
:
1
2
0
2
1
s
s
T
e
e
e
сис
s
T
e
0
сис
s
затр
пол
ex
e
e
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Полученная
эксергия
может
быть
или
равна
затраченной
(
в
обратимом
процессе
), или
меньше
нее
на
значение
потерь
Δ
e
. Поэтому
эксергетический
КПД
можно
представить
как
Эксергетический
КПД
применим
для
анализа
совершенства
любых
процессов
и
теплотехнических
устройств
. Так
, можно
говорить
об
эксергетическом
КПД
цикла
, комбинированной
установки
для
выработки
электричества
и
теплоты
в
целях
теплофикации
, теплообменного
аппарата
, тепловой
изоляции
и
др
. В
частности
, применим
его
для
оценки
совершенства
обратимого
цикла
Карно
(
рис
.6).
Из
графического
представления
этих
составляющих
в
sT
-
диаграмме
(
рис
.6)
ясно
, что
кпд
= 1. Таким
образом
, эксергетический
КПД
любого
обратимого
цикла
равен
единице
. затр
сис
ex
e
s
T
0
1
Рис
. 6
. и
ц
K
ex
s
T
q
l
0
1
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[ [ 1. 1. ЦИКЛ
ЦИКЛ
РЕНКИНА
РЕНКИНА
]
]
Паротурбинные
установки
(
ПТУ
) составляют
основу
современной
энергетики
. Они
применяются
как
на
обычных
тепловых
, так
и
на
атомных
электростанциях
. Работа
их
базируется
на
осуществлении
прямого
термодинамического
цикла
преобразования
теплоты
, полученной
при
сгорании
топлива
или
в
результате
ядерной
реакции
, в
работу
турбины
(
а
затем
в
электроэнергию
) с
использованием
в
качестве
рабочего
тела
воды
и
ее
пара
.
Эффективность
работы
паротурбинной
установки
зависит
от
конфигурации
осуществляемого
термодинамического
цикла
, параметров
используемого
водяного
пара
и
качества
изготовления
каждого
из
ее
агрегатов
. В
этой
главе
рассмотрим
влияние
этих
факторов
.
Схема
простой
паротурбинной
установки
показана
на
рис
.1. В
этой
установке
перегретый
водяной
пар
, приготовленный
в
паровом
котле
ПК
, с
давлением
p
1
и
температурой
t
1
поступает
на
вход
паровой
турбины
T
. Здесь
кинетическая
энергия
водяного
пара
, приобретенная
им
при
адиабатном
расширении
в
соплах
, на
рабочих
лопатках
преобразуется
в
механическую
работу
турбинного
вала
, а
затем
с
помощью
соединенного
с
ним
электрического
генератора
Г
-
в
электроэнергию
. По
выходе
из
турбины
влажный
пар
с
давлением
p
2
поступает
в
конденсатор
К
, где
, отдавая
теплоту
охлаждающей
воде
, полностью
конденсируется
при
постоянном
давлении
.
Рис
. 1. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Получившаяся
вода
в
насосе
Н
адиабатно
сжимается
до
давления
p
2
и
подается
в
котел
, в
котором
она
, получая
теплоту
от
горячих
газообразных
продуктов
сгорания
топлива
, нагревается
при
постоянном
давлении
до
кипения
и
испаряется
, а
образовавшийся
пар
перегревается
до
первоначальной
температуры
t
1
. Таким
образом
цикл
замыкается
, а
полученный
перегретый
пар
снова
направляется
в
турбину
, и
цикл
повторяется
.
На
рис
.2
-
4 цикл
, совершаемый
водой
и
водяным
паром
в
паротурбинной
установке
, представлен
в
различных
термодинамических
диаграммах
. При
построении
их
принято
, что
цикл
является
идеальным
обратимым
, т
.
е
. все
составляющие
его
процессы
обратимы
. В
нем
теплообмен
между
рабочим
телом
и
источниками
теплоты
осуществляется
при
бесконечно
малой
разности
температур
, в
каждом
процессе
отсутствуют
отсутствует
трение
.
Рис
. 2
. Рис
. 3
. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
На
всех
этих
диаграммах
линия
1
-
2 представляет
процесс
обратимого
адиабатного
расширения
пара
в
турбине
, являющийся
в
этом
случае
, процессом
изоэнтропным
. Линия
2
-
2' соответствует
изобарному
(
а
в
двухфазной
области
он
является
и
изотермическим
) процессу
отвода
теплоты
q
2
при
конденсации
влажного
пара
. Обратимый
адиабатный
(
т
.
е
. тоже
изоэнтропный
) процесс
сжатия
воды
в
насосе
представлен
линией
2'
-
3, а
все
последующие
стадии
подвода
теплоты
q
1
для
получения
перегретого
пара
в
котле
(
нагрев
воды
до
кипения
, парообразование
, перегрев
) изображаются
различными
участками
изобары
3
-
1. Цикл
, состоящий
из
двух
адиабат
и
двух
изобар
, называется
циклом
Ренкина
.
Эффективность
преобразования
теплоты
в
работу
в
обратимом
цикле
характеризуется
термическим
КПД
, определяемым
по
формуле
:
Данное
выражение
характеризует
термический
КПД
цикла
.
Все
процессы
, составляющие
цикл
паротурбинной
установки
, происходят
в
потоке
вещества
. Поэтому
при
анализе
их
следует
применять
уравнение
первого
закона
термодинамики
для
потока
и
работы
турбины
и
насоса
рассматривать
как
техническую
работу
.
Рис
. 4
. 1
1
q
l
l
q
l
ц
т
ц
t
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
В
этом
случае
работа
процесса
адиабатного
расширения
пара
в
турбине
при
условии
неравенства
кинетической
энергии
его
на
входе
в
турбину
и
выходе
из
неё
определяется
как
:
При
этом
же
условии
абсолютная
величина
работы
адиабатного
процесса
сжатия
воды
в
насосе
составит
:
Тогда
термический
КПД
цикла
Ренкина
может
быть
представлен
как
:
Значение
энтальпий
, входящих
в
эту
формулу
, могут
быть
найдены
с
помощью
таблиц
термодинамических
свойств
воды
и
водяного
пара
. Отметим
также
, что
работу
сжатия
воды
в
насосе
приближенно
можно
вычислить
, считая
воду
малосжимаемой
жидкостью
.
2
1
h
h
l
т
2
3
h
h
l
н
3
1
2
3
2
1
h
h
h
h
h
h
t
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[ [ 2. 2. ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ
ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ
ЦИКЛ
ЦИКЛ
ПАРОТУРБИННОЙ
ПАРОТУРБИННОЙ
УСТАНОВКИ
УСТАНОВКИ
]
]
Термический
КПД
обратимого
цикла
Ренкина
характеризует
максимальную
степень
преобразования
теплоты
в
работу
в
этом
цикле
. В
действительности
же
все
процессы
цикла
неизбежно
сопровождаются
некоторыми
потерями
. Из
них
прежде
всего
следует
учесть
потери
вследствие
трения
при
течении
потока
пара
в
соплах
и
на
лопатках
турбины
, а
также
при
сжатии
воды
в
насосе
. При
наличии
трения
эти
процессы
являются
необратимыми
и
, следовательно
, весь
цикл
становиться
необратимым
.
Рис
. 5. Рис
. 6. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Работа
пара
в
турбине
в
необратимом
процессе
:
Поэтому
потеря
работы
из
-
за
необратимости
составляет
:
Эта
величина
на
диаграмме
(
рис
.7.) представлена
вертикальным
отрезком
, в
на
рис
.5 -
площадью
заштрихованной
фигуры
2 –
2
д
–
a –
b –
2
.
Из
sT
–
диаграммы
также
видно
, что
эта
величина
равна
увеличению
количества
теплоты
, отдаваемой
паром
при
конденсации
в
конденсаторе
.
Если
состояние
2
д
находится
в
области
влажного
пара
, а
процесс
конденсации
его
протекает
при
температуре
окружающей
среды
, то
потеря
работы
в
турбине
совпадает
с
потерей
эксергии
пара
и
представлена
в
sT
–
диаграмме
площадью
той
же
заштрихованной
фигуры
2 –
2
д
–
a –
b –
2
.
Рис
. 7. д
д
т
h
h
l
2
1
2
2
h
h
l
l
l
д
д
т
т
т
2
2
2
0
s
s
T
s
T
e
д
сис
т
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
При
необратимом
процессе
сжатия
воды
в
насосе
абсолютная
величина
затрачиваемой
работы
:
и
дополнительная
затрата
работы
составляет
:
а
потеря
эксергии
определяется
как
:
В
качестве
показателя
эффективности
преобразования
теплоты
в
работу
для
необратимого
цикла
используется
внутренний
(
абсолютный
) КПД
, представляющий
собой
аналог
термического
КПД
, но
в
формулу
для
определения
которого
входят
теплота
и
работа
, характерные
для
необратимых
процессов
:
2
3
h
h
l
д
д
н
3
3
h
h
l
l
l
д
н
д
н
н
3
3
0
s
s
T
e
д
н
д
д
д
д
д
н
д
т
д
д
ц
t
h
h
h
h
h
h
q
l
l
q
l
3
1
2
3
2
1
1
1
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Характеристикой
необратимости
реальных
процессов
, протекающих
в
различных
устройствах
, является
внутренний
относительных
КПД
. Для
турбины
он
определяется
как
:
и
для
современных
турбин
его
значение
составляет
0,85 –
0,91. Внутренний
относительный
КПД
насоса
:
Параметры
состояний
рабочего
тела
, достигающихся
в
результате
необратимых
процессов
, можно
найти
, зная
внутренний
относительный
КПД
данного
устройства
. Так
, энтальпия
воды
после
её
необратимого
сжатия
в
насосе
находится
как
Следует
отметить
, что
доля
мощности
, затрачиваемой
на
привод
насоса
, составляет
1 –
1,5% мощности
турбины
.
2
1
2
1
0
h
h
h
h
l
l
д
т
д
т
т
i
2
3
2
3
0
h
h
h
h
l
l
д
н
д
н
н
i
н
i
д
h
h
h
h
0
2
3
2
3
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[ [ 3. 3. ВЛИЯНИЕ
ВЛИЯНИЕ
ПАРАМЕТРОВ
ПАРАМЕТРОВ
ВОДЯНОГО
ВОДЯНОГО
ПАРА
ПАРА
НА
НА
ЭКОНОМИЧНОСТЬ
ЭКОНОМИЧНОСТЬ
ЦИКЛА
ЦИКЛА
ПТУ
ПТУ
]
]
Рассматривая
эффективный
КПД
паротурбинной
установки
, можно
заметить
, что
наиболее
существенно
на
него
влияет
внутренний
КПД
цикла
. Учитывая
, что
работа
насоса
составляет
лишь
1 -
2 % работы
турбины
, приближенно
внутренний
КПД
цикла
определяется
значением
термического
КПД
цикла
.
При
анализе
обратимых
циклов
весьма
полезно
использование
понятия
средней
температуры
подвода
(
отвода
) теплоты
, с
помощью
которого
термический
КПД
любого
обратимого
цикла
можно
представить
в
виде
формулы
теоремы
Карно
.
Применим
это
выражение
для
анализа
зависимости
термического
КПД
от
начального
давления
водяного
пара
p
1
при
неизменных
начальной
температуре
T
1
и
конечном
давлении
p
2
пара
.
Рис
. 8. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Существуют
оптимальные
параметры
повышения
давления
свежего
пара
перед
турбиной
, а
также
параметры
пара
в
конце
процесса
его
расширения
. Поиск
оптимальных
параметров
изображён
на
рисунке
10.
Рис
. 9. Рис
. 10. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Рассмотрим
далее
влияние
начальной
температуры
пара
на
КПД
цикла
ПТУ
. Очевидно
, что
при
повышении
начальной
температуры
пара
повышается
и
средняя
температура
подвода
теплоты
, что
при
неизменных
значениях
начального
давления
и
давления
в
конденсаторе
приводит
к
увеличению
термического
КПД
цикла
. Кроме
того
, это
в
противоположность
рассмотренному
ранее
влиянию
начального
давления
смещает
процесс
расширения
пара
в
турбине
в
область
более
высоких
значений
степени
сухости
пара
(
рис
. 11), что
приводит
к
увеличению
внутреннего
относительного
КПД
турбины
, а
следовательно
, и
внутреннего
КПД
цикла
возможность
повышения
начального
давления
пара
. Совокупность
давления
и
температуры
начального
состояния
пара
, при
адиабатном
расширении
из
которого
конечная
влажность
пара
не
превышает
10 -
12 %, называют
сопряженными
параметрами
.
Рис
. 11. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Таким
образом
, увеличение
начальной
температуры
пара
является
эффективным
методом
повышения
экономичности
цикла
ПТУ
. В
реальных
установках
предел
повышения
температуры
ограничивается
температуростойкостью
металлов
, применяемых
для
изготовления
высокотемпературных
частей
агрегатов
–
пароперегревателя
котла
, главного
паропровода
, головной
части
турбины
.
Изменение
термического
КПД
цикла
ПТУ
в
зависимости
от
начальных
параметров
пара
в
интервалах
температур
и
давлений
, используемых
в
промышленности
, показано
на
рис
.12.
Термический
КПД
цикла
паротурбинной
установки
существенно
зависит
от
давления
пара
в
конденсаторе
, поскольку
оно
определяет
температуру
конденсации
пара
, которая
является
средней
температурой
отвода
теплоты
в
цикле
. При
уменьшении
давления
p
2
до
p
2
а
(
рис
.13) температура
конденсации
пара
, понижаются
и
термический
, а
также
и
внутренний
КПД
цикла
возрастают
. Пример
изменения
термического
КПД
цикла
в
зависимости
от
давления
в
конденсаторе
приведен
на
рис
.14.
Рис
. 12. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Давление
пара
в
конденсаторе
всегда
следует
снижать
до
минимального
возможного
значения
, которое
определяется
температурой
воды
, охлаждающей
конденсатор
, зависящей
, в
свою
очередь
, от
условий
окружающей
среды
и
системы
водоснабжения
(
река
, пруд
-
охладитель
, градирни
и
др
.). Оно
зависит
также
от
площади
поверхности
конденсатора
, расхода
охлаждающей
воды
и
принятой
разности
температур
конденсирующегося
пара
и
охлаждающей
воды
. Рис
. 1
3
. Рис
. 1
4
. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[ [ 4. 4. ЦИКЛ
ЦИКЛ
ПАРОТУРБИННОЙ
ПАРОТУРБИННОЙ
УСТАНОВКИ
УСТАНОВКИ
С
С
ВТОРИЧНЫМ
ВТОРИЧНЫМ
ПЕРЕГРЕВОМ
ПЕРЕГРЕВОМ
ПАРА
ПАРА
]
]
В
предыдущих
главах
было
показано
, что
возможность
повышения
термического
КПД
цикла
Ренкина
за
счёт
увеличения
начального
давления
пара
ограничивается
требованием
не
превышать
предельное
значение
влажности
пара
в
конце
расширения
в
турбине
по
условию
безопасности
её
работы
. Этого
можно
избежать
, изменив
конфигурацию
цикла
введением
вторичного
перегрева
пара
при
некотором
промежуточном
давлении
.
Рис
. 15. Рис
. 16. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
На
sT
-
диаграмме
(
рис
.
16
) можно
видеть
, что
влажность
пара
в
последних
ступенях
турбины
(
точка
2) намного
меньше
, чем
была
бы
при
отсутствии
вторичного
перегрева
пара
(
точка
с
), и
процесс
перемещается
в
более
безопасную
область
состояний
пара
. Это
также
способствует
улучшению
внутреннего
относительного
КПД
турбины
. Влажность
пара
в
конце
его
расширения
в
турбине
зависит
теперь
от
его
состояния
после
вторичного
перегрева
(
точка
b
), а
не
от
начальных
параметров
p
1
и
T
1
что
позволяет
выбирать
их
оптимальные
значения
, не
ориентируясь
на
конечную
влажность
пара
. В
частности
, это
позволяет
использовать
высокие
начальные
давления
пара
, в
том
числе
и
сверхкритические
. Именно
такой
цикл
представлен
на
рис
.
16
.
Термический
КПД
цикла
со
вторичным
перегревом
пара
может
быть
вычислен
как
:
В
зависимости
от
начального
давления
перед
цилиндром
низкого
давления
, при
котором
производится
вторичный
перегрев
пара
, он
может
быть
большим
или
меньшим
, чем
КПД
цикла
без
вторичного
перегрева
.
Выражение
для
термического
КПД
сложного
цикла
:
a
b
b
а
н
ЦНД
ЦВД
t
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
q
l
l
l
3
1
2
3
2
1
1
a
b
p
a
b
p
t
T
T
c
h
h
T
T
c
s
s
T
q
q
3
1
2
1
2
1
2
ln
1
1
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Рис
. 17. Рис
. 18. 0
a
T
a
t
T
t
опт
a
T
T
1
2
cp
опт
a
T
T
1
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
На
рисунке
19 представлен
действительный
необратимый
цикл
паротурбинной
установки
со
вторичным
перегревом
пара
. Внутренняя
необратимость
его
обусловлена
наличием
трения
в
процессах
расширения
пара
в
ЦВД
и
ЦНД
турбины
и
сжатия
воды
в
насосе
.
Применение
вторичного
перегрева
пара
позволяет
повысить
экономичность
паротурбинной
установки
на
4 -
5 %. Возможно
использование
и
двух
промежуточных
перегревов
пара
. Однако
еще
один
промежуточный
перегрев
пара
дает
дополнительную
возможность
повысить
экономичность
установки
всего
на
1 -
1,5% при
существенном
усложнении
ее
. Поэтому
применяется
он
достаточно
редко
на
установках
сверхкритических
начальных
параметров
пара
.
Внутренний
КПД
цикла
, изображённого
на
рисунке
19:
Рис
. 19. aд
b
д
н
i
ЦНД
i
b
ЦВД
i
а
д
д
ц
t
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
q
l
3
1
0
2
3
0
2
0
1
1
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[ [ 5. 5. РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ
РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ
ЦИКЛ
ЦИКЛ
ПАРОТУРБИННОЙ
ПАРОТУРБИННОЙ
УСТАНОВКИ
УСТАНОВКИ
]
]
В
результате
эксергетического
анализа
паротурбинной
установки
было
показано
, что
при
повышении
ее
экономичности
важную
роль
играет
уменьшение
внешней
необратимости
цикла
, обусловленной
большой
разностью
температур
при
передаче
теплоты
от
горячих
продуктов
сгорания
топлива
к
рабочему
телу
. Для
этого
следует
повышать
среднюю
температуру
воды
и
пара
в
процессе
подвода
теплоты
от
верхнего
теплового
источника
. В
то
же
время
в
цикле
Ренкина
(
рис
.20) имеется
участок
, где
теплота
от
горячих
газов
передается
воде
в
интервале
низких
температур
–
от
температуры
в
конденсаторе
, близкой
к
температуре
окружающей
среды
, до
температуры
насыщения
в
котле
, что
существенно
снижает
среднюю
температуру
подвода
теплоты
. Избежать
этого
можно
, если
нагревание
воды
в
этом
интервале
температур
осуществлять
не
за
счет
подвода
теплоты
от
верхнего
теплового
источника
(
горячих
газов
), а
за
счет
теплоты
, отводимой
от
того
же
рабочего
тела
(
пара
) на
другом
участке
цикла
. Такой
процесс
называется
регенерацией
теплоты
, а
цикл
, в
котором
он
используется
-
регенеративным
циклом
.
Рис
. 20. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
На
рис
.21 изображен
цикл
, осуществляемый
с
насыщенным
паром
, в
котором
нагрев
воды
за
счет
теплоты
, отбираемой
от
пара
, производится
вплоть
до
температуры
насыщения
. Такой
процесс
называется
предельной
регенерацией
. Процесс
расширения
пара
в
турбине
теперь
не
адиабатный
, так
как
наряду
с
совершением
работы
в
нем
происходит
отвод
теплоты
от
пара
к
нагреваемой
воде
. Для
того
, чтобы
цикл
был
обратимым
, этот
теплообмен
должен
осуществляться
при
равных
температурах
пара
и
воды
в
каждой
точке
процесса
. Это
означает
, что
теплоемкости
пара
и
воды
должны
быть
одинаковы
на
протяжении
всего
процесса
и
,
следовательно
, линии
3
-
4 и
1
-
2
г
на
диаграмме
(
рис
.21) должны
быть
эквидистанты
.
Рис
. 21. Рис
. 22. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
В
реальной
паротурбинной
установке
процесс
расширения
пара
с
отводом
теплоты
воде
не
может
быть
реализован
, так
как
турбина
состоит
из
ряда
ступеней
, в
которых
происходит
адиабатное
расширение
пара
. Он
может
быть
заменен
процессом
, в
котором
пар
после
адиабатного
расширения
в
ступени
турбины
направляется
в
теплообменник
, где
отдает
теплоту
воде
, затем
поступает
в
следующую
ступень
турбины
, где
расширяется
адиабатно
, снова
посылается
в
теплообменник
и
т
.
д
. Так
повторяется
до
тех
пор
, пока
не
будет
достигнуто
давление
, равное
давлению
в
конденсаторе
.
Такой
процесс
показан
на
рис
.23 в
виде
ступенчатой
линии
5 -
2
г
, вертикальные
отрезки
которой
соответствуют
адиабатному
расширению
пара
, а
горизонтальные
-
отдаче
теплоты
в
теплообменниках
. Очевидно
, что
такая
многократная
транспортировка
пара
из
турбины
в
теплообменники
и
назад
вызывала
бы
большие
конструктивные
трудности
. Более
того
, на
диаграмме
видно
, что
влажность
пара
в
конце
такого
процесса
была
бы
намного
больше
, чем
в
конце
адиабатного
расширения
(
точка
2 на
рис
.23), и
превышала
бы
допустимую
по
условиям
безопасности
работы
турбины
. Поэтому
такая
теоретическая
регенерация
не
реализуется
на
практике
.
В
реальных
установках
после
адиабатного
расширения
в
турбинной
ступени
только
часть
пара
направляется
в
регенеративный
подогреватель
, где
конденсируется
, отдавая
теплоту
воде
. Основная
же
часть
пара
продолжает
адиабатно
расширяться
в
следующей
ступени
, после
чего
снова
часть
пара
отбирается
для
регенеративного
подогрева
воды
. При
этом
возможны
две
схемы
, различающиеся
типами
применяемых
регенеративных
подогревателей
.
Рис
. 23. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
На
рис
.24 показана
схема
регенеративной
паротурбинной
установки
с
подогревателями
поверхностного
типа
. Здесь
отобранный
из
турбины
T
пар
конденсируется
в
подогревателе
на
внешней
поверхности
труб
, отдавая
теплоту
воде
, проходящей
внутри
труб
. Образовавшийся
конденсат
направляется
в
подогреватель
более
низкого
давления
, затем
в
следующий
и
так
по
каскадной
схеме
до
тех
пор
, пока
весь
конденсат
не
будет
введен
в
основной
поток
воды
. Доля
пара
α
i
, поступающая
в
каждый
регенеративный
подогреватель
,
определяется
из
его
теплового
баланса
, причем
давление
отборного
пара
выбирается
так
, чтобы
температура
его
конденсации
была
на
5
-
10 К
выше
, чем
температура
воды
на
выходе
из
подогревателя
.
На
рис
.
25
представлена
схема
паротурбинной
установки
с
двумя
регенеративными
смешивающими
подогревателями
. В
этом
случае
отобранный
из
турбины
пар
смешивается
с
водой
в
подогревателе
, нагревая
ее
до
температуры
насыщения
, соответствующей
давлению
этого
пара
. Поэтому
после
каждого
подогревателя
имеется
насос
, повышающий
давление
воды
до
давления
в
следующем
подогревателе
, а
после
последнего
(
по
ходу
воды
) подогревателя
-
питательный
насос
ПН
, подающий
воду
в
котел
.
Рис
. 24. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
На
рис
. 26
представлена
sT
-
диаграмма
такого
цикла
. Рассматривая
ее
, следует
иметь
в
виду
некоторую
условность
ее
построения
. Если
ранее
она
всегда
строилась
для
постоянной
массы
вещества
(
например
, для
1 кг
), то
в
данном
случае
изображенные
на
ней
процессы
относятся
к
различным
массам
воды
и
пара
. Это
надо
учитывать
, сопоставляя
количество
теплоты
, переданные
в
каком
-
либо
процессе
, с
представлением
их
в
виде
площадей
в
sT
-
диаграмме
.
Рис
. 2
5
. Рис
. 2
6
. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[ 6
[ 6
. . ЦИКЛ
ЦИКЛ
ПАРОТУРБИННОЙ
ПАРОТУРБИННОЙ
УСТАНОВКИ
УСТАНОВКИ
АЭС
АЭС
С
С
РЕАКТОРОМ
РЕАКТОРОМ
ВВЭР
ВВЭР
]
]
Атомные
электрические
станции
(
АЭС
) различаются
типами
применяемых
атомных
реакторов
, используемым
топливом
, замедлителями
нейтронов
, теплоносителями
, рабочими
телами
и
различными
конструктивными
составляющими
. Однако
в
итоге
для
преобразования
полученной
от
реактора
теплоты
в
электроэнергию
всегда
применяется
паротурбинная
установка
.
Особенности
получения
теплоты
от
реактора
, а
также
экономики
АЭС
, где
в
отличие
от
обычных
электростанций
затраты
на
топливо
составляют
лишь
малую
часть
себестоимости
вырабатываемой
электроэнергии
, приводят
к
тому
, что
чаще
всего
верхняя
граница
температурного
интервала
, в
котором
осуществляется
цикл
, намного
ниже
, чем
для
циклов
обычных
электростанций
. В
этих
условиях
становится
целесообразным
использование
цикла
с
влажным
паром
.
цикл
насыщенного
пара
1 –
2 –
3 –
4 –
1 цикл
перегретого
пара
1
а
–
2
а
–
3 –
5 –
1
а
Если
пар
при
входе
в
турбину
является
насыщенным
, то
при
дальнейшем
адиабатном
расширении
влажность
его
может
достичь
значения
, недопустимого
по
условиям
безопасности
работы
турбины
. Для
того
, чтобы
избежать
этого
, применяется
специальных
процесс
сепарации
пара
–
удаление
образовавшейся
жидкой
фазы
при
некотором
промежуточном
давлении
. Обычно
после
сепарации
пар
ещё
перегревают
.
Рис
. 27. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Имея
в
виду
все
эти
обстоятельства
, рассмотрим
цикл
паротурбинной
установки
АЭС
с
наиболее
широко
применяемым
в
России
реактором
ВВЭР
(
водо
-
водяной
энергетический
реактор
) рис
.28.
Данная
АЭС
является
двухконтурной
. В
первом
контуре
вода
, служащая
одновременно
и
замедлителем
, и
теплоносителе
, под
давлением
16,5 МПа
прокачивается
циркуляционным
насосом
ЦН
через
реактор
Р
. В
реакторе
она
нагревается
до
температуры
322 º
С
, более
низкой
, чем
температура
насыщения
при
этом
давлении
, равная
350 º
С
. Нагретая
вода
поступает
в
парогенератор
ПГ
, где
, отдавая
теплоту
воде
и
пару
второго
контура
, охлаждается
до
температуры
289 º
С
, после
чего
направляется
снова
в
реактор
.
Рис
. 28. Рис
. 29. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Насыщенный
пар
второго
контура
, приготовленный
в
парогенераторе
, имеет
давление
6,2 МПа
и
температуру
278 º
С
(
точка
1 в
sT
–
диаграмме
на
рис
.29). Основная
часть
его
поступает
в
цилиндр
высокого
давления
ЦВД
турбины
, в
котором
адиабатно
расширяется
до
промежуточного
давления
0,5 МПа
(
точка
2 на
рис
.29). В
этом
состоянии
влажный
пар
направляется
в
сепаратор
С
, где
отделяется
жидкая
фаза
, которая
передаётся
затем
в
подогреватель
питательной
воды
. Сухой
насыщенный
пар
с
параметрами
состояния
3 из
сепаратора
передаётся
в
паро
-
паровой
перегреватель
ПП
. Здесь
он
при
постоянной
давлении
перегревается
до
температуры
250 º
С
паром
с
параметрами
состояния
1, не
прошедшим
через
турбину
. Отдавая
теплоту
, этот
греющий
пар
конденсируется
, и
получившийся
конденсат
дренируется
в
подогреватель
питательной
воды
. Перегретый
же
пар
адиабатно
расширяется
в
цилиндре
низкого
давления
ЦНД
турбины
до
давления
в
конденсаторе
3 –
4 кПа
. Расход
греющего
пара
в
паро
-
паровой
перегреватель
:
Теоретическая
мощность
турбины
:
Термический
КПД
цикла
:
1
1
3
4
2
2
h
h
h
h
D
x
D
пп
5
4
2
1
2
h
h
x
h
h
D
N
т
7
1
1
5
4
2
1
2
h
h
D
h
h
x
h
h
D
t
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[ [ 7. 7. ТЕПЛОФИКАЦИОННЫЕ
ТЕПЛОФИКАЦИОННЫЕ
ЦИКЛЫ
ЦИКЛЫ
]
]
Как
было
показано
при
энергетическом
анализе
цикла
большое
количество
подведённой
в
нём
к
рабочему
телу
теплоты
отводится
нижнему
тепловому
источнику
, что
является
неизбежным
условием
выполнения
второго
закона
термодинамики
. В
конденсационной
паротурбинной
установке
эта
теплота
отводится
к
охлаждающей
конденсатор
воде
и
сбрасывается
в
окружающую
среду
. В
тоже
время
есть
потребность
в
теплоте
для
отопления
и
для
осуществления
ряда
производственных
процессов
. Для
этих
целей
не
может
быть
использована
вода
конденсатора
, имеющая
при
давлении
3 –
4 кПа
температуру
24 –
29 º
С
. Для
того
, чтобы
теплоту
использовать
теплоту
конденсирующего
пара
для
отопления
и
для
выработки
тепла
для
производственных
процессов
, давление
его
повышают
до
0,12 –
0,25 МПа
, что
позволяет
нагреть
циркулирующую
в
теплосети
воду
до
100 –
125 º
С
, а
если
этот
пар
используется
для
производственных
нужд
, то
давление
его
повышают
до
более
высоких
значений
. Турбину
в
этом
случае
называют
теплофикационной
турбиной
с
противодавлением
.
На
рисунке
30, 31 изображены
схема
паротурбинной
установки
и
sT
–
диаграмма
. В
этой
установке
приготовленный
в
паровом
котле
ПК
пар
поступает
в
турбину
Т
, где
при
адиабатном
расширении
производит
работу
, а
затем
, конденсируясь
, отдаёт
теплоту
тепловому
потребителю
. Полученный
конденсат
насосом
Н
подаётся
в
котёл
, где
в
изобарном
процессе
3 –
4 –
1 при
подводе
теплоты
снова
получает
пар
состояния
1. Очевидно
, что
при
повышении
давления
за
турбиной
термический
КПД
цикла
снизится
. Но
он
в
этом
случае
и
не
характеризует
работу
установки
, так
как
в
ней
теперь
получаются
два
полезных
продукта
–
работа
и
тепло
.
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
У
теплофикационной
установки
, имеющей
турбины
с
противодавлением
(
рис
.30), выработка
электроэнергии
жестко
связана
с
отпуском
теплоты
тепловому
потребителю
, так
как
расход
пара
через
турбину
может
быть
только
таким
, какой
нужен
для
выработки
теплоты
в
количестве
, заданном
тепловым
потребителем
. Поэтому
такие
установки
применяются
там
, где
тепловая
нагрузка
достаточно
постоянна
(
промышленный
потребитель
). Если
же
тепловое
потребление
значительно
изменяется
от
времени
года
(
системы
отопления
) или
других
факторов
, то
используются
теплофикационные
установки
турбины
с
регулируемым
отбором
пара
.
Рис
. 30. Рис
. 31. Рис
. 32. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Из
парового
котла
ПК
пар
поступает
в
турбину
Т
, в
которой
адиабативно
расширяется
до
давления
р
т
. При
этом
давлении
часть
пара
отбирается
в
сетевой
подогреватель
СП
воды
, циркулирующей
в
отопительной
сети
теплового
потребителя
ТП
, от
него
отводится
теплота
, используемая
для
нужд
теплофикации
. Оставшийся
пар
продолжает
адиабатное
расширение
в
турбине
до
давления
p
2
, поддерживаемого
в
конденсаторе
К
. Конденсат
пара
теплофикационного
отбора
с
параметрами
состояния
4 смешивается
с
конденсатом
, поступающим
из
конденсатора
. Получившийся
поток
с
параметрами
состояния
5 сжимается
насосом
Н
до
начального
давления
p
1
и
направляется
в
котёл
.
Рис
. 33. Рис
. 34. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Мощность
, развиваемая
теплофикационной
турбиной
, определяется
как
:
Количество
теплоты
, отданной
тепловому
потребителю
, составляет
:
Для
выработки
их
в
котле
к
воде
подводится
теплота
, рассчитываемая
по
формуле
:
где
энтальпия
h
5
находится
г
м
т
oi
т
т
э
h
h
D
h
h
D
D
N
3
1
2
1
4
3
h
h
D
Q
д
т
т
6
1
1
h
h
D
Q
д
н
l
h
h
5
6
D
h
D
D
h
D
h
т
т
2
4
5
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[ [ 8. 8. ЦИКЛЫ
ЦИКЛЫ
ГАЗОТУРБИННЫХ
ГАЗОТУРБИННЫХ
УСТАНОВОК
УСТАНОВОК
]
]
[
[
8.1. 8.1. Цикл
Цикл
газотурбинной
газотурбинной
установки
установки
со
со
сгоранием
сгоранием
топлива
топлива
при
при
постоянном
постоянном
давлении
давлении
]
]
Газотурбинная
установка
представляет
собой
двигатель
, в
котором
сгорание
топлива
происходит
непосредственно
в
рабочем
теле
цикла
, осуществляемого
в
потоке
газа
.
Принципиальная
схема
газотурбинной
установки
(
ГТУ
), в
которой
топливо
сгорает
при
постоянном
давлении
, приведена
на
рис
.35, а
осуществляемый
в
ней
обратимый
цикл
представлен
на
рисунках
36 и
37. В
этой
установке
воздух
из
окружающей
среды
, имеющий
давление
p
1
и
температуру
T
1
, поступает
на
вход
компрессора
К
, вращающегося
на
одном
валу
с
газовой
турбиной
Т
. В
компрессоре
воздух
адиабативно
сжимается
до
давления
p
2
, при
котором
подаётся
в
камеру
сгорания
КС
, куда
поступает
и
газообразное
или
жидкое
топливо
. Здесь
при
постоянном
давлении
происходит
сгорание
топлива
, вследствие
чего
температура
получившихся
газообразных
продуктов
сгорания
повышается
до
температуры
T
3
, достигающего
у
современных
установок
1200 –
1500 К
. При
этой
температуре
и
давлении
p
3
= p
2
газ
поступает
в
турбину
, где
при
адиабатном
расширении
до
атмосферного
давления
совершает
работу
, одна
часть
которой
затрачивается
на
привод
компрессора
, а
другая
–
на
привод
генератора
Г
, вырабатывающего
электроэнергию
. Из
турбины
газ
при
давлении
p
4
= p
1
выбрасывается
в
окружающую
атмосферу
, а
в
компрессор
забирается
из
атмосферы
новый
чистый
воздух
. При
термодинамическом
рассмотрении
цикла
обычно
не
учитывается
изменение
массы
рабочего
тела
при
сгорании
топлива
(
оно
невелико
и
составляет
около
2%), а
также
не
принимается
во
внимание
происходящее
при
этом
изменение
химического
состава
газа
и
все
расчёты
проводятся
по
отношению
к
1 кг
чистого
воздуха
. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Все
процессы
в
газотурбинной
установке
протекают
в
потоке
газа
.
1 –
2 –
a –
b –
1
(
рис
.36) –
техническая
работа
, затрачиваемая
на
сжатие
воздуха
в
компрессоре
;
3 –
4 –
b –
a –
3
(
рис
.36) –
техническая
работа
, полученная
в
турбине
;
1 –
2 –
3 –
4 –
1
(
рис
.36) –
полезная
работы
ГТУ
;
2 –
3 –
b –
a –
2
(
рис
.37) –
теплота
, подводимая
в
камере
сгорания
;
4 –
1 –
a –
b –
4
(
рис
.37) –
теплота
, отводимая
в
окружающую
среду
;
Рис
. 35. Рис
. 36. Рис
. 37. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Термический
КПД
цикла
для
ГТУ
может
быть
выражен
как
:
Для
анализа
зависимости
термического
КПД
от
характерных
параметров
цикла
ГТУ
, воспользуется
следующими
зависимостями
:
Приняв
постоянными
значения
теплоёмкости
и
показателя
адиабаты
, после
преобразования
получим
:
где
β
–
степень
повышения
давления
газа
в
компрессоре
.
Следовательно
, термический
КПД
цикла
ГТУ
зависит
только
от
степени
повышения
давления
β
и
не
зависит
от
температуры
газа
перед
турбиной
.
2
3
1
2
4
3
1
h
h
h
h
h
h
q
l
l
к
т
t
T
c
h
p
k
k
p
p
T
T
1
1
2
1
2
k
k
t
1
1
1
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Действительный
цикл
ГТУ
, в
котором
необратимые
из
-
за
наличия
трения
процессы
в
турбине
и
компрессоре
протекают
с
ростом
энтропии
, показан
на
рис
.38
Показателем
экономичности
такого
цикла
является
внутренний
КПД
:
внутренний
относительный
КПД
турбины
внутренний
относительный
КПД
компрессора
тогда
внутренний
КПД
цикла
д
д
д
д
д
к
д
т
д
д
ц
i
h
h
h
h
h
h
q
l
l
q
l
2
3
1
2
4
3
1
1
Рис
. 38. 4
3
4
3
h
h
h
h
l
l
д
т
д
т
т
oi
1
2
1
2
h
h
h
h
l
l
д
д
к
к
к
oi
д
к
oi
т
oi
i
h
h
h
h
h
h
2
3
1
2
4
3
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[
[
8.2. 8.2. Регенеративный
Регенеративный
цикл
цикл
ГТУ
ГТУ
]
]
На
примере
ПТУ
было
показано
, что
внешнюю
необратимость
цикла
можно
уменьшить
, применяя
регенерацию
теплоты
.
На
рис
.39 представлена
принципиальная
схема
регенеративной
ГТУ
, а
на
рис
.40 и
41 показан
её
предельный
регенеративный
цикл
. В
этой
установке
в
компрессоре
К
обратимое
адиабатное
сжатие
атмосферного
воздуха
производится
до
состояния
2, после
чего
он
направляется
в
регенератор
Р
, где
к
нему
при
постоянном
давлении
p
2
подводится
теплота
от
уходящих
из
турбины
Т
газов
.
Рис
. 39. Рис
. 40. Рис
. 41. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Нагретый
здесь
до
состояния
5 воздух
поступает
в
камеру
сгорания
КС
, а
охлаждённый
до
температуры
T
2
газ
выбрасывается
в
атмосферу
. В
камере
сгорания
при
изобарном
горении
топлива
подводится
теплота
q
1
и
образуются
газы
с
параметрами
состояния
3, которые
далее
поступают
в
турбину
и
в
процессе
обратимого
адиабатного
расширения
до
состояния
4 совершают
работу
, после
чего
, пройдя
регенератор
, выбрасываются
в
атмосферу
.
Выражение
для
термического
КПД
предельного
регенеративного
цикла
ГТУ
отличается
от
такового
для
простого
цикла
только
тем
, что
подвод
теплоты
q
1
рассматривается
в
нём
для
другого
диапазона
температур
:
Проанализировать
же
, что
изменяется
в
характере
зависимостей
этого
КПД
от
параметров
газа
, удобно
, снова
применив
выражение
его
через
средние
температуры
подвода
и
отвода
теплоты
. Из
диаграммы
цикла
(
рис
. 41) можно
заключить
, что
средняя
температура
подвода
теплоты
в
регенеративном
цикле
выше
, чем
в
простом
, а
средняя
температура
отвода
теплоты
ниже
(
в
отличие
от
регенеративного
цикла
ПТУ
). Оба
эти
фактора
ведут
к
тому
, что
термический
КПД
при
введении
регенерации
теплоты
увеличивается
. При
возрастании
температуры
газа
перед
турбиной
средняя
температура
подвода
теплоты
, повышается
, а
средняя
температура
отвода
теплоты
остается
неизменной
. Поэтому
, в
отличие
от
простого
цикла
, с
увеличением
температуры
газа
перед
турбиной
термический
КПД
регенеративного
цикла
возрастает
. 4
3
1
2
4
3
1
h
h
h
h
h
h
q
l
l
к
т
рег
i
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Если
же
при
постоянной
температуре
Т
3
увеличить
давление
газа
после
компрессора
(
цикл
1 -
2
а
-
5
а
–
За
-
4
а
-
6
а
-
1 на
рис
.42), то
снизится
Т
1
ср
и
повысится
Т
2
ср
. Поэтому
при
увеличении
степени
повышения
давления
β
термический
КПД
предельного
регенеративного
цикла
уменьшается
и
сокращается
интервал
температур
, в
котором
можно
осуществить
регенерацию
теплоты
, вплоть
до
ситуации
, когда
регенерация
будет
вообще
невозможна
.
Рис
. 42. Рис
. 43. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[
[
8.3. 8.3. Цикл
Цикл
ГТУ
ГТУ
с
с
многоступенчатым
многоступенчатым
сжатием
сжатием
воздуха
воздуха
и
и
расширением
расширением
газа
газа
]
]
Как
было
установлено
ранее
, в
ГТУ
значительная
доля
работы
затрачивается
на
сжатие
воздуха
в
компрессоре
. Поэтому
для
повышения
экономичности
ГТУ
следует
всемерно
стремиться
к
уменьшению
работы
компрессора
.
Работа
, затрачиваемая
на
сжатие
воздуха
в
компрессоре
, есть
техническая
работа
.
Очевидно
, что
она
будет
тем
меньше
, чем
меньше
удельный
объем
сжимаемого
воздуха
, который
, в
свою
очередь
, тем
меньше
, чем
ниже
его
температура
. С
этой
целью
, например
, в
тихоходных
поршневых
компрессорах
охлаждают
воздух
в
процессе
его
сжатия
в
цилиндре
. В
ГТУ
же
, где
применяются
ротационные
компрессоры
, охлаждение
воздуха
в
процессе
сжатия
невозможно
, процесс
в
них
протекает
адиабатно
и
сопровождается
значительным
ростом
температуры
воздуха
.
Рис
. 44. Рис
. 45. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Поэтому
уменьшить
затрачиваемую
работу
здесь
можно
только
, если
по
достижении
некоторого
промежуточного
давления
воздух
вывести
из
компрессора
в
теплообменник
, где
охладить
его
до
первоначальной
температуры
, а
затем
снова
направить
в
следующую
ступень
компрессора
для
продолжения
сжатия
.
В
то
же
время
на
примере
цикла
ПТУ
было
показано
, что
увеличить
среднюю
температуру
подвода
теплоты
в
цикле
и
работу
турбины
можно
, если
при
расширении
рабочего
тела
при
некотором
промежуточном
давлении
к
нему
подвести
дополнительное
количество
теплоты
. Это
должно
привести
к
повышению
КПД
цикла
.
Рассмотрим
, как
это
осуществляется
, на
примере
ГТУ
с
двухступенчатым
сжатием
воздуха
и
двухступенчатым
расширением
газа
, принципиальная
схема
которой
приведена
на
рис
.44. Действительный
цикл
этой
ГТУ
в
Т
,
s
-
диаграмме
представлен
на
рис
.45. Атмосферный
воздух
сначала
сжимается
необратимо
адиабатно
в
компрессоре
низкого
давления
КНД
до
состояния
2
д
при
промежуточном
давлении
р
2
. Затем
он
направляется
в
промежуточный
охладитель
ОХ
, где
при
постоянном
давлении
отдает
теплоту
охлаждающей
воде
и
температура
его
снижается
до
первоначальной
(
точка
3 на
рис
. 45). После
этого
в
компрессоре
высокого
давления
КВД
воздух
сжимается
адиабатно
необратимо
до
состояния
4
д
при
конечном
давлении
р
4
, с
которым
поступает
в
камеру
сгорания
высокого
давления
КСВД
, куда
подается
и
топливо
. При
изобарном
горении
топлива
здесь
образуются
продукты
сгорания
с
параметрами
состояния
5.
Адиабатное
необратимое
расширение
этого
газа
сначала
производится
в
турбине
высокого
давления
ТВД
до
давления
р
6
, с
которым
он
поступает
в
камеру
сгорания
низкого
давления
КСНД
, куда
также
подается
топливо
. В
продуктах
сгорания
после
КСВД
остается
еще
большое
количество
кислорода
, что
позволяет
провести
процесс
изобарного
горения
топлива
и
в
КСНД
, в
результате
чего
температура
рабочего
тела
повышается
до
Т
7
. Окончательное
расширение
газа
до
атмосферного
давления
происходит
в
турбине
низкого
давления
ТНД
, и
с
параметрами
состоянии
8
д
, он
выбрасывается
в
атмосферу
.
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Работа
такой
ГТУ
определяется
как
разность
работ
двух
турбин
и
двух
компрессоров
:
а
подведённая
теплота
–
как
сумма
теплот
, подведённых
в
двух
камерах
сгорания
:
Тогда
формула
для
внутреннего
КПД
цикла
принимает
вид
:
Важной
задачей
при
расчете
многоступенчатого
цикла
является
выбор
промежуточных
давлений
при
сжатии
воздуха
и
при
расширении
газа
. Подойти
к
ее
решению
при
выборе
промежуточных
давлений
сжатия
в
компрессорах
можно
следующим
образом
.
д
КНД
д
КВД
д
ТНД
д
ТВД
д
ГТУ
l
l
l
l
l
д
КСНД
д
КСВД
д
q
q
q
1
д
д
д
д
д
д
д
д
ГТУ
мн
i
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
h
q
l
6
7
4
5
3
4
1
2
8
7
6
5
1
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[ [ 9. 9. ЦИКЛЫ
ЦИКЛЫ
ПАРОГАЗОВЫХ
ПАРОГАЗОВЫХ
УСТАНОВОК
УСТАНОВОК
]
]
[
[
9.1. 9.1. Причины
Причины
применения
применения
комбинированных
комбинированных
циклов
циклов
]
]
Проведенное
рассмотрение
термодинамических
циклов
паротурбинных
и
газотурбинных
установок
показывает
, что
оба
эти
типа
основных
энергетических
машин
имеют
существенно
более
низкую
экономичность
, чем
та
, которая
теоретически
может
быть
достигнута
при
применяющихся
в
этих
установках
источниках
теплоты
. Другими
словами
, эксергия
топлива
используется
в
этих
установках
далеко
не
полностью
и
эксергетический
КПД
их
невысок
.
Рассматривая
перспективы
повышения
экономичности
энергетических
установок
, в
качестве
очевидного
можно
назвать
путь
повышения
параметров
(
прежде
всего
начальной
температуры
) рабочего
вещества
, используемого
в
циклах
этих
установок
. Прогресс
в
этом
направлении
зависит
от
успехов
в
создании
новых
жаростойких
материалов
и
в
конструировании
основных
агрегатов
установок
. В
то
же
время
, рассмотрев
область
температур
, освоенную
промышленностью
, можно
указать
способ
повышения
полноты
использования
топлива
. Он
состоит
в
том
, чтобы
в
заданном
интервале
температур
использовать
не
просто
один
из
этих
циклов
, а
совокупность
двух
связанных
между
собой
общим
тепловым
потоком
циклов
. В
таких
комбинированных
циклах
существует
возможность
сочетать
разные
виды
циклов
или
разные
рабочие
вещества
, используя
преимущества
каждого
из
них
в
своей
области
температур
.
Эффективность
любого
цикла
определяется
его
конфигурацией
, т
.
е
. совокупностью
составляющих
его
процессов
. К
сожалению
, до
сих
пор
не
удалось
найти
рабочее
вещество
, свойства
которого
как
при
высоких
температурах
, так
и
при
температурах
, близких
к
температуре
окружающей
среды
, позволяли
бы
организовать
процессы
, наиболее
желательные
с
точки
зрения
достижения
высокого
термического
КПД
цикла
.
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Так
, например
, свойства
воды
позволяют
весьма
эффективно
и
просто
организовать
отдачу
теплоты
в
цикле
при
температурах
, близких
к
температуре
окружающей
среды
, в
изобарно
-
изотермическом
процессе
конденсации
пара
при
достаточно
легко
поддерживаемых
давлениях
в
конденсаторе
, равных
2 -
4 кПа
. В
то
же
время
подвод
теплоты
в
пароводяном
цикле
характеризуется
средней
температурой
, намного
отличающейся
от
максимальной
(500 –
600 °
С
). Связано
это
с
тем
, что
вода
имеет
достаточно
низкую
критическую
температуру
(374 °
С
) и
подвод
теплоты
при
высоких
температурах
производится
к
перегретому
или
сверхкритическому
пару
, форма
изобар
которого
такова
, что
повышение
максимальной
температуры
незначительно
увеличивает
среднюю
температуру
и
соответственно
термический
КПД
цикла
.
Рис
. 46. Рис
. 47. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
В
газотурбинной
установке
рабочее
тело
-
воздух
нагревается
непосредственно
при
сжигании
топлива
, что
упрощает
задачу
создания
оборудования
и
достижения
высоких
температур
(
вплоть
до
1100 -
1300 °С
). В
то
же
время
отдача
теплоты
в
цикле
на
изобаре
от
газообразных
неконденсирующихся
продуктов
сгорания
должна
происходить
в
широком
диапазоне
температур
, значительно
более
высоких
, чем
температура
окружающей
среды
. Естественно
, что
это
существенно
снижает
термический
КПД
цикла
. Этот
недостаток
газов
как
рабочего
вещества
цикла
можно
в
некоторой
степени
компенсировать
применением
регенерации
. Однако
в
этом
случае
из
-
за
громоздкого
регенератора
ГТУ
теряет
многие
свои
привлекательные
качества
. Следовательно
, можно
заключить
, что
воздух
обладает
свойствами
, делающими
его
привлекательным
для
использования
в
высокотемпературной
части
цикла
, а
вода
-
для
применения
в
его
низкотемпературной
части
.
Комбинированные
парогазовые
установки
(
ПГУ
), в
которых
в
высокотемпературной
области
используется
газотурбинная
установка
, а
в
низкотемпературной
-
паротурбинная
, нашли
достаточно
широкое
распространение
в
современной
энергетике
. Существует
несколько
вариантов
совместного
использования
циклов
ГТУ
и
ПТУ
. Общим
для
всех
них
является
использование
теплоты
уходящих
газов
ГТУ
, температура
которых
, как
показано
ранее
, может
быть
очень
высокой
.
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[
[
9.2. 9.2. Цикл
Цикл
ПГУ
ПГУ
с
с
газоводяным
газоводяным
подогревателем
подогревателем
]
]
Комбинированная
установка
включает
в
себя
ГТУ
с
компрессором
К
(
рис
.48), камерой
сгорания
КС
, газовой
турбиной
ГТ
и
ПТУ
с
паровым
котлом
ПК
, паровой
турбиной
ПТ
, конденсатором
Кн
и
регенеративными
подогревателями
питательной
воды
РП
(
на
схеме
показан
один
из
них
). Кроме
этого
, имеется
газоводяной
подогреватель
ГВП
питательной
воды
, который
установлен
параллельно
регенеративным
подогревателям
. Этот
подогреватель
является
общим
элементом
комбинированной
установки
, так
как
в
нем
подогрев
питательной
воды
осуществляется
теплотой
уходящих
газов
ГТУ
перед
выбросом
их
в
атмосферу
.
Рис
. 48. Рис
. 49. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
В
случае
остановки
ГТУ
по
тем
или
иным
причинам
ГВП
клапанами
Кл
-
3 отключается
от
схемы
ПТУ
и
питание
котла
водой
производится
через
регенеративные
подогреватели
.
Действительный
цикл
комбинированной
установки
в
Т
,
s диаграмме
представлен
на
рис
.
49
. Здесь
цикл
1
–
2
д
–
3 -
4
д
–
5 –
1 есть
цикл
ГТУ
, в
которой
газ
после
расширения
в
турбине
(
точка
4
д
) при
атмосферном
давлении
охлаждается
в
ГВП
до
состояния
5, отдавая
теплоту
питательной
воде
цикла
ПТУ
, и
только
после
этого
отдает
теплоту
Q
2
г
окружающей
среде
. В
цикле
ПТУ
6 -
7
д
–
8 –
9 -
6 подогрев
питательной
воды
от
состояния
8 до
состояния
9 производится
в
ГВП
за
счет
теплоты
газа
ГТУ
, а
дальнейший
подвод
теплоты
Q
1
в
осуществляется
за
счёт
топлива
в
котле
. Таким
образом
, комбинированный
цикл
является
частично
бинарным
, т
.
е
. в
низкотемпературном
цикле
часть
теплоты
(
та
, что
подводится
в
ГВП
) получена
из
высокотемпературного
цикла
, а
остальная
часть
–
от
продуктов
сгорания
топлива
.
Величина
кратности
циркуляции
воздуха
:
Внутренний
КПД
комбинированного
цикла
можно
определить
как
5
4
8
9
h
h
h
h
m
д
9
6
2
3
7
6
1
2
4
3
1
1
h
h
h
h
m
h
h
h
h
h
h
m
Q
Q
l
ml
д
д
д
д
в
г
д
ПТУ
д
ГТУ
ПГУ
i
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
[
[
9.3. 9.3. Цикл
Цикл
ПГУ
ПГУ
с
с
котлом
котлом
-
-
утилизатором
утилизатором
]
]
В
газовой
части
ПГУ
с
котлом
-
утилизатором
(
рис
.50) атмосферный
воздух
, сжатый
компрессором
К
, поступает
в
камеру
сгорания
КС
, где
к
нему
при
сжигании
топлива
подводится
теплота
, и
далее
адиабатно
расширяется
в
газовой
турбине
ГТ
, производя
работу
, которая
используется
для
вращения
компрессора
и
генератора
. Уходящие
из
турбины
газы
направляются
в
топку
котла
-
утилизатора
КУ
.
Рис
. 50. Рис
. 51. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Содержание
кислорода
в
этих
газах
может
составлять
12 -
17%, и
они
могут
использоваться
вместо
воздуха
для
сжигания
вводимого
в
топку
топлива
и
дополнительного
подвода
теплоты
. Однако
в
лучших
современных
ГТУ
, в
которых
температура
газов
перед
турбиной
составляет
1100 -
1250 °С
, температура
уходящих
газов
может
достигать
480 -
570 °С
. Это
позволяет
получать
пар
в
котле
-
утилизаторе
высоких
параметров
и
без
дополнительного
подвода
теплоты
. Именно
такой
случай
продемонстрирован
на
Ts
-
диаграмме
цикла
, представленной
на
рис
.
51
. Полученный
пар
поступает
в
паровую
турбину
ПТ
, после
адиабатного
расширения
в
ней
конденсируется
в
конденсаторе
Кн
, и
конденсат
насосом
снова
подается
в
котел
-
утилизатор
.
Таким
образом
, и
ГТУ
и
ПТУ
работают
по
обычным
своим
циклам
. На
схеме
(
рис
.
50
) обе
установки
представлены
в
простейших
их
вариантах
. Реально
в
схемах
ГТУ
используются
многоступенчатые
сжатие
и
расширение
газа
, а
в
схемах
ПТУ
—
вторичный
перегрев
пара
и
регенеративный
подогрев
питательной
воды
паром
, отбираемым
из
турбины
. Объединение
же
их
в
единую
парогазовую
установку
снижает
расход
топлива
за
счет
использования
теплоты
уходящих
после
газовой
турбины
газов
в
паровом
котле
.
Эффективный
КПД
комбинированной
установки
:
Степень
бинарности
цикла
:
.
.
1
.
.
1
.
.
1
.
.
1
.
.
1
.
.
1
.
.
1
1
у
к
с
к
ПТУ
е
у
к
ГТУ
е
с
к
ГТУ
е
с
к
у
к
с
к
ПТУ
ГТУ
ПГУ
e
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
L
L
.
.
1
.
.
1
.
.
1
у
к
с
к
с
к
Q
Q
Q
Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
Тогда
выражение
для
эффективного
КПД
комбинированного
цикла
:
Отсюда
следует
, что
при
данных
КПД
ГТУ
и
ПТУ
наивысший
КПД
ПГУ
получается
при
степени
бинарности
, равной
единице
. В
этом
случае
сжигание
топлива
в
котле
-
утилизаторе
не
производится
и
вся
работа
паротурбинной
части
комбинированной
установки
осуществляется
за
счет
использования
теплоты
уходящих
газов
ГТУ
. Графики
, приведенные
на
рис
.
52
, характеризуют
значения
эффективного
КПД
ПГУ
, которые
можно
получить
при
комбинировании
ГТУ
, имеющей
температуру
газа
перед
турбиной
t
3
= 1100 °С
и
эффективный
КПД
33 %, с
различными
ПТУ
. Жирная
линия
здесь
характеризует
значения
эффективного
КПД
, реально
достигнутые
в
действующих
ПГУ
. Из
рисунка
видно
, что
эффективный
КПД
ПГУ
достигает
50
-
53 %. Это
свидетельствует
о
том
, что
применение
ПГУ
с
котлом
-
утилизатором
является
весьма
перспективным
направлением
повышения
экономичности
энергетических
установок
.
ГТУ
е
ПТУ
е
ПТУ
е
ПГУ
e
1
Рис
. 52
. Н
.
Д
. Денисов
-
Винский
©
E
-
mail: denisov.vinskiy@yandex.ru
Курс
«
Общая
энергетика
»
, НОУ
ВПО
МИЭЭ
, 2010 год
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа