Циклы энергетических установок. Циклы паротурбинных установок

1.12. ЦИКЛЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Здесь рассматриваются циклы энергетических установок, т.е. тепловых двигателей, предназначенные для получения электрической энергии.

Наибольшее распространение в энергетике получили паротурбинные и газотурбинные циклы, в которых в качестве двигателя применяются турбины. Турбиной называют двигатель ротационного типа, в котором тепловая энергия рабочего тела (пара или газа) преобразуется сначала в кинетическую энергию потока, а затем в механическую энергию вращения ротора турбины. Вал турбины муфтой соединен с ротором электрического генератора, так что образуется единый турбоагрегат. Преимущества турбин по сравнению с другими типами тепловых двигателей будут рассмотрены ниже.

1.12.1.Циклы паротурбинных установок

          Рабочим телом паротурбинных установок является водяной пар. Агрегатное и фазовое состояние рабочего тела изменяется в процессах цикла от жидкого до перегретого пара, включая состояния насыщения: кипящей воды, влажного и сухого насыщенного пара. Этим определяются особенности циклов паротурбинных установок.

Для анализа циклов используем Ts-диаграмму водяного пара.

1.12.1.1.Цикл Карно на водяном паре

Наиболее эффективным циклом теплового двигателя является цикл Карно, состоящий из адиабатных процессов расширения и сжатия и изотермических процессов подвода и отвода тепла. Удобство применения в качестве рабочего тела воды заключается в том, что на участке парообразования и конденсации пара, т.е. в области насыщения, изобарный процесс подвода или отвода тепла является одновременно изотермическим.

	Процессы цикла Карно на водяном паре: 1-2 – адиабатное расширение пара; 2-3 – изотермический и одновременно изобарный отвод теплоты; 3-4 – адиабатное сжатие; 4-1 – изотермический и одновременно изобарный подвод тепла. Состояния рабочего тела: 1 – сухой насыщенный пар при Р1 (х=1); 2,3 – влажный насыщенный пар при Р2; х3 >>х2 4 – кипящая вода при Р1.

 

Рис. 1.30. Цикл Карно на водяном паре

Однако использование в цикле Карно насыщенного водяного пара оказалось неосуществимым на практике по нескольким причинам.

1. Температура Т₁ в процессе подвода тепла ограничена температурой критической точки t_кр =374,15 ^оС, т.е. максимальное значение температуры на входе в турбину t₁ =350 ^оС.

2.Температура холодного источника Т₂ ограничена условиями теплообмена с окружающей средой и составляет t₂ =25 ^оС и выше.

3.Максимальное значение термического кпд, соответствующее этим температурам, составит

.

4.Расширение пара в турбине при указанных параметрах заканчивается в области очень высокой влажности (41%), что на практике недопустимо из-за эрозионного износа деталей и узлов турбины под действием капель влаги. Допустимая влажность составляет 12-14%.

5.Сжатие в компрессоре насыщенного пара происходит в еще более тяжелых условиях: влажность пара увеличивается в конце процесса сжатия до 100%. Такой процесс невозможно осуществить на практике из-за эрозионного износа деталей и узлов компрессора.

Шотландский инженер и физик У.Дж.Ренкин предложил заменить частичную конденсацию пара в процессе отвода тепла полной конденсацией. Тогда в процессе сжатия рабочее тело находится в состоянии жидкости и вместо компрессора используется насос. Такой цикл называется циклом Ренкина на насыщенном паре.

1.12.1.2. Цикл Ренкина на насыщенном паре

Паротурбинная установка, в которой реализуется цикл Ренкина, является основой современных тепловых и атомных электростанций.

          Главным достоинством цикла Ренкина по сравнению с циклом Карно является то, что сжатию подвергается жидкость и этот процесс можно осуществить в насосе. Поскольку вода малосжимаема, величина работы, затрачиваемой в насосе для повышения давления, незначительна.

Идеальный цикл Ренкина на насыщенном паре и схема установки показаны на рис.1.31. Цикл состоит из следующих процессов.

0-кt – адиабатное расширение пара в турбине, теоретически s₀=const; кt - к¢ - изобарный отвод теплоты в конденсаторе при р_к=const, при этом происходит конденсация пара; к¢- а – адиабатное повышение давления воды в насосе, теоретически s_к’=const;

а - 0 – изобарный подвод тепла к рабочему телу, р₀=const, в том числе: