Начальные параметры и промежуточный перегрев пара, страница 2

Наиболее крупные теплофикационные турбоустановки также можно выполнять с промежуточным перегревом пара. Так, в СССР серийно изготовляют теплофикационные турбины типа Т-250-240 с промежуточным перегревом пара.

4.2. Зависимость тепловой экономичности конденсационных турбоустановок от начальных параметров пара

Установим зависимость КПД цикла Ренкина от начальных параметров пара. Рассмотрим сначала цикл сухого насыщенного пара, применяемый в настоящее время на АЭС. Коэффициент полезного действия цикла (брутто):

где H_a = h₀ – h_к.а — располагаемый теплоперепад пара (в обратимом адиабатном процессе), кДж/кг; h₀ и h_к.а — соответственно энтальпия пара перед турбиной и отработавшего пара после изоэнтропного расширения его в турбине; в данном случае h₀ = h¢¢, кДж/кг; Q₀ = h₀ – h¢_к — теплота, затрачиваемая в цикле; h¢_к — энтальпия конденсата на выходе из турбоустановки (равная в данном случае энтальпии питательной воды h_п.в паровых котлов), зависящая от давления в конденсаторе турбины p_к. Из h, S-диаграммы рабочего процесса пара в турбине видно, что по мере повышения начального давления пара теплоперепад H_а сперва возрастает, достигает максимального значения, затем уменьшается (рис. 4.1). Теплоперепад Н_а достигает максимума в точке, в которой касательная к пограничной кривой параллельна конечной изотерме (она же изобара) t_к = const (p_к = const).

Рис. 4.1. Процесс в h, S–диаграмме работы в турбине пара различных начальных параметров

Расход теплоты Q₀ также достигает максимума в точке, для которой начальное давление p₀ » 3,0 МПа, a h₀ = h¢¢ » 2804 кДж/кг. Точка пограничной кривой, отвечающая максимуму теплоперепада Н_а, в h, S-диаграмме находится левее точки максимума энтальпии сухого насыщенного пара h₀ = h¢¢, соответствуя более высокому начальному давлению пара и меньшему значению энтропии S.

Максимум КПД h_t не совпадает с максимумом теплоперепада Н_а: близ максимума H_а с дальнейшим повышением давления теплоперепад H_а уменьшается сравнительно медленно, а расход теплоты Q₀, прошедший максимум при более низком давлении, уменьшается относительно быстрее. Таким образом, при небольшом уменьшении числителя Н_а знаменатель Q₀ уменьшается быстрее, т.е. КПД h_t должен еще возрастать. В дальнейшем теплоперепад H_а будет снижаться быстрее, чем начальная энтальпия h₀, и КПД, пройдя через свое максимальное значение, будет уменьшаться. Условие максимума КПД нетрудно установить обычным образом, приравнивая нулю производную КПД, например, по энтропии:

.

Отсюда вытекает соотношение между величинами H_а и Q₀ в точке максимума КПД h_t, а именно

или, так как  и ,

Таким образом, условием максимума КПД h_t является равенство относительных изменений (уменьшения) теплоперепада H_а и расхода теплоты Q₀.

Расход теплоты Q₀ складывается из теплоперепада H_а и потери теплоты в холодном источнике , . Поэтому

где  — относительный располагаемый теплоперепад (работа пара) на единицу отработавшей теплоты. Величина э_к.а аналогична относительной (удельной) выработке электроэнергии на единицу теплоты, затрачиваемой на внешнего потребителя теплофикационной турбоустановкой. Как видно из формулы (4.5), КПД h_t и относительная выработка э_к.а изменяются в одном направлении. Из соотношения (4.4) следует:

.

Так, например, при h_t, равных 0,6; 0,5; 0,4, соответственно э_к.а равны 1,5; 1,0; 0,67 и т. д.

Расчеты подтверждают наличие максимума термического КПД цикла Ренкина сухого насыщенного пара при начальной температуре около 350°C и соответствующем начальном давлении пара 17,0 МПа (см. кривую а на рис. 4.2).

Снижение КПД цикла сухого насыщенного пара при повышении температуры от 350°C до критической около 374°C (и повышении давления от 17,0 МПа до критического — около 22,1 МПа) обусловливает сложную зависимость КПД цикла от параметров пара в околокритической области.