Начальные параметры и промежуточный перегрев пара

Глава четвертая

НАЧАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ПЕРЕГРЕВ ПАРА

4.1. Общие положения

Под начальными параметрами пара понимают температуру и давление пара перед турбиной и соответствующие им параметры пара на выходе из паровых котлов. Паротурбинные электростанции на органическом топливе используют перегретый пар, состояние которого определяется температурой и давлением. В свою очередь давление пара однозначно определяет температуру насыщения. Таким образом, начальные параметры пара сводятся к двум температурам: перегретого и насыщенного пара. На атомных электростанциях используется в основном насыщенный пар. На АЭС с реакторами на быстрых нейтронах работают турбинные установки на перегретом паре. Слабо перегретый пар будет использован и на паротурбинных АЭС с уран-графитовыми реакторами новых типов. При работе на насыщенном паре начальные параметры характеризуются одной величиной — давлением (или температурой) пара.

Повышение начальных параметров пара, позволяющее увеличивать КПД цикла и располагаемый теплоперепад, является одним из основных источников экономии топлива на электростанциях. Технический прогресс на паротурбинных электростанциях в значительной мере проявлялся в повышении начальных параметров пара. Так, за прошедшие 50 лет начальное давление пара возросло с 1,5–2,0 до 23,5–24,5 МПа, т.е. в 12–16 раз, начальная температура — с 350 до 550°C, т.е. в 1,3 раза.

Энергетическую эффективность повышения начальной температуры пара можно иллюстрировать на примере идеального цикла Карно. Действительно, КПД цикла Карно

где T₀ — начальная и T_к — конечная температуры цикла, К, при которых теплота подводится к рабочему телу и отводится от него.

Конечная температура пара T_к современных крупных конденсационных турбоустановок изменяется в относительно нешироких пределах, от 295 до 310 К. Если принять Т_к = 300 К, то при T₀ = 600 и 800 К КПД цикла Карно  равен соответственно 0,50 и 0,625; при T₀ = 900 К . Таким образом, КПД цикла Карно сравнительно быстро возрастает с повышением начальной температуры пара.

Повышение начальной температуры пара, благоприятное также и в цикле Ренкина и в циклах, применяемых на паротурбинных ТЭС и АЭС, практически ограничивается прочностными и технологическими свойствами металлов, надежностью их в работе, а также экономическими условиями, их удорожанием с повышением температуры, в особенности при переходе от одного класса стали к другому, более совершенному. Так, до температур 725 К возможно применение углеродистых сталей; до температуры 825 К — слаболегированных сталей перлитного класса; до температур 870 и 900 К — соответственно сталей ферритно-мартенситного и аустенитного классов. Переход от каждого из этих классов стали к следующему более жаропрочному и жаростойкому сопровождается значительным повышением их стоимости — в 2–5 раз.

Необходимость перехода к другому классу стали зависит также от давления пара.

Повышение начального давления пара, как правило, способствует повышению КПД цикла водяного пара. Исключение составляет околокритическая область состояний пара, в которой может наблюдаться обратная зависимость — снижение КПД с ростом давления как насыщенного, так и перегретого пара при данной его температуре.

Термодинамически наиболее эффективно одновременное повышение начальной температуры и начального давления пара.

Если исходить из прочностных свойств металла, то при заданном классе (и марке) стали с повышением начальной температуры приходится снижать начальное давление пара, чтобы обеспечить необходимый уровень надежности оборудования. Такие парные значения начальной температуры и давления, например ,  и , , соответствующие одинаковой прочности оборудования, причем , а , можно назвать равнопрочными начальными параметрами пара.

Повышение начального давления пара (при данной температуре) позволяет наряду с возможным улучшением тепловой экономичности электростанции увеличить мощность оборудования при допустимых его размерах (габаритах). Увеличение плотности пара с повышением его давления позволяет существенно увеличить массовый его расход и совершаемую им работу в проточной части турбины, размеры которой ограничиваются конструктивными условиями.

Промежуточный перегрев пара позволяет осуществить дополнительный подвод теплоты к рабочему телу (водяному пару) и повысить его работоспособность. Тем самым частично компенсируется ограничение начальной температуры свежего пара по указанным выше причинам и повышается КПД цикла. Применение промежуточного перегрева пара на конденсационных паротурбинных установках способствует также снижению конечной влажности в последних ступенях турбины, повышению надежности и экономичности их работы.

Обычно применяется одноступенчатый промежуточный перегрев пара. Для особенно крупных энергоблоков при дорогом используемом топливе возможно применение двухступенчатого промежуточного перегрева пара. Такая схема применена на некоторых крупных энергоблоках в США.