Схема простейшей паротурбинной установки тепловой электростанции. Влияние параметров пара на КПД цикла Ренкина

Изобразите в координатах T-S идеальный цикл ТЭС. Назовите термодинамические процессы, реализуемые в отдельных элементах ТЭС, укажите характеристики идеального цикла, приведите формулы для расчета КПД, эффективной работы, подведенного и отведенного тепла, сопоставьте цикл с циклом Карно, оцените влияние различных факторов на КПД ТЭС. Укажите основные отличия процессов реального цикла, какие характеристики используются для учета потерь энергии.

Схема простейшей паротурбинной установки тепловой электростанции изображена на рис. 1, а ее теоретический цикл в T-S диаграмме – на рис. 2.

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема цикла

Ренкина: I – парогенератор; II – турбина;                                    Рис. 2. Цикл Ренкина на T-S диаграмме.

III – электрогенератор; IV – конденсатор;

V – питательный насос.

1-2 – процесс адиабатного расширения пара в паровой турбине (совершение полезной внешней работы );

2-3 – изобарно-изотермический процесс конденсации отработанного пара (отвод теплоты  охлаждающей водой);

3-4 – адиабатный процесс сжатия конденсата питательным насосом до первоначального давления в парогенераторе с затратой подводимой извне работы ;

4-5 – изобарный процесс нагревания воды в котле до температуры кипения;

5-6 − изобарно-изотермический процесс парообразования;

6-1 − изобарный процесс перегрева пара в пароперегревателе.

Термический КПД цикла Ренкина может быть вычислен по формуле:

,   где

 (1) − теоретическая полезная внешняя работа, совершаемая 1 кг пара;

 − подводимая в цикл теплота;

− отводимая из цикла теплота;

− энтальпия пара в начале процесса расширения в турбине;

− энтальпия пара в конце процесса расширения;

,− энтальпии конденсата перед и после питательного насоса.

На T-S диаграмме (рис. 2)  определяется площадью 3'-4-5-6-1-2'-3',   − площадью 3'-3-2-2', а  − площадью 1-2-3-4-5-6-1.

С учетом формулы (1) термический КПД цикла Ренкина будет равен

  (2).

Сгруппировав в формуле (2) энтальпии, можно записать

,   где

− работа турбины, − работа насоса.

Термический КПД цикла Ренкина            также можно записать как

   (3),  где

,  − соответственно средняя температура подвода и отвода теплоты.

Для паротурбинных установок термодинамически наиболее выгодным является цикл Карно.

Его термический КПД определяется из выражения

,  где

,  − соответственно температуры подвода и отвода теплоты.

Однако практическое осуществление цикла Карно связано со значительными трудностями, хотя и реально возможно в области влажного пара (цикл 6-b-a-5 на рис.2). В этом цикле конденсация пара в изотермическом процессе b-a происходит не полностью, вследствие чего в последующем адиабатном процессе a-5 сжимается влажный пар, а не вода, как в цикле Ренкина. Сжатие пара, имеющего значительный большой начальный объем, требует специального компрессора, работающего с существенными затратами энергии на сжатие (значительной удельной работой сжатия ). Это значительно снижает общую экономичность установки и практически обеспечивает термодинамические преимущества цикла Ренкина.

Кроме того, необходимость осуществления цикла Карно только в области двухфазных состояний не позволяет иметь высокую начальную температуру пара, ограниченную критической температурой (точка К на рис.2), то есть не дает возможности получить достаточно большие   значения его термического КПД.

Влияние параметров пара на КПД цикла Ренкина.

1. Температура свежего пара Т₁.

Повышение температуры свежего пара приводит к повышению  экономичности теплового цикла. Повышение начальной температуры пара от Т₁ до (рис.3) приводит к возрастанию средней температуры подвода тепла при неизменной температуре отвода тепла и, соответственно, к увеличению термического КПД цикла. Дальнейший рост температуры при переходе от точки к точке  вызывает также увеличение средней температуры отвода тепла. Однако при этом средняя температура подвода тепла увеличивается несколько сильнее, чем средняя температура отвода тепла, и поэтому термический КПД цикла возрастает. Повышение начальной температуры можно рассматривать как присоединение к начальному тепловому циклу                1-2-3-4-5-6 дополнительного небольшого цикла с полезной работой 2 - 1 - - - 2 (заштрихованной на рис.). Помимо увеличения термического КПД, рост начальных параметров приводит к уменьшению           Рис. 3. Сравнение идеальных циклов с             конечной влажности пара (рис.3), что повышает          разными начальными  температурами        

пара.                                                                  

экономичность. Предел повышения начальной температуры определяется способностью металла выдерживать длительное время большие напряжения при высоких температурах.