Циклы паротурбинных установок. Цикл Ренкина на насыщенном паре. Цикл Ренкина на перегретом паре

Паротурбинные установки работают по циклу теплового двигателя. Они предназначены для преобразования тепловой энергии рабочего тела - пара - в механическую энергию вращения ротора турбины. Ротор энергетической турбины муфтой соединен с ротором генератора электрического тока, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую. Рассмотрим циклы паротурбинных установок.

1.  Цикл Ренкина на насыщенном паре

            Главным достоинством цикла Ренкина 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. 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:

а - b – нагрев воды до кипения при р₀=const;

b - 0 – парообразование при р₀=const и Т₀=const.

                        а)                                                                               б)

Рис.1. Цикл Ренкина на насыщенном паре (а) и схема установки,

работающей по циклу Ренкина (б)

ПК - паровой котел; Т- турбина; К – конденсатор; Н – насос;

Г – генератор электрического тока.

            Недостатком цикла Ренкина на насыщенном паре остается высокая степень влажности на выходе из турбины. Поэтому такой цикл применим только при низких начальных давлениях пара Р₀ (£   ) и неглубоком вакууме. Для практического использования в энергетике необходимо применить перегретый пар, что позволяет получить допустимые значения степени влажности (сухости) на выходе из турбины при значениях начальных параметров Р₀ до 9 МПа и t₀=530-540 ^оС.

2.  Цикл Ренкина на перегретом паре

Цикл Ренкина на перегретом паре состоит из процессов:

0-кt - адиабатное расширение пара в турбине, теоретически s₀=const;

0-к - действительный процесс расширения пара, с учетом потерь энергии в турбине;

к-к¢ - изобарный отвод теплоты в конденсаторе, конденсация пара при р_к=const;

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:

а-b – нагрев воды до кипения при р₀=const,

b-c – парообразование, изобарно-изотермический процесс при р₀=const и температуре насыщения Т₀^н =const, с-0 – перегрев пара при р₀=const.

                 а)                                                                                         б)

Рис.2. Схема паротурбинной установки, работающей по

циклу Ренкина (а), и цикл в Тs-диаграмме (б)

ПК - паровой котел;  Пе – пароперегреватель; Т- турбина; К – конденсатор;

н – насос; Г – генератор электрического тока; о.в. – охлаждающая вода

Рассмотрим идеальный цикл Ренкина на перегретом паре.

Процессы нагрева воды и парообразования, а также перегрева водяного пара в котле происходят при постоянном давлении, и поэтому теплота, передаваемая воде и пару полностью идет на повышение энтальпии. Для 1 кг рабочего тела количество подведенной теплоты

,                                                                                 (1)

где h₀ и h_a – энтальпии, соответственно в конечной и начальной точках процесса.

Это количество теплоты в Тs-диаграмме (рис.2, б) изображается в масштабе площадью а-b-с-0-s₀-s_к’-а под линией процесса подвода теплоты, ограниченной крайними ординатами и осью абсцисс (q=òTds).

Количество отведенного тепла

,                                                                         (2)

где h_кt и h_к’- энтальпии соответственно в конечной и начальной точках процесса. Тепло q₂ в Тs-диаграмме изображается площадью кt-к’-s_к’-s₀-кt.

Удельная работа цикла паротурбинной установки  равна разности подведенного и отведенного количества теплоты 

.

В Тs-диаграмме составляет в масштабе площадь а-b-с-0-кt-к’-а.

С другой стороны, работа цикла  равна разности работы турбины и работы насоса

l_ц = l_т – l_н .

В свою очередь, работа пара в турбине по (1.17)

.

Величина Н₀=h₀-h_кt называется располагаемым теплоперепадом турбины .

Работа, затраченная в насосе

.

Тогда работа цикла

.                                       (3)

Мощность, развиваемая рабочим телом в теоретическом процессе