Паросиловая установка с промежуточным перегревом пара



Цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара

Одним из путей снижения конечной влажности пара является применение промежуточного перегрева (рис. 11.10). После того как пар совершил работу в ступени турбины высокого давления, его направляют на дополнительный перегрев в парогенератор. Температура пара повышается, и он снова направляется в турбину, в её ступень низкого давления, где расширяется до p2 . На рис. 11.11 изображен цикл в p — v, T — s и i — s координатах. Процессы: 1–2¢ – адиабатное расширение пара в ступени турбины высокого давления; 2¢–1¢ – изобарный процесс перегрева пара; 1¢–2 – адиабатное расширение пара в ступени турбины низкого давления; 2–3 – изобарно-изотермический процесс конденсации пара (отвода теплоты); 3–4 – адиабатное сжатие воды насосом; 4–5–6–1 – изобарный процесс подвода теплоты в парогенераторе и превращение воды в перегретый пар. В этом цикле:

Промежуточный перегрев пара ведёт не только к понижению влажности пара на последних ступенях турбины, но и, при правильном выборе давления промежуточного перегрева, увеличивает ht . На паросиловых установках применяется не только однократный, но и двукратный перегрев пара.

Регенеративный цикл

Как уже отмечалось выше, регенерация используется для повышения ht. В паросиловых установках регенерация осуществляется с помощью теплообменных аппаратов, которые могут быть поверхностного или смешивающего типа. В поверхностных теплообменных аппаратах нагреваемая вода и отдающий теплоту пар разделены поверхностью теплообмена, а в смешивающих вода и пар перемешиваются. На рис. 11.12 приведена схема паросиловой установки с двумя регенеративными отборами и теплообменными аппаратами смешивающего типа.

Цикл паросиловой установки, строго говоря, нельзя изобразить в p-v, T-s или i-s координатах, так как эти диаграммы строятся для постоянного количества рабочего тела, тогда как в регенеративном цикле количество пара оказывается различным по длине проточной части турбины. Изобразим этот цикл в i-s координатах условно (рис. 11.13). Рассмотрим процессы, протекающие в цикле, для 1 кг пара. Пар, поступающий из пароперегревателя с параметрами точки 1, совершает процесс адиабатического расширения в турбине на участке 1 – 1o.

Рис. 11.12 Рис. 11.13

Дальше часть пара (его давление pо1 , температура tо1, энтальпия iо1, доля отбора a1=Do1/D, где Do1–массовый расход пара, поступающего в первый отбор) отбирается из турбины и идёт на регенерацию. На участке О1–О2 в турбине работает доля пара (1 — a1). Затем из турбины отводится ещё часть пара (a2 =Do2/D), и на участке О2–2 работает пар в количестве (1–a1–a2). Этот пар поступает в конденсатор, где конденсируется, и образовавшаяся вода насосом подаётся в первый теплообменный аппарат. Здесь вода перемешивается с паром долей a2, который, соприкасаясь с водой, конденсируется и повышает температуру воды теоретически до температуры кипения, соответствующей давлению в отборе po2. Эта вода, её доля уже (1 — a1), подаётся насосом во второй теплообменный аппарат. Сюда же подаётся пар из первого регенеративного отбора. Конденсируясь, он нагревает воду до температуры, соответствующей давлению po1. Дальше эта вода (её называют питательной ) сжимается насосом (её давление увеличивается от po1 до p1) и подаётся в парогенератор, где нагревается в экономайзере до температуры кипения, соответствующей давлению p1, и далее превращается в пар, который перегревается в пароперегревателе. Найдём доли пара a1 и a2, отбираемого из турбины. Для этого запишем уравнение теплового баланса I и II теплообменных аппаратов. Напомним, что тепловой баланс составляется из условия: в стационарном режиме при отсутствии потерь тепла через корпус теплообменного аппарата количество теплоты, отданной греющим теплоносителем, равно количеству теплоты, полученной нагреваемым теплоносителем.

Уравнение теплового баланса для I теплообменника

То же для II теплообменника:

Из уравнения (11.20)

Решая совместно уравнения (11.19) и (11.21), получаем величину a2:

где i1, iпв и i3 — энтальпия кипящей воды соответственно при давлениях

Теплота, подводимая в цикле,

q1 = iiпв , (11.23)

Термический КПД цикла

Разумеется, все три формулы (11.25), (11.26) и (11.27) идентичны. Анализ показывает, что увеличение числа ступеней регенеративного подогрева воды приводит к повышению ht, но каждая последующая ступень подогрева воды вносит все меньший вклад в рост ht. Теоретически при стремлении к бесконечности числа регенеративных отборов термический КПД установки стремится к термическому КПД цикла Карно в том же интервале температур. В паротурбинных установках число ступеней регенеративных подогревателей достигает десяти.

К следующему занятию курсанты должны:

ЗНАТЬ: теоретические циклы ГТУ, их особенности, связанные со способом подвода теплоты; циклы паросиловых установок при различных параметрах пара в p-v, T-s, i-s координатах.

УМЕТЬ: применять математический аппарат термодинамики к термодинамическому анализу работы установки; сопоставлять термодинамическую эффективность установки при различных способах подвода теплоты и при различных параметрах пара.

Читайте также:  Установка бойлера 500 литров

ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ: о теоретических и реальных циклах газотурбинных и паросиловых установок; о сути регенеративных циклов и их графического представления.

Источник

Промежуточный перегрев пара.

Возможны три типа промежуточного перегрева пара: газовый, паровой и с промежуточным теплоносителем (рис. 1.11).

В первом случае после расширения пара в турбине высокого давления (ТВД) пар возвращается в паровой котел для повторного (промежуточного)

Рис. 1.11 – Принципиальные схемы ПТУ с промежуточным перегревом пара: а) газовым; b) паровым; с) с промежуточным теплоносителем.

перегрева во вторичном перегревателе ПП. Затем пар расширяется в турбине низкого давления (ТНД) или в турбинах среднего и низкого давления (ТСД и ТНД).

При паровом перегрева после ТВД пар перегревается в паро- паровом теплообменнике ПП свежим паром из котла. Конденсат греющего пара отводится в дренажный холодильник (ДХ).

Газовый и паровой промежуточные перегревы пара являются основными. Газовый перегрев пара позволяет довести температуру пара после промежуточного перегревателя до начальной температуры и получить наибольший прирост КПД ПТУ, который составляет 4÷5%. Однако при газовом промежуточном перегреве усложняются паровой котел и система паропроводов, повышаются потери давления в системе промежуточного перегрева. Кроме этого увеличиваются масса и стоимость установки, особенно из-за большого пакета дорогостоящих труб вторичного перегревателя.

При паровом промежуточном перегреве пара большинство этих недостатков устраняются, но появляются другие: добавочный теплообменник, производительность котла увеличивается, невозможно перегреть пар до начальной температуры, для обеспечения конденсации греющего пара в ПП требуется понижать давление перегрева. В связи с этим паровой промежуточный перегрев используют при очень высоком давлении свежего пара и небольших давлениях промперегрева. В связи с этим паровой промежуточный перегрев используют при очень высоком давлении свежего пара и небольших давлениях промперегрева. Он позволяет повысить КПД на 2,5÷3,5%.

Применение промежуточного теплоносителя позволяет снизить потери энергии от дросселирования пара в системе промежуточного перегрева, уменьшить массу и стоимость трубопроводов. Однако требуется два теплообменника: промежуточный пароперегреватель (ПП) и подогреватель теплоносителя (ПТ), а также циркуляционный насос (ЦН), что снижает надежность установки.

В настоящее время в основном используют газовый промежуточный перегрев пара.

Влияние промежуточного перегрева пара на КПД ПТУ проанализируем с помощью уравнения (1.43), которое будет справедливо и для схем с промперегревом. Для анализа используем тепловую схему 2-го рода с газовыми промежуточным перегревом пара (рис. 1.11 а). Общесудовые потребители не связаны с промежуточным перегревом пара, поэтому коэффициент βос остатка неизменным.

Термический КПД цикла ПТУ с промежуточным перегревом пара увеличивается за счет дополнительного процесса подвода теплоты в области высоких температур, что повышает среднетемпературный уровень процессов подвода теплоты по циклу. На рис 1.12а представлен идеальный цикл ПТУ с промежуточным перегревом пара, где изобарический процесс 1′-0′ соответствует процессу подвода теплоты в промежуточном пароперегревателе. На рис. 1.12в. изображены действительные процессы расширения пара в si-диаграмме, здесь D P пп – потери давления, связанные с промежуточным перегревом пара.

Прирост КПД ПТУ с промежуточным перегревом зависит от давления промперегрева. Исследования показали, что имеется достаточно широкая область , в которой промперегрев выгоден. Существует оптимальное давление промежуточного перегрева, в реальных ПТУ он лежит в пределах (0,15÷0,20) P .

Важную роль играет и температура пара после промежуточного перегревателя t пп. Ее целесообразно повышать до начальной температуры пара (t пп .= t ). В реальных ПТУ каждые 15° недогрева t пп до t понижают КПД на 0,5÷0,7%.

Промежуточный перегреватель пара усложняет конструкцию и регулирование парового котла, но не влияет на температуру уходящих газов. Поэтому можно считать, что КПД котла будет таким же как и в ПТУ без промперегрева.

Источник

Паросиловая установка. Цикл Ренкина

В паросиловых установках в качестве рабочего тела используются пары различных жидкостей (вода, ртуть и т. п.), но чаще всего водяной пар.

В паровом котле паросиловой установки (1) за счет подвода теплоты Q1, получаемой за счет сгорания топлива в топке, образуется пар при постоянном давлении р1 (рис. 33). В пароперегревателе (2) он дополнительно нагревается и переходит в состояние перегретого пара. Из пароперегревателя пар поступает в паровой двигатель (3) (например, в паровую турбину), где полностью или частично расширяется до давления р1 с получением полезной работы L1. Отработанный пар направляется в холодильник-конденсатор (4), где он полностью или частично конденсируется при постоянном давлении р2. Конденсация пара происходит в результате теплообмена между отработавшим паром и охлаждающей жидкостью, протекающей через холодильник-конденсатор (4).

После холодильника сконденсированный пар поступает на вход насоса (5), в котором давление жидкости повышается с величины р2 до первоначального значения р1 после чего жидкость поступает в паровой котел (1). Цикл установки замыкается. Если в холодильнике (4) происходит частичная конденсация отработавшего пара, то в паросиловой установке вместо насоса (5) используется компрессор, где давление пароводяной смеси также повышается с р2 до р1. Однако для того, чтобы уменьшить работу на сжатие, целесообразно полностью сконденсировать пар в конденсаторе и затем сжимать не пароводяную смесь, а выходящую из конденсатора воду. Описанный цикл паросиловой установки называется циклом Ренкина (рис. 34).

Читайте также:  Обслуживание установки clima 9000

Цикл Ренкина состоит из изобары (4–1), где подводится теплота в нагревателе, адиабаты (1–2) расширения пара в паровой турбине, изобары (2–3) отвода теплоты в холодильнике-конденсаторе и изохоры (3–4) повышения давления воды в насосе. Линия (4–а) на изобаре соответствует процессу повышения температуры жидкости после насоса до температуры кипения при давлении р1. Участок (a–b) соответствует превращению кипящей жидкости в сухой насыщенный пар, а участок (b–1) – процессу подвода теплоты в пароперегревателе для превращения сухого насыщенного пара в перегретый.

Рис. 34. Цикл Ренкина в координатах p-v (а) и Т-s (б)

Работа, совершаемая паром в турбине, равна разности энтальпий пара до и после турбины

Работа, затраченная на сжатие воды в насосе, определяется так же по разности энтальпии рабочего тела в точках (4) и (3).

В координатах р-v эта работа определяется площадью e-3-4-f (рис. 34a). Эта работа весьма мала по сравнению с работой турбины.

Полезная работа цикла равна работе турбины за вычетом работы, затрачиваемой на привод насоса wН

Удельное количество теплоты q1, подведенной в котле и пароперегревателе, определяется из первого начала термодинамики (работа при этом не совершается) как разность энтальпий рабочего тела в процессе подвода теплоты

где h4 – энтальпия горячей воды на входе в паровой котел при давлении р2 практически равна по величине энтальпии кипящей воды в точке (3),
т.е. h4 @ h3.

Сопоставляя соотношения, можно определить термический КПД цикла Ренкина как отношение полезно полученной работы в цикле к количеству подведенной теплоты

Другая важная характеристика паросиловой установкиудельный расход пара d, который характеризует количество пара, необходимого для выработки 1 кВт·ч энергии (3600 Дж), и измеряется в .

Удельный расход пара в цикле Ренкина равен

Удельный расход пара определяет размеры агрегатов: чем он больше, тем больше пара приходится вырабатывать для получения той же мощности.

Пути повышения экономичности паросиловых установок

Термический КПД цикла Ренкина даже в установках с высокими параметрами пара не превышает 50 %. В реальных установках из-за наличия внутренних потерь в двигателе значение КПД еще меньше.

Существуют два пути повышения экономичности паросиловых установок: повышение параметров пара перед турбиной и усложнение схем паросиловых установок.

1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина;
4 – конденсатор; 5 – питательный насос; 6 – тепловой потребитель

Первое направление приводит к увеличению теплоперепада в процессе расширения пара на турбине (h1 — h2) и, как следствие, к увеличению удельной работы и КПД цикла. При этом теплоперепад по турбине h1-h2 можно дополнительно увеличить, снижая противодавление в конденсаторе установки, т.е. уменьшая давление р2. Повышение экономичности паросиловых установок этим путем связано с решением ряда трудных технических задач, в частности, использования высоколегированных, жаропрочных материалов для изготовления турбины.

Эффективность использования паросиловой установки можно значительно повысить за счет использования теплоты отработавшего пара для отопления, горячего водоснабжения, сушки материалов и т. д. С этой целью охлаждающую воду, нагретую в конденсаторе (4) (рис. 35), не выбрасывают в водоем, а прокачивают через отопительные установки теплового потребителя (6). В таких установках станция вырабатывает механическую энергию в виде полезной работы L1 на валу турбины (3) и теплоту Qт.п для отопления. Такие станции называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии – один из основных методов повышения эффективности тепловых установок.

Повысить КПД паросиловой установки по сравнению с циклом Ренкина можно за счет применения так называемого регенеративного цикла
(рис. 36). В этой схеме питательная вода, поступающая в котел (1), нагревается паром, частично отбираемым из турбины (3). По этой схеме пар, полученный в котле (1) и перегретый в пароперегревателе (2), направляется в турбину (3), где происходит его расширение до давления в конденсаторе (4). Однако часть пара после совершения им работы из турбины и направляется в регенеративный подогреватель (6), где в результате конденсации он подогревает питательную воду, подаваемую насосом (5) в котел (1).

Читайте также:  Установка подсветки зеркала фокус 3

Сам конденсат после регенеративного подогревателя поступает на вход насоса (5) или в конденсатор 4, где он смешивается с конденсатом пара, прошедшего через все ступени турбины. Таким образом, в котел поступает такое же количество питательной воды, какое и выходит из него в виде пара. Из диаграмм (рис. 37) видно, что каждый килограмм пара, входящий в турбину, расширяется от давления р1 до давления р2, совершая работу w1=h1-h2. Пар в количестве (1 — g) долей килограмма расширяется до конечного давления p3, совершая работу w2=h2-h3. Суммарная работа 1 кг пара в регенеративном цикле будет

где – доля пара отбираемого из турбины и подаваемого в регенератор.

Рис. 37. График адиабатного расширения пара в турбине с промежуточным отбором (а) и изменения количества пара (б)

Уравнение показывает, что использование регенерации теплоты приводит к уменьшению удельной работы расширения по сравнению с циклом Ренкина с теми же параметрами пара. Однако расчеты показывают, что работа в регенеративном цикле уменьшается медленнее, чем расход теплоты на получение пара при наличии регенерации, поэтому КПД паросиловой установки с регенеративным подогревом в итоге выше КПД обычного цикла.

Применение пара высоких и сверхвысоких давлений с целью повышения КПД установок наталкивается на серьезное затруднение: влажность его на последних ступенях турбины получается настолько высокой, что заметно снижает КПД турбины, вызывает эрозию лопаток, может служить причиной выхода их из строя. Поэтому в установках с высокими параметрами пара приходится применять так называемый промежуточный перегрев пара, что также ведет к повышению КПД установки (рис. 38).

Рис. 38. Схема паросиловой установки с промежуточным перегревом пара:

1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина высокого давления (ТВД); 4 – турбина низкого давления (ТНД); 5 – конденсатор; 6 – питательный насос; 7 – промежуточный пароперегреватель; 8 – потребитель

В паросиловой установке с промежуточным перегревом пара, после расширения в турбине высокого давления (3) пар отводится в специальный пароперегреватель (7), где он вторично подогревается при давлении ррп до температуры , которая обычно несколько ниже, чем температура t1. Перегретый пар поступает в турбину низкого давления (4), расширяется в ней до конечного давления р2 и уходит в конденсатор (5) (рис. 39).

Влажность пара после турбины при наличии перегрева пара значительно меньше, чем она была бы без него (x1>x2) (рис. 39). Применение промежуточного перегрева в реальных условиях дает повышение КПД приблизительно на 4 %. Этот выигрыш получается не только за счет повышения относительного КПД турбины низкого давления, но и за счет повышения суммарной работы расширения пара по турбине низкого и высокого давлений. Дело в том, что сумма отрезков и , характеризующих работу соответственно турбин высокого и низкого давлений, больше отрезка 1e, характеризующего работу расширения в турбине установки, в которой не применяется промежуточного перегрева пара (рис. 39б).

Источник

Паросиловая установка с промежуточным перегревом пара за счет теплоты пара более высокого давления и более значительного перегрева Советский патент 1929 года по МПК F01K7/22 F01K7/44

Известно, что коэффициент полезного действия силовой установки повышается при уменьшении количества пара, попадающего в конденсатор. Средством для уменьшения потери в конденсаторе является промежуточный перегрев пара. Помимо увеличения коэффициента полезного действия, перегрев уменьшает влажность пара в последних ступенях турбины, способствующую разеданию лопаток.

Существующие до сих пор предложений для проведения промёжуточного перегрева сводятся к тому, чтобы добавлять свежий пар в приемник, через который проте,кает пар, подлежащий перегреву. Такое решение вопроса невыгодно, так как требуемое количество тепла забирается без использования его для получения механической работы.

В предлагаемой установке, изображенно йсхематически на чертеже.

для промежуточного перегрева применяете пар, ответвляемый от силовой машины.

В перепускные ветви паропроводов между ступенями II и III, а также III и IV многоступенчатой машины I, питаемой из сети 2, включены перегреватели 3 и 4. Пе регреватели 3 и 4 получают пар соответственно из ступеней I и .ZJ, т.-е. для промежуточного перегрева используется пар из более высокой ступени той же турбины.

Конденсат из перегревателей 3 и 4 попадает вместе с конденсатом из конденсатора 5 машины в колодец б питательной воды.

Паросиловая установка с промежуточнь1м перегревом пара за счет теплоты пара более высокого давления и более значительного перегрева, характеризующаяся тем,

что перегреватели, например 3 и 4 этой установки, включенные в перепускные ветви паропроводов между отдельными ступенями силовой машины, устроены так, что

в качестве перегревающего пара в этих перегревателях используется пар из ответвлений соответственно более высоких ступеней той же машины.

Источник

Adblock
detector