Лекция 9. Циклы паросиловых установок. Бинарные циклы

Лекция 9.

ЦИКЛЫ ПАРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК. БИНАРНЫЕ ЦИКЛЫ.

Схема простейшей паросиловой установки представлена на рис. 9.1.. Если в качестве термодинамического тела использовать насыщенный пар, то технически возможно реализовать цикл Карно. Для этого в паросиловой установке нужно заменить питательный насос (6) на компрессор влажного пара, тогда как пароперегревав этом случае (в случае раеализации цикла Карно) отсутствует. (см. рис. 9. 2. на Т – s - диаграмме цикл 1-2-3* -4-1), где

1-2 – процесс адиабатического расширения пара в паровой турбине (3),

2-3* - процесс изотермического отвода теплоты q2 , кондесация пара в конденсаторе (5) (смесь воды и пара),

3* - 4 - процесс адиабатического сжатия в компрессоре влажного пара,

4 – 1 - процесс изотермического подвода теплоты q1 в парогенераторе (1).

рис. 9.1. (Схема паросиловой установки: 1- парогенератор, 2 – пароперегреватель, паросиловая машина (турбина), 4 – электрогенератор ( м. б. компрессор, винтолопастной аппарат), 5 – кондесатор, 6 – питательный насос, 7 – циркуляционный насос).

 

Рис. 9.2. Циклы Карно и Ренкина на Ts- диаграмме в области влажного пара.

Основный цикл, по которому работают паросиловые установки, - цикл Ренкина.

Обратимый цикл Ренкина в области насыщенного влажного пара представлен на Т – s – диаграмме на рис. 9.2., где

3*- 3 - изотермический процесс отвода теплоты в конденсаторе (5), т. е. пар конденсируется до конца, до состояния воды,

3 – 3’ - процесс адиабатического сжатия воды в питательном насосе (6),

3’ – 4 – процесс изобарного подвода теплоты к воде в парогенераторе (1), до температуры насыщения ts при заданном давлении.

4 – 1 – процесс изотермического подвода теплоты, перегрев влажного пара до состояния сухого насыщенного пара и в парогенераторе (1).

 

На рис. 9.3. на Т - s –диаграмме представлен цикл Ренкина в области перегретого пара, где

3* – 4 - 5 – изобарно-изотермический процесс подвода теплоты; нагрев воды, процесс парообразования, нагрев влажного пара до состояния сухого насыщенного пара в парогенераторе,

5 -1 - процесс изобарного подвода теплоты к сухому насыщенному пару до состояния перегретого пара в пароперегревателе,

1 – 2* - реальный процесс расширения (теоретически это - адиабатический процесс расширения 1-2) перегретого пара в турбине от давления Р1 до давления Р2 в конденсаторе,

2* - 2 – 3 – изобарно-изотермический процесс полного отвода теплоты от отработанного пара; процесс конденсации пара в конденсаторе.

При низких давлениях до 3 МРа линии изобар практически совпадают с области воды с нижней пограничной кривой. Это позволяет рассматривать нагрев воды упрощенно, как если бы он проходил мимо нижней пограничной кривой.

 

На рис. 9.4. представлен процесс расширения пара на h-s – диаграмме.

Количество подведенной теплоты пару в парогенераторе:

 

где

v – удельный объем воды на входе в питательный насос, m3/kg

ηpoi – к. п.д. питательного насоса

Количество отведенной в конденсаторе от цикла теплоты ( в зависимости от того, является ли процесс расширения в турбине обратимым или необратимым) :

q2 = h2 –h3 или q2 = h*2 – h3, kJ/kg (9.2)

Работа, совершаемая в турбине :

lt = (h1 – h2) ·ηToi (9.3)

где ηToi - относительный внутренний к. п.д. турбины.

Работа, совершаемая питательным насосом:

 

Работа, совершаемая в цикле Ренкина :

 

Термический к. п.д. цикла Ренкина:

Внутренний относительный к. п.д. паросиловой установки:

 

а также внутренний к. п.д. паросиловой установки

ηi = ηoi ·ηt (9.8)

Электрический к. п.д. паросиловой установки:

ηel = ηk ·ηa ·ηt ·ηoi ·ηm ·ηG (9.9)

где ηk - к. п.д. парового котла,

ηa - к. п.д. паропровода

ηm - механический к. п.д. паровой машины

ηG - к. п.д. электрогенератора

ηt - термический к. п.д. цикла Ренкина

ηoi - относительный внутренний к. п.д. паросиловой установки

Эффективный удельный расход пара в паросиловой установке de, kg/kWh:

а также эффективный удельный расход тепла qe, kJ/ kWh:

Удельный расход топлива на работу паросиловой установки be, kg/kWh:

где Qri – нижняя теплотворная способность товарного топлива, kJ/ kg.

Часовой расход топлива в kg/h:

Be = be·Pel (9.13)

где Pel – мощность электрогенератора на клеммах (на выходе, без внутренних потерь) kW.

Цикл Ренкина – также основной цикл паросиловых установок, работающих на ядерном топливе, принципиальная схема которых приведена на рис. 9.5, где

 

1 – ядерный реактор

2 – парогенератор

3 – паровая турбина

4 – электрогенератор

5 – конденсатор

6 – питательный насос

На рисунке 9.6 приведена принципиальная схема паросиловой установки с промежуточным перегревом пара, где:

 

1 – парогенератор, 2 – пароперегреватель, 3 – промежуточный пароперегреватель,

4 – цилинр высокого давления турбины (ЦВД), 5 – цилиндр низкого давления турбины (ЦНД), 6 – электрогенератор, 7 – конденсатор, 8 – питательный насос

 

Рис. 9.7. Процессы промежуточного перегрева пара и расширения на hs – диаграмме.

Теплота, подводимая в цикле с процессом промежуточного перегрева пара kJ/ kg:

q1 = q’1 + Δq1 (9.14)

где q’1 – количество теплоты, необходимое для выработки перегретого пара и рассчитывается по формуле (9.1):

q’1 ≈ (h1 – h2) - v· (p1 –p2) / ηpoi

Δq1 - теплота, подведенная к перегретому пару в промежуточном пароперегревателе kJ/ kg :

Δq1 = h1 – h2 = (1 – ηKoi ) · hKa (9.15)

где ηKoi = hKi/hKa - относительный внутренний к. п.д. цилиндра высокого давления турбины (ЦВД, см. рис. 9.7)

Работу, совершаемую в цикле рассчитывают по формуле (9.5) l = q1 –q2 = lT - lp, где работа турбины lT рассчитывется как сумма работ ЦВД и ЦНД турбины.

Термический к. п.д. цикла с пром. перегревом пара:

где ηMoi = hMi / hMa - относительный внутренний к. п.д. ЦНД турбины (см. рис. 9.7)

Количество теплоты отведенной из цикла с пром. перегревом пара рассчитывается по формуле (9.2) q’2 = h’2 – h3

Эффективность совместного производства электроэнергии и тепла характеризуется тепловым к. п.д. К:

K = ( 3600·Pel + Qt) / Be ·Qri (9.17)

где Qt - тепло, подаваемое потребителю kJ/h,

Pel - электрическая мощность генератора kW,

Be - расход топлива kg/h,

Qri - низшая теплотворная способность топлива кJ/kg

На рис. 9.8 приведена одна из принципиальных схем паросиловой установки с регенеративным подогревом питательной воды (три поверхностных регенератора в каскадном подключении), а процесс расширения в турбине - на рис. 9.9. В паросиловых установках используют 7 – 9 регенераторов.

Удельное количество промежуточного пара, которое подается в регенераторы рассчитывают из уравнения теплового баланса регенератора.

Удельное количество промпара αj в тепловой схеме с поверхностными регенераторами (см. рис. 9.8) в общем случае рассчитывается

где j = 1, 2, 3, ..., I, II, III, …

 

Рис. 9.8 Схема паросиловой установки с регенеративным подогревом питательной воды:

1 – парогенератор

2 – пароперегреватель

3 – паросиловая машина (турбина)

4 – электрогенератор

5 – конденсатор

6 – питательный насос

7,8, 9, - регенераторы (III, II, I)

 

Рис. 9.9 Теоретический процесс расширения пара на h-s –диаграмме.

Теоретически в регенераторе воду можно подогреть до температуры насыщения пара при заданном давлении, т. е. h´´I = h´I, h´´II = h´II и т. д.. В таком случае энтальпия воды, подаваемой в котельный агрегат htv = h´´I.

Работа, совершаемая паром в турбине в цикле с регенерацией, кJ/kg :

 

где n - количество отборов промежуточного пара и j = I, II, III...

Количество теплоты, подводимое в цикл кJ/kg :

Термический к. п.д. цикла с регенерацией :

Теплота, отводимая с охлаждающей водой из цикла в конденсаторе в случае каскадного подключения поверхностных регенераторов:

 

подключения поверхностных регенераторов кJ/kg :

На рис. 9.10 представлена схема паросиловой установки, которая работает по бинарному циклу. Верхний цикл ( 1ü -2ü – 3ü – 4ü -1ü) проходит с насыщенным паром ртути, а нижний – ( 1а – 2а – 3а - 4а – 5а -1а) - с перегретым водяным паром цикл Ренкина.

 

Рис.9.10 Схема паросиловой установки бинарного цикла.

1 – генератор ртутного пара, 2 – турбина ртутного пара, 3 - конденсатор ртутного пара

4 – питательный насос генератора ртутного пара, 5 – турбина водяного пара, 6 – конденсатор водяного пара, 7 – насос питательной воды, 8 - пароперегреватель водяного пара, 9 – электрогенераторы

 

Рис. 9.11 – бинарный цикл на Т-s – диаграмме

В следствии того, что ртуть и вода имеют различную теплоту парообразования, то цикулирующие в силовой установке количества ртути и воды - разные.

Массовое соотношение ртути и воды :

Удельная работа ртутного пара в бинарном цикле кJ/kg:

и удельная работа водяного пара в бинарном цикле кJ/kg:

 

Количество теплоты, подведенное в бинарном цикле на 1 кг водяного пара кJ/kg :

 

Термический к. п.д. бинарного цикла, без учета работы, затраченной питательным насосом:

 

Мощность турбины ртутного пара в kW :

Pü = Dü ·lü (9.28)

где Dü - паропроизводительность ртутного котлоагрегата, kg/s

и мощность турбины водяного пара в kW:

Pa = (Dü/m) ·la (9.29)

Мощность паросиловой установки с бинарным циклом в kW:

Pb = Pü + Pa = Dü · (lü + la/m) (9.30)

В последнее время в мировой практике получили распространение газо-паровые комбинированные паросиловые установки. Используются различные схемы цикла.

На рис. 9.12. представлена простейшая принципиальная схема комбинированного газо-парового цикла, а на рис. 9.13 - этот же цикл на T-s –диаграмме.

 

Рис.9.12. Схема комбинированной газо-паровой силовой установки, где:

1 – компрессор, 2 - камера сгорания, 3 – газовая турбина, 4 - парогенератор, 5 – паровая турбина, 6 и 7 – генераторы, 8 – конденсатор, 9 – питательный насос

Рис. 9.13 Т - s –диаграмма силовой установки комбинированного газо-парового цикла.

Работа газовой турбины в комбинированной паросиловой установке, кJ/kg :

Работа, затрачиваемая на компримирование воздуха в компрессоре кJ/kg :

 

Количество теплоты, подводимое в газовый цикл для сжигания топлива кJ/kg :

 

Количество теплоты, подводимое к воде и пару в парогенераторе от газов горения кJ/kg :

 

В формулах (9.31) ... (9.34) cpm - средняя изобарная массовая уд. теплоемкость воздуха (газа) в соответствующем температурном промежутке kJ/(kg·K).

Работу комбинированной паросиловой установки рассчитывают по формуле (9.3) lt = (h1 – h2) ·ηToi, где ηToi - относительный внутренний к. п.д. турбины,

а работу, затрачиваемую питательным насосом – по формуле (9.4) lp ≈ v· (p1 – p2) /ηpoi

ηpoi - относит. внутренний к. п.д. насоса.

Соотношение количества газа и водяного пара в комбинированной паросиловой установке

kg газа / kg пара :

 

Термический к. п.д. цикла комбинированной силовой установки:

 

Теоретический удельный расход топлива в комбинированной газо-паросиловой установке, kg/kWh:

beo = 3600/ Qri·ηkt (9.37)

На рис. 9.14. Схема комбинированной MГД – силовой установки, где

1 – камера сгорания, 2 – МГД – генератор, 3 – компрессор, 4 – предварительный подогреватель воздуха, 5 - парогенератор вместе с паропергревателем, 6 - паровая турбина

7 – конденсатор, 8 – питательный насос, 9 – электрогенератор

 

В МГД – установке происходит прямое (без преобразования в механическую энергию) преобразование тепловой энергии в электроэнергию. На рис. 9.14. приведена одна из возможных схем МГД силовой установки. Теоретический цикл такой силовой установки представлени на рис.9.13 (1ü -2ü -3ü -4ü -1ü и 1а – 2а- 3а -3*а – 4а -5а -1а). В верхнем цикле термодинамическое тело – газ, в нижнем цикле – водяной пар.

Теоретическая работа расширения газа в МГД – генераторе (электрическая работа). кJ/kg :

Работа, затрачиваемая на компримирование газа, кJ/kg :

Работу, совершаемую в турбине паром lt и работу, затрачиваемую питательным насосом lp рассчитывают соответственно по формулам (9.3) и (9.4)

Количество теплоты, подводимое в цикле в камеру сгорания, кJ/kg :

 

где - энтальпия воздуха на выходе из воздухоподогревателя кJ/kg.

Соотношение циркулирующего газа и воды в МГД – установке кг газа /кг пара:

 

где и соответственно энтальпия газа на входе и выходе парогенератора кJ/kg (рис.9.14).

Термический к. п.д. бинарного цикла МГД – установки:

 

3.7 МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В 1970-ые и 1980-ые годы в мире (наиболее интенсивно в США и в Советском Союзе) исследовались и испытывались возможности непосредственного преобразования энергии, возникающей при сгорании топлива, в электрическую энергию при помощи магнитогидродинамических (МГД-) генераторов, основанных на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в ионизированном газовом потоке, когда этот поток проходит через сильное постоянное магнитное поле. Принцип устройства и работы такой преобразовательной установки представлен на рис. 3.7.1.

Давление (например, 0,3 MPa) и высокая температура (например, 3000 oC) на выходе камеры сгорания создают поток высокотемпературного газа, протекающего с большой скоростью (до 1000 m/s) в сильном магнитном поле, создаваемом ферромагнитной системой (до 2 T) или сверхпроводящими катушками (до 8 T). В таких условиях в газовом потоке может индуцироваться ЭДС, приблизительно до 20 kV. Так как скорость и температура газа на выходе газового канала еще весьма высоки, то кпд магнитогидродинамического генератора, изображенного на рис. 3.7.1, относительно мал (10…15 %). Чтобы использовать энергию отходящего газа, можно отапливать им парогенератор и направлять получаемый пар в паровую турбину (рис. 3.7.2). Кпд такой комбинированной системы, в которой доля МГД-генератора в генерировании электроэнергии составляет 40…50 %, а доля блока турбина-генератор – 60…50 %, может достигать приблизительно 60 %. Еще более высокий кпд может достигаться при комбинированной выработке электроэнергии и тепла.

Рис. 3.7.1. Принцип устройства и работы магнитогидродинамического генератора. 1 компрессор воздуха или кислорода, 2 электрическое или другое устройство предварительного подогрева, 3 насос для впрыскивания топлива (в случае газового топлива – компрессор), 4 устройство для ввода ионизатора (например, калия), 5 камера сгорания, 6 газовый канал, находящийся между полюсами электромагнита, 7 электроды. Магнитное поле перпендикулярно плоскости рисунка, над рисунком находится северный полюс. Стрелками между электродами показано направление ЭДС

Рис. 3.7.2. Принципиальная схема энергоблока, состоящего из магнитогидродинамического генератора, парового котла и паровой турбины. 1 магнитогидродинамический генератор, 2 инвертор, 3 паровой котел, 4 паровая турбина, 5 электромашинный генератор, 6 конденсатор,
7 водяной бак, 8 питательный насос парового котла, 9 фильтр для улавливания ионизатора

Основными преимуществами МГД-генераторов следует считать их компактность и быстрый запуск (2…5 s), благодаря чему их предполагалось использовать, в основном, в качестве резервных агрегатов электростанций. Они строились в свое время до мощности 25 MW, но срок службы их конструктивных элементов, соприкасающихся с горячими газами, (внутренней обкладки газового канала, электродов и др.) оказался слишком коротким (не более 1000 h). Их недостатками являются также

§  дороговизна сверхтеплостойких материалов, необходимых, в частности, для покрытия внутренней поверхности газового канала, (окисей иттрия или циркония),

§  дороговизна магнитных систем со сверхпроводящими обмотками,

§  слишком малые показатели надежности МГД-генератора в целом.

По всем этим причинам от работ по дальнейшему развитию МГД-генераторов, основанных на сжигании топлива, отказались. Изготовлялись и генераторы, основанные на применении жидких металлов (например, натрия; соответствующие исследовательские и конструкторские работы проводились и в институте теплотехники Таллиннского технического университета), но и они не создали конкуренции другим генераторам электроэнергии.

Идею магнитогидродинамического генератора впервые высказал Майкл Фарадей (Michael Faraday), который в 1832 году утверждал даже, что между берегами реки Темзы (Thames), протекающей в магнитном поле Земли, должна возникать эдс. Измерить этот эффект ему, однако, не удалось, что вполне объясняется слишком малой чувствительностью электроизмерительных приборов того времени, так как вышеназванная эдс составляет всего около 30 mV. В 1959 году в США был изготовлен первый опытный МГД-генератор мощностью 10 kW, способный работать в течение 10 секунд. Первый такой генератор, установленный на электростанции (30 kW), был создан в 1967 в Москве, и в 1976 году начались совместные исследования СССР и США по разработке мощных МГД-генераторов. В результате этих работ предполагалось установить на Рязанской теплоэлектростанции энергоблок, состоящий из четырех МГД-генераторов общей мощностью 270 MW и из паротурбинного блока с генератором мощностью в 310 MW. Паротурбинная часть этого блока была построена, но МГД-часть из-за прекращения исследований осталась нереализованной.