Термодинамические основы работы ТЭС (стр. 1 )

Термодинамические основы работы ТЭС

Лекции по курсу «Тепловые электрические станции»

для специальности 220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств в топливно-энергетическом комплексе»

д. т.н., проф. каф. ТЭС НГТУ

все материалы подготовлены магистрантом факультета энергетики НГТУ,

гр. ТЭМ -21

Новосибирск, 2008
ВВЕДЕНИЕ

Параметры пара существенно влияют на КПД цикла паротурбин­ной установки. Так, термический КПД цикла при изменении на­чальных давления (от 10 МПа до 23,5 мПа) и температуры (от 500 до 565°С), а также давления в конденсаторе (от 4 до 0 кПа) может изменяться от 0,43 до 0,48.

Настоящие лекционные материалы представляют термодинамические особенности работы циклов и ТЭС. Лекции содержат шесть разделов, введение и заключение.

Первый раздел посвящен термодинамическому циклу простейшей теплосиловой установки. Здесь представлены идеальный цикл, рпоцесс расширения пара в турбине и действительный цикл Ренкина, реализуемый в ТЭУ (теплоэнергтеиечкой установке). Даны понятия и определения. Во втором разделе показано влияние параметров пара на КПД идеального цикла. В третьем разделе показано влияние конечного давления в конденсаторе на КПД идеального цикла. Четвертый раздел посвящен комбинированной выработке теплоты и электроэнергии. Здесь показана термодинамическая, а следовательно и энергетическая, выгода комбинированной выработки по сравнению с раздельным обеспечением потребителя теплотой и электроэнергией. В пятом разделе представлена термодинамическая эффективность промежуточного перегрева пара, в шестом – термодинамическая эффективность регенеративного подогрева питательной воды.

В заключении показан один из путей дальнейшего совершенствования термодинамических циклов.

При подготовке лекций использованы материалы следующих авторов:

1)  Рыжкин электрические станции: Учебник для вузов/ Под ред . – 3-е изд., перераб. и доп. – М., Энергоатомиздат, 1987. – 328 с.: ил.

2)  и др. Тепловые и атомные электростанции: Учебник для вузов / , , ; Под ред. . – 2-е изд., испр. И доп. – М.: Энергоиздат, 1982. – 456 с., ил.

3)  , Соколов турбины: Учеб. Пособие для СПТУ. – М.: Высш. Шк., 1988. – 208 с.: ил.

РАЗДЕЛ 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ТЕПЛОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ

Простейшая теплосиловая установка (рис. 1) состоит из питательного насоса 1, котла 2, паропе­регревателя 3, паровой турбины 4, конденсатора 5 и электрического генератора б. Рабочим телом ее яв­ляется водяной пар.

Если эту установку выполнить без пароперегре­вателя, в турбину будет поступать насыщенный пар. В этом случае технически возможно осуществить цикл Карно. Действительно, для влажного пара изо­барные процессы подвода теплоты в котле и отвода ее путем конденсации части отработавшего пара яв­ляются также и изотермическими.

Цикл Карно для влажного пара изображен в Т, 5-диаграмме (рис. 2). На этой диаграмме ли­ния 3—4 означает адиабатное сжатие в специаль­ном компрессоре сильно увлажненного пара до его полной конденсации, 4—1 — испарение воды в котле, 1—2 — адиабатное расширение пара в турбине, 2—3 — частичную конденсацию пара в специальном конденсаторе.

Учитывая, что подвод теплоты q1 и отвод ее q2 в этом цикле производятся при постоянном давлении,

Рис. 1. Принципиальная схема теплосиловой установки	Рис. 2. Цикл Карно для влажного пара в Т, s-диаграмме

Учитывая, что подвод теплоты q1 и отвод ее q2 в этом цикле производятся при постоянном давлении, находим теоретические значения q1тсор и q2тсор'-

Следовательно, полезная теоретическая внешняя работа

где h1 — h2 = Lрасш — полезная теоретическая ра­бота, производимая 1 кг пара при его адиабатном расширении в турбине; h4 - h3 = Lсж — теоретиче­ски затрачиваемая работа на сжатие 1 кг влажного пара в компрессоре.

Работа сжатия влажного пара до его конденсации во много раз превышает работу сжатия воды. Так, например, при адиабатном сжатии влажного водя­ного пара от давления 0,1 МПа до давления 3 МПа, при котором он полностью конденсируется, требу­ется затратить работу, эквивалентную 455 кДж/кг. При адиабатном же сжатии воды от состояния на­сыщения при 0,1 МПа до давления 3 МПа необхо­димо затратить работу, эквивалентную всего лишь 2,75 кДж/кг, т. е. меньшую в 165 раз.

Вследствие преимуществ полной конденсации влажного пара цикл Карно в чистом виде в паро­силовых установках не применяется. Вместо него применяется цикл с полной конденсацией отрабо­тавшего пара в конденсаторе, называемый циклом Ренкина. Принципиальная схема установки, рабо­тающей по циклу Ренкина, приведена на рис. 1.

Рис. 3. Идеальный цикл теплосиловой установки (цикл Ренкина) в Т, s-диа­грамме

Идеальный цикл Ренкина для теплосиловой уста­новки, работающей на перегретом паре, изобра­жен в Т, s-диаграмме на рис. 3. На этой диаграм­ме показаны: а'а — процесс адиабатного сжатия воды в питательном насосе; аЬ — процесс нагрева воды в котле до температуры кипения; dс — ис­парение воды в котле; cd — перегрев пара в пере­гревателе; dе — изоэнтропийное расширение пара в турбине; еа' — конденсация отработавшего па­ра в конденсаторе.

Процессы нагрева, испарения и перегрева воды в котле происходят при постоянном давлении. Сле­довательно, все количество теплоты q1, переданное 1 кг воды и пара, целиком идет на повышение эн­тальпии рабочего тела от энтальпии питательной воды hп в до энтальпии свежего пара h0 и равно их разности:

Это количество теплоты в T, s-диаграмме изобража­ется площадью фигуры 1abcd21.

Из турбины пар поступает в конденсатор, где при постоянном давлении конденсируется и отдает теп­лоту q2 охлаждающей воде. Эту теплоту можно оп­ределить как разность энтальпии отработавшего па­ра при изоэнтропийном расширении его в турбине hк1 и конденсата h'к (в идеальном цикле Ренкина):

Полезная теоретическая работа, осуществляемая 1 кг пара, равна разности между подведенной и от­веденной теплотой:

Разность энтальпий h0 _ hkt представляет собой работу, производимую 1 кг пара в идеальной турби­не. Разность энтальпии hпв - h'к есть работа, затра­чиваемая на сжатие 1 кг воды в питательном насосе.

Полезная теоретическая работа, совершаемая 1 кг пара, эквивалентна площади заштрихованной фигуры в Т, s-диаграмме. Отношение этой работы к подведенной теплоте называется абсолютным, или термическим, КПД идеальной установки:

Вычитая и прибавляя в знаменателе этого выра­жения величину h'к, получаем

Рис. 4. Процесс рас­ширения пара в тур­бине в А, s-диаграмме

Если экономичность турбинной установки рас­сматривать без учета работы питательного насоса, то абсолютный КПД идеального цикла

где величину H0 = h0 - hк1 принято называть рас­полагаемым теплоперепадом турбины.

Значения располагаемого теплоперепада Но удобно определять при помощи h, s-диаграммы (рис.4). Для этого на ней находят начальную эн­тальпию h0, соответствующую точке пересечения d заданных начальных параметров пара перед турби­ной p0 и t0. Из этой точки проводят вертикальную линию изоэнтропийного расширения пара в турбине до заданного конечного давления рк. Длина полу­ченного отрезка Н0 = h0 - hк г определяет теорети­ческую работу, совершаемую 1 кг пара в турбине, и является располагаемым теплоперепадом турбины.

Значение Н0 можно определить также расчет­ным путем. При этом, если расширение заканчива­ется в области перегретого пара, используется урав­нение идеального газа:

где к=1,3 — показатель изоэнтропы для перегрето­го пара; р0, рК — начальное и конечное давления

пара; v0 — начальный удельный объем пара.

В действительности процесс расширения пара в турбине имеет значительную степень необратимо­сти, так как течение его в проточной части сопрово­ждается заметными потерями работы. Поэтому ли­ния процесса расширения отклоняется от изоэнтро­пы на диаграммах h, s (рис. 4) и Т, s (рис. 5) в сторону увеличения энтропии.

В результате увеличения энтропии отработавше­го пара при неизменном давлении энтальпия его по­вышается, разность начальной и конечной энталь­пий, представляющая собой действительную рабо­ту, производимую 1 кг пара в турбине, соответст­венно уменьшается и становится равной