8977

20

теплота в цикле никогда не может полностью перейти в работу. Поэтому тер-

мический КПД показывает отношение фактически неравноценных величин. С

этой точки зрения определение экономичности с помощью эксергетического КПД методически более правильно.

21

2. АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРОСИЛОВОГО ЦИКЛА РЕНКИНА

2.1. Цикл Ренкина

В настоящее время большинство паротурбинных установок конденса-

ционных тепловых электростанций работают по циклу Ренкина.

Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, показа-

на на рис. 2.1. Питательная вода и конденсат поступают в паровой котѐл I,

где происходит процесс парообразования. Насыщенный влажный пар нагре-

вается в пароперегревателе II до состояния сухого перегретого пара. В этом состоянии пар направляют по паропроводу III в паровую турбину IV, где он,

расширяясь, совершает полезную механическую работу, вращая соединѐн-

ный с турбиной электрогенератор V, служащий для выработки электроэнер-

гии. Обработанный пар поступает из турбины в конденсатор VI, охлаждается здесь водой и конденсируется до жидкого состояния.

Образовавшийся конденсат перекачивают конденсатным насосом VII в

паровой котѐл, и затем весь процесс повторяется.

Комплекс, включающий турбину, конденсатор, конденсатный насос, а

также масляный насос и систему регулирования турбины, называют турбо-

установкой.

Комплекс, включающий турбоустановку и электрогенератор,

называют турбогенератором.

Впаросиловую установку входят: турбогенератор, котѐл, паропроводы

иразличные вспомогательные устройства.

Цикл Ренкина изображѐн на диаграммах p – v , T – s и h – s на рис. 2.2,

2.3 и 2.4 соответственно.

22

Рис. 2.1. Схема паросиловой установки, работаю-

щей по циклу Ренкина

На указанных диаграммах: линия 1–2д – действительный адиабатный процесс расширения с трением перегретого пара в турбине до состояния влажного насыщенного пара (линия 1–2 – идеальный обратимый процесс расширения без трения); линия 2д –3 – изобарно-изотермический процесс конденсации отработанного пара в конденсаторе до состояния жидкости; ли-

ния 3–4д – действительный адиабатный процесс повышения давления воды насосом от давления р2 за турбиной до давления р1 перед турбиной (линия 3–

4 – идеальный обратимый процесс без трения); линия 4д –5 – предваритель-

ный изобарный нагрев воды в котле до температуры кипения; линия 5 –6 –

изобарно-изотермический процесс кипения воды в котле; линия 6 –1° – изо-

барный процесс перегрева пара в пароперегревателе; линия 1°–1 – изобарный процесс охлаждения пара в паропроводе за счѐт потерь теплоты в окружаю-

щую среду (потерей давления в паропроводе пренебрегаем).

Следует отметить, что при повышении давления воды в насосе вследствие незначительной сжимаемости жидкости объѐм и температура последней практически не изменяются. Поэтому на диаграмме p – v точки 4 и 4Д

23

фактически совпадают с точкой 5, а на диаграмме Т – s точки 4 и 4Д фактиче-

ски совпадают с точкой 3.

Рис. 2.2. Цикл Ренкина в диаграмме p-v

Изотермы ТТ и Т0; на T – s диаграмме определяют температуры сгора-

ния топлива в топке котла и охлаждающей воды в конденсаторе соответ-

ственно.

Таким образом, подвод теплоты q1 к рабочему телу осуществляется в котельной установке по изобаре 4д–5–6–1 (без учѐта потерь тепла в паропро-

воде), а отвод теплоты от рабочего тела происходит в конденсаторе по изо-

баре-изотерме 2д–3.

Так как в изобарном процессе количество подведѐнной (или отведѐн-

ной) теплоты определяется разностью энтальпий рабочего тела в начале и в конце процесса, то для необратимого цикла Ренкина можно записать:

24

Рис. 2.3. Цикл Ренкина в диаграмме T – s

Для обратимого цикла Ренкина подведѐнная и отведѐнные теплоты со-

ответственно равны:

С учѐтом этих соотношений получаем для термического КПД цикла:

25

Рис. 2.4. Цикл Ренкина в диаграмме h – s

Применительно к обратимому циклу Ренкина:

Разность представляет собой располагаемый перепад энталь-

пий, превращаемый в кинетическую энергию потока и затем в работу в тур-

бине; разность равна технической работе, затрачиваемой в насосе.

Вдальнейшем теоретическую работу турбины будем обозначать

атеоретическую работу насоса

26

Тогда теоретическая работа обратимого цикла Ренкина

Для действительного процесса расширения с трением работа пара в турбине

Поскольку всегда , следовательно: .

Аналогично работа, затрачиваемая на привод насоса, в действительном процессе с трением

при этом всегда , поэтому: .

Работа, производимая в действительном цикле Ренкина:

Внутренний относительный КПД паровой турбины определяется сле-

дующим образом:

⁄

поэтому

Внутренний относительный КПД насоса равен

⁄

откуда

С учѐтом (2.13) и (2.15)получаем из (2.11)

27

Относительный внутренний КПД цикла (точнее, комплекса турбина – насос) в соответствии с уравнением (1.3) определяется следующим выраже-

нием:

2.2. Анализ цикла Ренкина методом коэффициентов полезного действия

Целью анализа является определение по заданным параметрам цикла и коэффициентам полезного действия отдельных элементов установки эффек-

тивного абсолютного КПД всей паросиловой установки в соответствии с уравнением (1.13) и потерь теплоты в отдельных элементах установки.

Расчет производят в такой последовательности.

1. В соответствии с заданным вариантом работы определяют пара-

метры рабочего тела (водяного пара и воды) - давление, температуру, удель-

ный объѐм, энтальпию, энтропию, степень сухости х - в основных точках

цикла. Найденные значение параметров записывают в таблице.

Параметры сухого перегретого пара в точке 1 перед турбиной опреде-

ляют по заданным начальным давлению и температуре , из таблиц тер-

модинамических свойств воды и водяного пара [4] или из диаграммы h – s

водяного пара [5].

Параметры влажного насыщенного пара в точке 2 за турбиной для изо-

энтропного (обратимого) процесса расширения определяют по заданному

28

конечному давлению р2 и величине энтропии s1 в точке 1 из диаграммы h –s ,

опуская из точки 1 вертикаль до пересечения с изобарой р2.

Для определения параметров в точке 2Д за турбиной при действитель-

ном (необратимом) процессе расширения необходимо вначале найти энталь-

пию h2д из уравнения (2.13):

где – заданный относительный внутренний КПД турбины.

Тогда точка 2Д на h –s - диаграмме определится пересечением изо-

энтальпы h2Д с изобарой р2. После этого по h –s –диаграмме находят осталь-

ные параметры пара в точке 2Д. Одновременно следует записать величину степени сухости х для этой точки.

Параметры пара в точке 2т (теплофикационный цикл) определяют по диаграмме h–s для давления p2т (табл. 1 Приложения) и s2т = s1.

Параметры конденсата в точке 3 за конденсатором перед насосом определяют по таблицам [4] для воды на линии насыщения по заданному давлению насыщения р2. Параметры воды в точке 4 за конденсатным насо-

сом для изоэнтропного (обратимого) процесса повышения давления опреде-

29

ляют по [4] по заданному начальному давлению р1 и величине энтропии s3 в

точке 3.

Для определения параметров воды в точке 4Д за насосом при действи-

тельном (необратимом) процессе повышения давления сначала необходимо

найти энтальпию из уравнения (2.15):

где – заданный относительный КПД насоса.

Остальные параметры воды в точке 4д определяют из [4] по заданному давлению р1 и найденной энтальпии h4д.

Параметры кипящей воды в точке 5 определяют из [4] по заданному

давлению p 1 .

Параметры сухого насыщенного пара в точке 6 определяют по задан-

ному давлению р1 из [4] или из диаграммы h –s .

Для определения параметров перегретого пара в точке 1° в начале па-

и h4Д. Остальные параметры в этой точке определяют по [4], считая давление

р1° = р1.

Параметры конденсата в точке 0 определяют из [4] по заданным пара-

метрам окружающей среды (охлаждающая вода в конденсаторе)

бар и .

Для определения параметров рабочего тела в основных точках цикла,

кроме таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара [4] и h – s -

диаграммы водяного пара, можно использовать также соответствующие уравнения для определения термодинамических параметров воды, кипящей