книги / Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок

Наибольший эффект от комбинирования газовых и па­ ровых циклов достигается в том случае, когда паровой цикл по отношению к газовому является полностью утили­ зационным. В этом случае паровая часть установки рабо­ тает без дополнительной затраты топлива.

На рис. 5.16 приведена схема комбинированной ПГУ, состоящей из высокотемпературной ГТУ, котла-утилизатора и паровой турбины. Здесь газотурбинная часть состоит из компрессора /С, камеры сгорания КС и газовой турби­ ны ГТ Температура поступающих в турбину газов 1100— 1200°С, что'вынуждает устраивать охлаждение рабочих ло­ паток водяным паром. Охлаждающее устройство одновре­ менно является пароперегревателем для вырабатываемого

вкотле-утилизаторе /СУ водяного пара. Электрический к.п.д. парогазовой установки достигает 50 — 52%.

Термодинамический цикл ПГУ в Т — s-координатах показан там же на рис. 5.16. Подстройка парового цикла abed к газовому 1234 приводит к уменьшению отводимого тепла в окружающую среду от газового цикла на пл. 45f7 При этом дополнительно отводится в окружающую среду тепло конденсации в паровом цикле (пл. fade). Отводимое

впроцессе 34 тепло охлаждения ГТ подводится водяному пару и в сумме с используемой теплотой уходящих газов будет соответствовать пл. fabce, равной qln. Термический к.п.д. всего комбинированного цикла

верхнего цикла используется в нижнем. Для получения мак­ симального термического к.п.д. необходимо газовую часть его приближать к трапеции 1234, а паровой — к треуголь­ нику 145.

Это можно сделать следующими способами:

а) осуществить многоступенчатый подвод тепла в газо­ вом _цикле;

б) осуществить высокотемпературное адиабатное сжатие газа (процесс 12). При этом никакой газовой регенерации и многоступенчатого сжатия воздуха с промежуточным ох­ лаждением здесь не требуется. Их применение в данном слу­ чае может только ухудшить термический к.п.д. всего цикла;

в) применить сверхкритическое начальное давление па­ ра без его промежуточного перегрева.

Регенеративный подогрев питательной воды здесь также неприменим и может привести только к росту потерь с уходящими газами и уменьшению работы паровой части цикла. Вместе с тем осуществление сверхкритического дав­ ления водяного пара в цикле без промежуточного перегре­ ва приводит к недопустимой конечной влажности водяного пара в турбине.

Бинарный парогазовый цикл практически можно осу­ ществить с помощью низкокипящих веществ (НКВ), напри­ мер углекислого газа, аммиака или некоторых фреонов, имеющих низкую температуру в критической точке (30—

50°С). Однако усложнение установки и ряд эксплуатацион­ ных затруднений пока не позволили создать такие установ­ ки. В этих условиях приближение реального цикла ПГУ к оптимальному можно достигнуть применением двукратного перегрева водяного пара при его сверхкритическом давле­ нии (рис. 5.18).

Как видно из этого рисунка, полученный таким путем цикл оказывается только частично бинарным, а его терми­ ческий к.п.д. относительно невысоким. На величину дости­ гаемого к.п.д. значительно влияет также разность темпера­ тур между отработавшими в ГТ газами и нагреваемой жид­ костью в паровой части цикла. Если, например, за счет ох­ лаждения продуктов сгорания (по изобаре 45) рабочее тело парового цикла будет подогрето до состояния, соответствую­ щего точке g, то очевидно, что наименьшие разности тем­ ператур и наименьшие потери работы от необратимого теп­ лообмена будут достигнуты только в том случае, когда изо­ бара газов на участке 45 и паровая изобара на участке bg окажутся близки друг к другу.

Оптимальное значение относительного расхода пара, обеспечивающее наименьшие потери от необратимости теп­

Отклонение действительного значения d в меньшую и большую стороны от donT приводит к увеличению средней разности температур Д /Ср и к росту потерь возможной работы.

Однако если небинарная часть парового цикла (пл. gcdefh на рис. 5.18) имеет внутренний к.п.д. более высокий, чем бинарная часть комбинированного цикла, то оказы­ вается термодинамически выгодным увеличить d сверх

^ощ-

Последние наши исследования показали, что большее, значение эффективного к.п.д. ПГУ может быть получено, если понизить температуру в точке 2 (рис, 5. 18) дрТопг и применить предварительное ступенчатое сжатие с промохлаждением (от точки /), уменьшающее величину срсж.

ЦИКЛЫ ЯДЕРНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

§ 6.1. Принципиальные схемы атомных электростанций и особенности их работы

Громадные достижения физики атомного ядра в послед­ ние десятилетия дали возможность использовать в мирных целях атомную энергию, обладающую колоссальной кон­ центрацией. Достаточно сказать, что при расщеплении 1 кг урана (U235) выделяется около 80 млрд. кДж. тепла, что соответствует сжиганию 2,5 тыс. ткаменного угля. Еще большее количество энергии выделяется при синтезе легких элементов в ядерных реакциях. Все это делает запасы ядерной энергии практически неистощимыми. Использование атомной энергии для выработки электрической энергии на тепловых электростанциях впервые в мире было осущест­ влено в СССР. В 1954 г. под Москвой была пущена первая атомная электростанция мощностью 5 МВт. В настоящее время атомные электростанции занимают все больший и больший вес в энергетике таких стран, как*Англия, США и

СССР. Особое развитие получают АЭС в странах с малыми запасами органических топлив, где к 1985 г. предполагает­ ся. довести установленную мощность АЭС до 25—30% общей мощности энергосистем этих стран (ФРГ, Англия, Япония и др.). В Советском Союзе в текущей пятилетке бу­ дет построено АЭС общей мощностью 13— 15 млн. кВт. Особое развитие АЭС получат в европейской части СССР,

где ощущается недостаток органического топлива. Боль­ шинство современных АЭС строят на так называемых теп­ ловых реакторах с водяным или газовым теплоносителями.

Их тепловые схемы различают по виду теплоносителей и числу контуров, по которым они циркулируют. Сущность

устройства и работы АЭС можно уяснить из рассмотрения принципиальной тепловой схемы первой атомной станции и ее цикла (рис. 6.1). Она относится к двухконтурным схе­ мам. Здесь в контуре / станции теплота отводится от тепло­ выделяющих элементов (ТВЭЛ) реактора АР и с помощью циркулирующего теплоносителя передается водяному пару в парогенераторе Я Г. Агрегаты контура / вследствие радио­ активности теплоносителя отделяются от остальной части станции специальной биологической защитой — стеной из барритобетона (на схеме показана двумя штриховыми ли­ ниями). Контур II схемы подобен обычной паротурбинной установке. Здесь выработанный в парогенераторе водяной пар поступает в паровую турбину ПТ, производит там ме­ ханическую энергию, затем конденсируется в конденса­ торе К и питательным насосом Н снова направляется в парогенератор. В качестве теплоносителя контура / здесь используют воду под высоким давлением, а водяной пар

вконтуре II слабо перегретый.

Впредставленном на Т — 5-диаграмме (рис. 6.1) цикле рассматриваемой АЭС: кривая ab — изобара теплоносителя, циркулирующего в контуре /, а пл. аЬ67 — тепло, отдавае­ мое им водяному пару в парогенераторе. Это же тепло под­ водится в паровом цикле по изобаре 41, равное пл. 5417 и представляет собой величину qx. Процесс 12 — работа пара в паровой турбине; процесс 23 — конденсация отра­

Таким образом в контуре II совершается обычный прос­

то

тейший цикл Ренкиыа слабо перегретого пара без регене­ рации. Термический к.п.д. этого цикла

Наиболее высокие параметры водяного пара на входе в турбину атомной установки получают в одноконтурных схемах (рис. 6.2), где применяются реакторы кипящего типа. Водяной пар перегревается в самих ТВЭЛ и затем непосредственно поступает в паровую турбину. Поскольку перегретый водяной пар, выработанный в реакторе АР% оказывается слаборадиоактивным, то паровая турбина ПТ с конденсатором и вспомогательным оборудованием в био­ логической защите не нуждается. Изолируется только реак­ тор. Как видно, здесь осуществляется обычный цикл Ренкина перегретого пара с регенерацией (условный процесс

34цикла).

Водноконтурных схемах можно применять и газовый

теплоноситель, одновременно являющийся рабочим телом замкнутой ГТУ. Принципиальная схема такой газотурбин­ ной атомной установки показана на рис. 6.3. Здесь компрес­ сором К рабочий газ нагнетается в реактор АР, где он подогревается до заданной температуры, и затем поступает в газовую турбину ГТ. Отработавший газ охлаждается в холодильнике ГО и снова идет в компрессор К, т. е. осу­ ществляется газовый цикл с изобарным подводом тепла (цикл Брайтона). Термический к.п.д. такого цикла

где m = (k — 1 )lk.

ж

Таким образом, в атомных энергетических установках применяются паровые или газовые циклы, не имеющие принципиальных отличий от циклов обычных пароили газотурбинных установок. Вместе с тем в выборе парамет­ ров циклов имеются свои.особенности, определяемые свой­ ствами атомных реакторов менять свою мощность в зави­ симости от температур теплоносителя. В частности, первой особенностью является то, что максимальная тепловая мощ­ ность реактора ограничивается допустимой температурой покрытия тепловыделяющих элементов, зависящей от ин­ тенсивности их охлаждения. Например, обычно допустимая температура покрытия из алюминиевых и магниевых спла­ вов составляет 670—720 К, из нержавеющей стали (тепло­ носитель — вода) — до 870 К- Отдельные реакторы допус­ кают максимальную температуру ТВЭЛ до 1100— 1300 К. Также ограничивает тепловую мощность реакторов допус­ тимая температура ядерного горючего, определяющая его фазовые превращения. Так, для металлического урана уже при Т = 870 К наступает переход его из а- в p-фазу. Для двуокиси урана предельной температурой является его температура плавления (3030 К). Следовательно, для каж­ дого типа ТВЭЛ и его покрытия имеются свои допустимые температуры теплоносителя и иаивыгоднейшие для них тер­ модинамические циклы.

Второй особенностью атомных электростанций являет­ ся относительно небольшая доля топливной составляющей в балансе стоимости вырабатываемой электроэнергии. Если на обычных тепловых электростанциях топливная состав­ ляющая доходит до 60%, то на атомных станциях она сос­ тавляет 15 -т- 40% в зависимости от количества попутно производимого плутония. По этим причинам требования,