книги / Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок

ле котла-утилизатора проходят через фильтр Ф, где отво­ дится ионизатор, и затем выбрасываются в окружающую среду. Соответствующие процессы цикла в Т — 5-диаграмме обозначены на том же рисунке: 12 — сжатие воздуха, 2а — регенеративный подогрев воздуха; аЗ — подвод тепла qx (горение топлива в кислородно-воздушной среде); 34 — рабочий процесс МГДГ; 4Ь — охлаждение продуктов сго­ рания в регенеративном теплообменнике; Ьс — охлажде­ ние продуктов сгорания в котле-утилизаторе. Под этой кривой дважды заштрихованная площадка изображает цикл паровой утилизационной установки.

Следует отметить, что для МГДГ на продуктах сгорания, степень ионизации которых резко уменьшается при повы­ шении давления, степень сжатия в компрессоре (и расши­ рения в МГДГ) выбирают очень малой и цикл 1234 оказы­ вается весьма узким. Все же теоретически по такой комби­ нированной парогазовой схеме можно достигнуть довольно высокого значения абсолютного внутреннего к.п.д. цикла, превышающего 55% (без учета расхода энергии на выработ­ ку кислорода). Так, проектируемый по схеме, изображенной на рис. 8.10, энергетический блок с МГДГ на твердом топли­ ве имеет суммарную мощность 365 МВт, в том числе паро­ турбинная утилизационная часть дает 97 МВт. Давление газа принято 1,0 МПа, температура на входе в МГДГ 3200 К. Ожидаемый электрический к.п.д. блока (без учета расхода энергии на выработку кислорода) 55%.

Рис. 8.11

Термический к.п.д. представленного цикла, как бинар­ ного, в котором тепло топлива подводят только к газовой его части, определяется как отношение суммы работ в МГДГ и паровой турбине к подведенному теплу qx. Соответственно обозначениям точек цикла имеем: подводимое в камере сго­

где tin— термический к.п.д. парового (утилизационного) цикла.

Другой схемой, позволяющей несколько повысить тем­ пературу регенеративного подогрева воздуха и понизить температуру уходящих газов, является схема МГД-установ- ки с расширительной газовой турбиной (рис. 8.11) и более высокой степенью сжатия воздуха в компрессоре. Здесь отработанные в МГДГ газы при еще относительно высоком давлении направляются в регенератор Р, подогревают там воздух, поступающий в камеру сгорания КС, и после этого

подаются в расширительную турбину РТ. Выхлопные газы из этой турбины выбрасываются в окружающую среду, а при необходимости их тепло используют для целей тепло­ снабжения. Теплообмен в регенераторе при повышенном давлении газа несколько уменьшает его размеры и соот­ ветствующие капиталовложения.

Цикл рассматриваемой установки показан на том же рис. 8.11. Как видно, здесь работа расширения совершает­ ся газом как в МГДГ ( /г = i3 — /4), Так и в расширительной турбине (/т = i5— i6). Работа, затраченная в компрессоре,

и ее цикла заключается в том, что благодаря наличию расши­ рительной газовой турбины температура уходящих газов значительно понижается. Отсутствие паротурбинной утили­ зационной части позволяет снизить размеры капитало­ вложений в установку и повысить ее маневренность. Ко­ нечно, при этом ее термический и эффективный к.п.д. ока­ зываются значительно ниже, чем парогазовой.

Замкнутые МГДГ на ионизированных газах. Продукты сгорания, как рабочее тело в МГДГ, имеют серьезные недос­ татки: малая степень ионизации при технически приемле­ мых температурах; большие объемы, вызываемые низким давлением газов; низкий коэффициент теплоотдачи и др. Можно найти ряд более пригодных для этой цели газов. Но при этом обязательным становится применение так назы­ ваемых замкнутых схем, при которых рабочее тело посто­ янно циркулирует по замкнутому контуру, не смешиваясь с окружающей средой.

Определенной аналогией таких схем являются схемы «замкнутых» газотурбинных установок (см. гл. III). При­ веденные на рис. 8.10 и 8.11 схемы установок с МГДГ мо­ гут быть превращены в «замкнутые), если камеру сгорания заменить «газовым котлом», где рабочий газ будет нагре-

ваться через ограждающую стенку, не смешиваясь с про­ дуктами сгорания. Отработавший газ необходимо охлаж­ дать в специальном теплообменнике-охладителе, после которого он должен снова поступать на всас компрессора. Циклы этих установок останутся такими же, как и для от­ крытых (см. рис. 8.10 и 8.11). Однако по той причине, что металл поверхности нагрева газового котла должен иметь более высокую температуру, чем нагреваемый рабочий газ, нельзя поднять температуру последнего до необходимого для МГДГ уровня. Замкнутые МГДГ на ионизированных газах в перспективе могут получить определенное приме­ нение на АЭС при создании соответствующих высокотемпе­ ратурных реакторов. В таких схемах рабочим телом МГДГ может служить высокопроводящий инертный газ, прохо­ дящий непосредственно через тепловыделяющие элементы и нагреваемый в них до необходимой температуры. В част­ ности, таким инертным газом может служить гелий или смеси с ним, обладающие высоким коэффициентом теплоот­ дачи и рядом других качеств, необходимых для рабочих тел МГДГ.

В последние годы исследуются схемы атомных элект­ ростанций с МГДГ и высокотемпературным атомным реак­ тором, нагревающим гелий до 2300—2800 К- Наиболее простая принципиальная схема и термодинамический цикл такой АЭС представлены на рис. 8.12. По этой схеме гелий, нагретый в ТВЭЛ атомного реактора АР при температуре около 2000 К и давлении 0,3— 0,4 МПа, поступает в сопло МГДГ, разгоняется там до определенной скорости, после чего в канале МГДГ вырабатывает электрическую энергию.

Отработавший газ охлаждается в регенераторе Р, а затем в холодильнике ГО, отдавая там тепло окружающей среде. Вследствие неравенства значений теплоемкостей газа на изобарах 2а и 4Ьи наличия температурного напора в регене­ раторе, температура регенеративного подогрева Та оказы­ вается невысокой, а потеря тепла с уходящими газами д2 значительной. Для уменьшения этой потери предполагается комбинировать цикл МГДГ с циклом газотурбинной уста­ новки так, чтобы после выхода из регенератора газы могли дополнительно расширяться в газовой турбине, тем самым понижая температуру отвода тепла к окружающей среде. При этом степень повышения давления газа в компрессоре значительно увеличивается и становится целесообразным двухступенчатое сжатие гелия с его промежуточным ох­ лаждением.

Более высокий к.п.д. установки можно получить, если осуществить на АЭС парогазовый цикл с МГДГ. Схема та­ кой установки и ее цикл показаны на рис. 8.13. Здесь: АР — высокотемпературный атомный реактор; Р — ре­ генератор; КУ — паровой котел-утилизатор; ГО — охла­ дитель рабочего газа; К — компрессор; ПТ — паровая тур­ бина с конденсатором; Н — питательный насос. Как видно, эта установка подобна парогазовой установке с МГДГ на органическомтопливе(см.рис. 8.10). Все отличие заключает­ ся лишь в замене камеры сгорания высокотемпературным реактором. Циклы обоих установок подобны друг другу. Полная аналогия будет и в расчете к.п.д.

Чтобы представить возможный порядок значения к.п.д. и величин мощностей отдельных агрегатов МГД-уста- новок на АЭС, рассмотрим проектные данные атомной элек­ тростанции с МГДГ, схема которой изображена на рис. 8.13. Мощность этой парогазовой установки с МГДГ N = = 380 МВт. Рабочий газ МГДГ — смесь аргона и цезия. Температура газа на входе в МГДГ 2500 К. Вырабатывае­ мая паровой турбиной мощность составляет 38 МВт, а ком­ прессор потребляет 135 МВт, поэтому введен дополнитель­ ный электродвигатель ЭД мощностью 97 МВт. Полная мощ­ ность собственно МГДГ составляет 515 МВт.

Паровая часть цикла в таких установках является ути­ лизационной, поэтому ее параметры целиком определяются температурой газа по выходе из регенеративного подогре­ вателя (точка Ь).

Во всех случаях параметры пара на выходе из котлаутилизатора и параметры промперегрева выбирают такими» чтобы получить максимальную работу турбины. Темпера­ тура пара при этом обычно не превышает800 К, а давление— 5,0 -^9,0 МПа.

Задача создания замкнутых установок АЭС с МГДГ яв­ ляется очень сложной. Пока остаются нерешенными мно­ гие вопросы как самого МГДГ, так и сооружения соответ­ ствующего высокотемпературного реактора. Практически еще невозможно построить регенератор при температурах теплообмена до 2000 К. Много идругих вопросов нуждаются еще в детальной научно-исследовательской проработке. Поэтому большое внимание уделяется сейчас перспективе применения на АЭС высокотемпературных газовых турбин (с охлаждением их проточной части), которые дают возмож­ ность в комбинации с утилизационными паротурбинными ус­ тановками получать к.п.д., близкий к к.п.д. АЭС с МГДГ

Циклы жидкометаллических МГД-установок. В послед­ нее время большое внимание стало уделяться созданию МГД-преобразователей, в качестве рабочего тела которого используется расплавленный жидкий металл. Это объяс­ няется тем, что проводимость жидкого металла в несколько тысяч раз выше проводимости газов и, кроме того, она не связана с высокими температурами, как у газов. Более простым оказывается и техническое осуществление жид­ кометаллических МГДГ по сравнению с плазменными. Жидкометаллические теплоносители получают применение в современной ядерной энергетике. В частности, жидкие щелочные металлы используют в реакторах на быстрых ней-

тронах. Наибольшее применение имеют такие металлы, как натрий, обладающий относительно небольшим сечением захвата тепловых нейтронов, и сплав натрия и калия, яв­ ляющийся жидким уже при нормальной температуре. Вмес­ те с тем они обладают такими отрицательными свойствами, как опасное взаимодействие с водой и кислородом воздуха, вызывающее самовоспламенение и взрывы.

Предложено несколько различных схем жидкометалли­ ческих МГДГ [18]. Рассмотрим здесь такие преобразовате­ ли с одним и двумя рабочими веществами. Принцип работы первой группы энергетической МГД-установки с жидкоме­ таллическим рабочим телом рассмотрим на примере одно­ контурной схемы (рис. 8.14). Там же показан и ее цикл в Т — s-координатах. Здесь рабочая жидкость, характери­ зующаяся состоянием точки Г , после выхода из МГДГ, используя имеющуюся остаточную скорость, сжимается в диффузоре до верхнего давления цикла, соответствующего температуре насыщения Т г (процесс Т2 цикла). Затем в на­ гревателе ИТ (источник тепла) рабочее тело при постоян­ ном давлении р23 нагревается до Т г и частично испаряется (процесс 23). Образовавшийся двухфазный поток жидкоме­ таллического теплоносителя попадает в разгонное сопло С, где осуществляется процесс расширения 34 до нижней тем­ пературы цикла Тх. Эта температура и соответствующее ей давление насыщения рл определяется температурой отвода тепла в конденсаторе /(Я . Жидкий металл, характеризуе­ мый состоянием точки 1 и обладающий определенной кине­ тической энергией, попадает в МГДГ, где преобразует эту энергию в электрическую (пересекая магнитный поток).

Недостаток схемы заключается в больших гидравлических потерях в конденсаторе. Значительно более эффективным оказывается применение струйного инжектора-конденса­ тора. При этом схема становится двухконтурной (рис. 8.15). Здесь жидкометаллическое рабочее тело нагревается и час­ тично испаряется в источнике тепла ИТ, в результате чего образуется двухфазный поток заданного паросодержания и поступает в разгонное сопло С, где расширяется, приобретая определенную скорость движения. Для ликвидации об­ разовавшейся паровой фазы, ухудшающей проводимость потока, на входе в инжектор-конденсатор происходит впрыск жидкого металла из охладителя ОМ. Жидкий ме­ талл из инжектора-конденсатора направляется в МГДГ, где преобразует свою кинетическую энергию в электричес­ кую. После выхода из МГДГ поток разветвляется, одна часть его идет в нагреватель ИТ (для нагрева и испарения), а другая — в охладитель ОМ. Далее цикл повторяется. Такого типа установки при использовании в качестве рабочего тела жидкого натрия имеют относительно невы­ сокий к.п.д. из-за больших гидравлических потерь. Так, при Т г = 1500 К, температуре конденсации Тк= 900 К и температуре на выходе из охладителя 500 К к.п.д. пре­ образования тепловой энергии в кинетическую оценивается

в6%.

Кдругой группе жидкометаллических МГДГ относятся установки комбинированного типа, где одновременно ра­ ботает два вещества. Одно из них является жидким рабо-

чим телом МГДГ, не изменяющим своего фазового состоя­ ния, а другое— периодически превращающимся из жид­ кости в пар и служит для разгона жидкого рабочего тела перед его поступлением в МГДГ. Схема такой установки (рис. 8.16) двухконтурная: в контуре / постоянно циркули­ рует рабочая жидкость, а в контуре II — пар другого вещест­ ва, меняющий свое фазовое состояние. Контур I называют

жидкостным, а контур II—паровым. Тепло Q± от горячего источника подводится к рабочей жидкости контура I в теп­ лообменнике АР (атомном реакторе).

Установка работает следующим образом. Нагретая в реакторе АР рабочая жидкость поступает в смеситель СМ, где встречается с легкокипящей жидкостью контура //, испаряет ее и в смеси с этим паром поступает в разгонное сопло PC. Набрав там определенную скорость, рабочая жидкость отделяется от этого пара в сепараторе СП (с минимальной потерей скорости) и направляется в МГДГ для работы. Здесь благодаря пересечению магнитного по­ тока скорость ее падает и происходит превращение кине­ тической энергии рабочей жидкости в электрическую. По­ ступая затем в диффузор Д, рабочая жидкость восстанав­ ливает свое давление и направляется в атомный реактор АР для нагрева. В контуре II (паровом) процессы происхо­ дят следующим образом. Из конденсатора К легкокипящая жидкость электромагнитным насосом ЭН подается в смеси­ тель СМ, где, встречаясь с горячей рабочей жидкостью, вски­ пает, превращается в пар и в смеси с рабочей жидкостью истекает через сопло PC, разгоняя эту жидкость до нужной

скорости. Затем, отделившись в сепараторе СП от жидкос­ ти, направляется в конденсатор К, где отдает тепло Q2t превращаясь в жидкое состояние — конденсат. Насосом ЭН этот конденсат снова подается в смеситель СМ, превраща­ ется там в пар, и цикл повторяется. Цикл парового конту­ ра изображен на рис. 8.16. Здесь: процесс 12— работа разгона жидкого металла; процесс 41 — испарение и перегрев за счет смешения с горячей рабочей жидкостью; процесс 23 — процесс конденсации пара (процесс в конден­ саторе). Рабочее (контур /) и разгонное (контур II) ве­ щества подбирают таким образом, чтобы при одной и той же температуре Тг первое находилось в жидком и второе в паровом состоянии. Такой парой могут, в частности, быть ртуть и водяной пар.

Главным достоинством приведенной парожидкостной схемы МГДГ является возможность ее работы при относи­ тельно низких температурах. Основной недостаток — низ­ кий термический к.п.д. Так, при работе на ртути и воде максимальный термический к.п.д. цикла не превышает 25—30%, а эффективный к.п.д. установки — в несколько раз меньший.

Выбор оптимальных параметров цикла парожидкостной установки характеризуется некоторыми особенностями. Учитывая, что процесс расширения в сопле PC идет с подо­ гревом практически без изменения температуры пара, мож­ но считать этот процесс изотермическим. Тогда суммарная теоретическая работа расширения

^рз с = GnRnTАIn {pJPi) ~h

+ (On+ бж) (a| — w\)l2 + G}l{ (p2 — pj) vM, (8.38)

где pl9 Tx — параметры пара на входе в сопло; р2— дав­ ление пара и жидкости на входе в МГДГ; Gn, G>I; — соот­ ветственно масса пара и жидкости; vm— удельный объем жидкости.

Теоретическая работа сжатия, затрачиваемая в электро­ магнитном насосе ЭН и в диффузоре Д,

При этом термический к.п.д. цикла парожидкостной установки