Вода, водяной пар

Размещено на http://www.allbest.ru/

Водяной пар

парообразование установка паротурбинный



Во многих областях промышленного производства широко используется водяной пар. Он применяется как рабочее тело в паровых машинах, паровых турбинах, в атомных установках, как теплоноситель в различных теплообменных аппаратах.

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Парообразование, которое происходит со свободной поверхности жидкости при любой температуре, называется испарением. Парообразование, происходящее в основном в объеме самой жидкости за счет испарения ее внутрь пузырьков пара, называется кипением.

Если парообразование происходит в закрытом сосуде, то может наступить такое состояние, когда количество молекул, вылетающих из жидкости, будет равно количеству молекул, возвращающихся обратно в жидкость. В этом состоянии в сосуде над жидкостью будет находиться максимально возможное количество молекул при данных условиях. Пар в этом состоянии будет иметь максимальную плотность и называться насыщенным.

Насыщенный пар, в котором отсутствуют мелкодисперсные частицы жидкой фазы, называется сухим насыщенным, а насыщенный пар, в котором содержатся взвешенные мелкодисперсные частицы жидкости -влажным насыщенным.

Массовая доля сухого насыщенного пара во влажном паре, называется степенью сухости x.

.

Если сухому насыщенному пару сообщить некоторое количество теплоты при p = const, температура его повысится, и пар станет перегретым. Перегретый пар не является насыщенным, так как удельный объем его больше, чем у сухого насыщенного пара, а плотность меньше.

Для выполнения теплотехнических расчетов, связанных с применением жидкостей и паров в энергетических и промышленных установках, необходимо располагать данными по их термодинамическим параметрам. Такие данные могут быть получены с помощью уравнения состояния соответствующего вещества. Для большинства веществ, применяемых в настоящее время в технике, получены достаточно точные уравнения состояния, но они настолько сложны, что пользоваться ими в повседневных расчетах практически невозможно. Поэтому в расчетной практике используются не сами уравнения, а составленные по ним таблицы термодинамических параметров жидкостей и паров.

Однако аналитические расчеты с помощью табличных данных усложняются, если термодинамический процесс сопровождается фазовым переходом, так как параметры рабочего тела в различных его фазах выражаются различными формулами.

В связи с этим широко применяется графический метод расчета с помощью диаграмм воды и водяного пара.

Процесс парообразования

Рассмотрим процесс парообразования в pх-диаграмме (рис. 9.1). Допустим, начальное состояние 1 кг воды определяется температурой t = 0 оС и давлением р (точка 1 в диаграмме). Подведем теплоту и начнем греть воду при постоянном давлении р. Сначала вода нагревается до температуры кипения (температура насыщения) tн (точка 2), при которой начинается процесс парообразования. Затем при постоянных температуре и давлении вода будет кипеть и превращаться в пар (линия 2-3). В точке 3 последняя капля воды выкипает, и пар становится сухим, насыщенным. После этого температура пара начнет повышаться, и пар становится перегретым (линия 3-4).

Повысим давление до p>p и повторим процесс подвода теплоты при p=const. Точка 1, определяющая положение 1 кг воды при этом давлении и температуре 0оС, располагается почти на одной вертикали с точкой 1, так как вода практически не сжимается. Точка 2 (начало парообразования) - правее точки 2, а точка 3 (конец парообразования) сместится левее точки 3. Линия 2-3 короче линии 2-3. При давлении линия станет еще короче. Таким образом, с повышением давления точки 2 и 3 сближаются и при критическом давлении pкр, которому соответствует критическая температура tкр, сливаются в общую точку К, называемую критической точкой. Как отмечалось ранее, это конечная точка фазового перехода жидкость-пар, который начинается в тройной точке А. В тройной точке сосуществуют три фазы: твердая, жидкая и газообразная.

Выше критической точки вещество в двухфазном состоянии находиться не может. Никаким давлением нельзя перевести газ в жидкое состояние при температурах выше критической.

В диаграмме линия А-1-1-1 соответствует состояниям воды при t = 0 оС и различных давлениях. Линия А-2-2-2-К соответствует состояниям кипящей жидкости при различных давлениях и называется нижней пограничной кривой (х=0). На этой линии начинается фазовый переход жидкость-пар. Линия К-3-3-3 называется верхней пограничной кривой. На ней заканчивается фазовый переход, и пар становится сухим, насыщенным (х=1).

I ? область между линиями воды при t = 0 оС и нижней пограничной кривой, соответствующая состояниям воды при температурах от 0 оС до tн и различных давлениях.

II - область под нижней и верхней пограничными кривыми, представляющая собой двухфазную область, где сосуществуют влажный насыщенный пар и кипящая жидкость.

III - область правее верхней пограничной кривой, а также область выше критической точки, соответствующие состоянию перегретого пара.

Ts-диаграмма воды и водяного пара

Примем за начало отсчета калорических параметров (u, i, s) 0 оС (273,16 К) и любое давление p. Следовательно, начальному состоянию воды при T = 273,16 К и давлении p на Ts-диаграмме соответствует точка 1 (рис. 9.2). Если подвести к 1 кг воды теплоту q при p=const, энтропия будет увеличиваться:

Рис. 9.2

В области жидкого состояния при невысоких давлениях можно считать сp=const, тогда, интегрируя последнее уравнение в пределах от 273,16 К до Тн (Тн ? температура насыщения при давлении ), получим

Таким образом, изобара воды представляет собой экспоненциальную кривую 1-2. В точке 2 вода закипает и начинается фазовый переход (парообразование) при постоянном давлении и постоянной температуре (прямая 2-3). В точке 3 выкипает последняя капля воды, пар становится сухим, насыщенным и начинается перегрев пара. В области перегретого пара изобара 2-3 переходит в кривую 3-4, приближаясь постепенно, по мере удаления от точки 3, к экспоненте (там, где зависимость теплоемкости перегретого пара ср от температуры становится незначительной).

Состоянию воды при давлении p>p и температуре t = 0 оС соответствует точка 1, совпадающая с точкой 1. Начало кипения - точка 2 выше и правее точки 2, конец парообразования - точка 3 выше и левее точки 3. Таким образом, с повышением давления так же, как и в pх-диаграмме, точки 2 и 3 сближаются и при критическом давлении Pкр, которому соответствует критическая температура Tкр, сливаются в критическую точку К.

Изобара 1-К, соответствующая критическому давлению, практически сливается с нижней пограничной кривой (х = 0), которая начинается в тройной точке 1. Нижняя пограничная кривая образуется точками, соответствующими началу парообразования при различных давлениях. Точки, соответствующие концу парообразования, образуют верхнюю пограничную кривую К-L. 1-L - изобара тройной точки (p = 6112 кПа). В области влажного пара х1, х2….хn - линии постоянной степени сухости.

Пограничные кривые делят диаграмму на три части: влево от кривой 1-К располагается область жидкости, между кривыми 1-К и К-L - область влажного пара, вправо от кривой К-L и вверх от точки К - область перегретого пар. Часть диаграммы, расположенная ниже линии 1?L, соответствует различным состояниям смеси лед + пар. Верхняя пограничная кривая не заканчивается в точке L, а продолжается вниз, отделяя область перегретого пара от области двухфазного состояния лед + насыщенный пар.

Площадь, заключенная между изобарой воды 123 и осью абсцисс изображает удельное количество теплоты, сообщенной воде в данном процессе, и определяется из выражения

(9.1)

Так, например, площадь фигуры 012s0 изображает количество теплоты, сообщенной воде для нагревания ее от 0 °С до температуры кипения tн. Площадь прямоугольника s23ss ? количество теплоты, сообщенной 1 кг кипящей жидкости для превращения ее в сухой насыщенный пар, которая называется удельной теплотой парообразования r. Из диаграммы видно, что

Такой же результат получается из выражения (9.1) при T = const, q = Tн (s -s).

Если состояние перегретого пара характеризуется точкой 4, то сообщенная сухому насыщенному пару теплота изображается площадью фигуры s345. Удельная теплота парообразования состоит из работы расширения которая называется внешней теплотой парообразования, и работы разъединения молекул , которая называется внутренней теплотой парообразования.

r = + ,

где

,

Удельная работа любого обратимого цикла определяется из выражения

l = q1 - q2

и в Ts-диаграмме изображается площадью самого цикла. На практике Ts-диаграмма широко используется при исследовании термодинамических процессов и циклов, так как позволяет видеть изменение температуры рабочего тела, определять количество теплоты, участвующей в процессе, а следовательно, и работу цикла. Некоторым неудобством является то, что при определении количества теплоты и работы необходимо измерять соответствующие площади.

is-диаграмма воды и водяного пара

Рис. 9.3

Для анализа термодинамических процессов более удобной является is-диаграмма (рис. 9.3), в которой техническая работа и количество теплоты, участвующие в процессах, изображаются не площадями, как в Тs-диаграмме, а отрезками линий. is-диаграмма впервые была предложена Молье, поэтому называется его именем. При построении диаграммы за начало координат принято состояние воды в тройной точке. В диаграмме, откладывая значения s и i для различных состояний воды при температуре кипения, а также значение s и i для сухого насыщенного пара, получим нижнюю (х = 0) и верхнюю (х = 1) пограничные кривые. Как и в pх-диаграмме, I - область некипящей воды, II - двухфазная область, III - область перегретого пара.

В области влажного пара (в двухфазной области) изобары изображаются прямыми, веерообразно расходящимися из нижней пограничной кривой. В области же перегретого пара они имеют небольшую выпуклость в сторону оси S и приближаются к логарифмическим кривым. Изотермы в двухфазной области, также как и в pх- и Ts-диаграммах, совпадают с изобарами. В области перегретого пара при небольших давлениях они имеют почти горизонтальное направление (перегретый пар по своим свойствам приближается к идеальному газу), а в области высоких давлений и при приближении к линии насыщения, то есть к верхней пограничной кривой, свойства перегретого пара значительно отклоняются от свойств идеального газа, и изотермы искривляются. Изохоры в диаграмме располагаются чуть круче изобар.

Критическая точка в is-диаграмме находится не на вершине пограничных кривых, как в pх- и Ts-диаграммах, а смещена вниз и влево, так как энтальпия в критической точке численно меньше, чем энтальпия сухого насыщенного пара при давлениях ниже критического.

В области влажного пара наносятся линии постоянной степени сухости, а во всей диаграмме - сетка, соответствующая линиям s = const и i = const.

Для практического применения обычно строят только верхнюю часть диаграммы - наиболее употребительную при расчетах. Это дает возможность изображать ее в более крупном масштабе. По этой диаграмме можно определить p, х, t, s, i, x рабочего тела в любом его состоянии.

Основные термодинамические процессы водяного пара

Основными термодинамическими процессами водяного пара являются изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный. Анализ процессов можно выполнить с помощью таблиц или диаграмм.

В настоящее время созданы таблицы параметров кипящей воды и сухого насыщенного пара в зависимости от температуры, а также от давления. Кроме того, имеются таблицы параметров х, i, s перегретого пара в зависимости от температуры и давления.

Значения давлений и температур в этих таблицах даются с определенным интервалом. Определение промежуточных значений параметров следует производить путем линейной интерполяции.

Метод расчета по диаграммам состоит в том, что по известным параметрам в диаграмме фиксируется начальное состояние рабочего тела, затем по линии процесса и известному параметру в конце процесса определяется конечное состояние и все нужные для расчета параметры. По этим параметрам вычисляются изменение внутренней энергии, количество теплоты и работы в заданном процессе.

а б Рис. 9.4

В изохорном процессе (рис. 9.4) изменение внутренней энергии определяется из выражения

(9.2)

или

так как х1 = х2 = х

Работа расширения lх = 0, поэтому вся теплота процесса (в соответствии с первым законом термодинамики q = u + l) расходуется на изменение внутренней энергии:

qх = u2 - u1.

Влажный пар при нагревании в изохорном процессе (линия 1-2) можно перевести в сухой насыщенный и перегретый (точка 2). При охлаждении (процесс 2-1) его можно сконденсировать, но не полностью, так как при каком угодно низком давлении над жидкостью всегда находится некоторое количество насыщенного пара. Это означает, что изохора не пересекает нижнюю пограничную кривую.

а б Рис. 9.5

В изобарном процессе (рис. 9.5) изменение внутренней энергии определяется из (9.2), которая принимает вид

up = u2 - u1 =(i2 - i1) - p(х2 -х1).

Теплота, участвующая в процессе, равна разности энтальпий:

qp = i2 - i1

Работа процесса рассчитывается по формуле

lp = p(х2 - х1) или lp = qp - u.

В изобарном процессе при подводе теплоты к влажному насыщенному пару (линия 1-2) его степень сухости увеличивается, и пар переходит сначала в сухой, потом - в перегретый (точка 2). При отводе теплоты (процесс 2-1) влажный пар конденсируется при Tн = const.

а б Рис. 9.6

В изотермическом процессе (рис. 9.6) изменение внутренней энергии не равняется нулю, как у идеального газа, так как изменяется ее потенциальная составляющая. Величина u определяется из (9.2).

Количество теплоты, участвующей в процессе, рассчитывается по уравнению

qT = T(s2 - s1)

Работа расширения определяется из первого закона термодинамики

l = q - u.

При подводе теплоты (процесс 1-2) влажный пар становится сухим насыщенным, а затем - перегретым при более низком давлении. При отводе теплоты (процесс 2-1) перегретый пар переходит во влажный (точка 1).

В адиабатном процессе (рис. 9.7) = 0.

а б Рис. 9.7

Изменение внутренней энергии определяется из (9.2). Работа совершается за счет изменения внутренней энергии:

Ls= -u = u1 - u2 или

Ls = (i1 - p1х1) - (i2 - p2х2).

При адиабатном расширении (процесс 1-2) давление и температура пара уменьшаются, и перегретый пар становится сначала сухим насыщенным, а затем влажным (точка 2 в диаграмме).

Параметры состояния воды и водяного пара

Удельный объем воды при температуре 0 оС и различных давлениях

хо  0,001 м3/кг,

удельные энтальпия и энтропия жидкой фазы в тройной точке принимаются равными нулю, то есть для воды при давлении 0,611 кПа и температуре Т = 273,16 К (t = 0,01 оС):

.

Удельная внутренняя энергия воды в тройной точке Дж/кг - величина очень маленькая, поэтому можно считать, что при t = 0 oС,

uo  0.

Параметры кипящей жидкости. Удельный объем определяется одним параметром, температурой насыщения или давлением насыщения: х? = f(Tн) или х?= f(pн). Из выражения di = сp dt после интегрирования в интервале температур от 0оС до tн получим удельную энтальпию

Удельная внутренняя энергия определяется из общей формулы (2.11):

u = i - pх.

Из выражения после интегрирования в интервале температур 0оС до tн получим удельную энтропию:

.

В формулах для расчета удельных энтальпии и энтропии сpm - средняя теплоемкость воды в интервале температур от 0 оС до tн.

Параметры сухого насыщенного пара. Удельный объем сухого насыщенного пара, так же как удельный объем кипящей жидкости, определяется одним параметром ? либо Tн, либо pн.

х = f(Tн) или х = f(pн).

В Ts-диаграмме площадь прямоугольника 23ss2 (рис.9.2) соответствует количеству теплоты, равной удельной теплоте парообразования r. В соответствии с выражением qp = i2 - i1, можно записать r=i - i. Отсюда удельная энтальпия: - i = i + r.

Удельная внутренняя энергия: u = i - pх.

Из выражения r = Tн(s - s) можно определить удельную энтропию:

.

Параметры влажного пара. Удельный объем хх заданного давления можно определить по правилу аддитивности как сумму произведений удельных объемов сухого насыщенного пара и воды на их массовые доли:

хх = хx + х(1 - x),

где (1 - х) массовая доля жидкости во влажном паре; х ? массовая доля сухого пара во влажном паре (степень сухости).

Аналогично по правилу аддитивности рассчитываются удельная энтальпия и удельная энтропия:

iх = ix+i(1 - x);

sх = sx + s(1 - x).

Удельная внутренняя энергия: uх = iх - pхх.

Удельная теплота парообразования влажного пара со степенью сухости х описывается следующей очевидной формулой:

rx = rx.

Следовательно, удельную энтальпию и энтропию также можно выразить следующим образом:

Параметры перегретого пара. Удельный объем перегретого пара является функцией двух параметров p и Т:

х = f(p,T).

Удельное количество теплоты qnn, расходуемое на перегрев пара в изобарном процессе от температуры насыщения tн до какой-либо заданной температуры перегрева t, определяется из выражения qnn = i - i. Следовательно, удельная энтальпия:

i=i+qnn. (9.3)

Удельное количество теплоты:

или при

сp=constqnn = cрm(t - tн).(9.4)

Подставив это выражение в (9.3), получим

i = i + cрm(t - tн). (9.5)

Удельная внутренняя энергия:

u = i - pх.

Изменение удельной энтропии в процессе перегрева от tн до t:

или при сp=const

.

Удельная энтропия:

. (9.6)

В формулах (9.4)-(9.6) cpm - средняя теплоемкость пара в интервале температур от tн до t.



Уравнение Клапейрона-Клаузиуса

Уравнение Клапейрона-Клаузиуса устанавливает связь калорических параметров i и s с термическими параметрами p, T, х при переходе вещества из одной фазы в другую. С помощью этого уравнения можно определить изменение калорических параметров по измеренным термическим параметрам и, наоборот, по измеренным калорическим и термическим параметрам вычислить трудно измеряемый в данном случае (термический параметр) (например, удельный объем сухого насыщенного пара ).

Рассмотрим один из распространенных и наглядных способов вывода этого уравнения. Имеем 1 кг рабочего тела. Пусть в области насыщенного пара осуществляется элементарный цикл 1-2-3-4, состоящий из двух изобар и двух изохор (рис. 9.8). Площадь цикла в pх-диаграмме равна

а б Рис. 9.8

(х - х)dpн, а в Ts - диаграмме ? (s - s)dTн,

В обеих координатных системах площади циклов выражают удельную теплоту, преобразованную в работу. Поэтому

, (9.7)

но

; (9.8)

Подставив (9.8) в (9.7), получим

,

окончательно

(9.9)

Полученное выражение называется уравнением Клапейрона-Клаузиуса. Оно позволяет вычислить величину удельной теплоты парообразования r, если из опыта определена зависимость pн = f(Tн), которая называется кривой насыщения (рис. 9.9). Из рисунка видно, что производная определяется как угловой коэффициент касательной к этой кривой в заданной точке, то есть . Зная теплоту парообразования можно, рассчитать энтропию и энтальпию сухого насыщенного пара

и влажного насыщенного пара

.

Циклы паротурбинных установок (ПТУ)

В настоящее время паротурбинные установки являются основным видом тепловых двигателей для выработки электроэнергии. В ПТУ в качестве рабочего тела применяется водяной пар, получаемый в котлоагрегате 1 (рис. 13.1). Перегретый пар из

пароперегревателя 2 направляется в паровую турбину 3, где, расширяясь, совершает работу, а после турбины - в конденсатор 5, где отдает теплоту охлаждающей воде и конденсируется. Полученный конденсат насосом 6 подается в сборник конденсата 7, откуда насосом 8 подается в подогреватель 9 и далее в паровой котел 1.

Цикл Ренкина

Основным идеальным циклом паротурбинной установки является цикл Ренкина (рис. 13.2), где: 4-5 - процесс парообразования в паровом

а б Рис. 13.2

котле при постоянном давлении; 5-6, 6-1 - сушка пара с последующим перегревом в пароперегревателе также при p = const; 1-2 - адиабатное расширение перегретого пара в паровой турбине до давления P2; 2-2 ? конденсация пара в конденсаторе 5 при p2 = const до состояния насыщенной воды; 2-3 - адиабатное сжатие воды в насосе до давления P1, равного давлению в паровом котле (при этом объем жидкости практически не меняется); 3-4 - нагрев воды в подогревателе до температуры кипения при давлении p1 = const.

Термический КПД цикла Ренкина

,

где  - теплота, подведенная в изобарном процессе 3-4-5-6-1, определяется как разность энтальпий конца и начала процесса

q1 = i1 - i3;

q2 - теплота, отведенная в процессе конденсации пара в конденсаторе при p2 = const. q2 - определяется также как разность энтальпий:

q2 = i2 - i2.

(13.1)

где (i1 - i2) = lт ? работа паровой турбины, определяемая площадью 01270 в pх-диаграмме; (i3-i2)=lн - работа насоса, определяемая заштрихованной площадью 03270 в pх-диаграмме; (i1-i2)-(i3 - i2) = lт - lн = lц - полезная работа цикла, в pх- и Ts-диаграммах определяется площадью цикла 12234561. Если принять, что адиабатное сжатие воды в насосе происходит при х = const, можно записать

(13.2)

i3 = i2 + х(p1 - p2);

Расчет термодинамических процессов и циклов проще выполнять, пользуясь is-диаграммой (рис. 13.3), в которой номера всех точек и процессов соответствуют таковым в pх- и Ts-диаграммах.

Работа паровой турбины lт = i1 - i2 определяется расстоянием по ординате между точками 1 и 2; подведенная теплота q1 = i1 - i3 - расстоянием по ординате между точками 1 и 3; отведенная теплота q2 = i2 - i2 ? расстоянием по ординате между точками 2 и 2.

Теоретический удельный расход пара паротурбинной установки в килограммах на 1 МДж составляет

.

Теоретический удельный расход пара в ПТУ в кг на 1 кВтч:

.



Влияние параметров пара на термический КПД цикла Ренкина

При сравнении эффективности различных термодинамических циклов широко пользуются параметром «среднеинтегральная температура». Среднеинтегральная температура ? это отношение количества теплоты, участвующей в процессе (например, рис. 13.4 кривая 1-2) к изменению энтропии в этом процессе s = s2 - S1. В Ts-диаграмме она определяется

Рис. 13.4

высотой прямоугольника, площадь которого равна площади под кривой процесса. Для любого обратимого цикла

,

где ? среднеинтегральная температура подвода теплоты; ? среднеинтегральная температура отвода теплоты.

Теперь посмотрим, как влияет изменение начального давления пара р1 при неизменном конечном давлении р2 и одинаковой начальной температуре Т1 (рис. 13.5). Из диаграммы видно, что с увеличением давления до , среднеинтегральная температура подвода теплоты растет, а среднеинтегральная температура отвода теплоты остается неизменной. Следовательно, КПД увеличивается. Но при этом увеличивается конечная влажность отработавшего пара (точка 2?).

Если при неизменных начальном (p1) и конечном (p2) давлениях увеличивается начальная температура Т1 до Т1, то, как видно из диаграммы (рис. 13.6), КПД также растет, так как увеличивается среднеинтегральная температура подвода теплоты. При этом растет и степень сухости отработавшего пара (точка 2).

При уменьшении давления p2 в конденсаторе до р2 и неизменных р1 и Т1 (рис. 13.7) снижается среднеинтегральная температура как подвода, так и отвода теплоты, но относительное уменьшение первой () меньше, чем второй () ,поэтому термический КПД цикла растет.

Таким образом, для получения наибольшего к.п.д. нужно цикл Ренкина осуществлять при максимально допустимых начальных параметрах пара и максимально допустимом вакууме в конденсаторе. Однако, даже при этих условиях КПД цикла не превышает 45-47 %. Например, при р1 = 300 бар, t1 = 600 oС и р2 = 0,03 бар

Если учесть тепловые, механические и электрические потери, то общий КПД установки будет не более 0,3-0,35. Это говорит о том, что наряду с повышением начальных параметров нужно искать и другие пути усовершенствования ПТУ.



Цикл с промежуточным перегревом пара

В предыдущем разделе было показано, что с повышением начального давления пара повышается его влажность в конце процесса расширения. А это приводит к эрозии последних рядов лопаток турбины капельками влаги, содержащимися в потоке пара, и лопатки быстро выходят из строя.

Одним из способов повышения степени сухости пара на выходе из

турбины является его промежуточный перегрев. Для этого в зависимости от условий перепад давления в турбине разбивают на два или более интервала. После каждого интервала пар поступает в специальный перегреватель, где подвергается дополнительному перегреву.

Схема паросиловой установки с одним промежуточным перегревом пара показана на рис. 13.8, а цикл в Ts-диаграмме - на рис. 13.9. Перегретый пар из котлоагрегата 1 с начальной температурой Т1 и давлением Р1 поступает в первую часть турбины 2, в которой расширяется по адиабате 1-7 до некоторого давления p1 (точка 7). Затем выводится из турбины и направляется в специальный перегреватель 5, где при p1 = const вновь перегревается (процесс 7-8) и возвращается во вторую часть турбины. В турбине пар расширяется по адиабате 8-2 до давления p2 (точка 2). Если бы расширение до давления p2 происходило без вторичного перегрева (процесс 1-9), оно закончилось бы в точке 9 с недопустимо большим значением конечной влажности пара.

Работа 1 кг пара в установке с промежуточным перегревом пара в is-диаграмме (рис. 13.10) определяется суммой проекций отрезков и на ось ординат:

,

а без промежуточного перегрева проекцией отрезка :

.

Из диаграммы видно, что

Удельный расход пара на 1 МДж работы при наличии промежуточного перегрева

без промежуточного перегрева

Сопоставление этих двух соотношений показывает, что d < d.

Теплота, затрачиваемая на получение 1 кг пара в установке с вторичным перегревом пара в изобарных процессах 3-1 и 7-8

,

в установке без вторичного перегрева по изобаре 3-1

q = i1 - i3,

то есть q>q,

Термический КПД циклов

Чтобы было больше t, нужно, чтобы средняя температура подвода теплоты от точки 3 до точки 8, то есть в установке с промежуточным перегревом, была больше, чем от точки 3 до точки 1 в установке без промежуточного перегрева. Для этого достаточно, чтобы средняя температура подвода теплоты в процессе 7-8 была больше, чем в процессе 3-1. При этом эффект будет тем больше, чем выше температура в начальной (7) и конечной (8) точках промежуточного перегрева.

Регенеративный цикл ПТУ

Регенеративным называется цикл, в котором питательная вода, поступающая в котлоагрегат, нагревается паром, частично отбираемым из турбины при его расширении. Как известно, в заданном интервале темпе-

	ратур цикл Карно имеет наибольший КПД В паротурбинных установках можно реализовать цикл Карно, но только в области влажного пара (рис. 13.11).

На рис. 13.11, 1-2 - адиабатное расширение пара в турбине; 2-3 - конденсация пара в конденсаторе при T2 = const; 3-4 - адиабатное сжатие влажного пара в компрессоре; 4-1 - изотермический подвод теплоты (Т1 = const).

Однако ПТУ, работающие по этому циклу, имеют существенные недостатки:

1) для сжатия влажного пара (процесс 3-4) требуется компрессор с большим объемом цилиндра, а это связано с большим расходом металла и большой затратой работы на привод компрессора;

2) возможность осуществления цикла только в области влажного пара не позволяет повысить начальные параметры (температуру и давление) выше критической.

Поэтому на практике этот цикл не осуществляется, а основным циклом ПСУ является цикл Ренкина. КПД цикла Ренкина теоретически можно сделать равным КПД цикла Карно путем регенерации теплоты. Для этого адиабатное расширение пара 1-2 (рис. 13.12) нужно заменить политропной 1-6 эквидистантой линии нагрева воды 5-4 и всю теплоту, выделенную в процессе 1-6, определяемую площадью 1210961, передать воде для ее нагрева в процессе 5-4 до температуры Т1. В идеальном случае заштрихованные площади 1210961 и 438754 должны быть равны, а термический КПД цикла 16541 должен равняться КПД цикла Карно, т.е. 1234. Однако такую идеальную регенерацию осуществить не удается. Но в несколько ином виде регенеративный подогрев воды применяется очень широко, что позволяет существенно повысить КПД реального цикла. Рассмотрим схему паротурбиной установки с тремя отборами пара для подогрева питательной воды (рис. 13.13).

Перегретый пар с параметрами р1, t1, i1 из котлоагрегата 1 поступает в турбину 2, где основная его часть проходит все ступени турбины, расширяется до давления р2 и поступает в конденсатор 3. В то же время из каждого килограмма пара, поступающего в паровую турбину, после первой промежуточной ступени в первый подогреватель 5 отбирается g1 кг пара с параметрами i, р, t; после второй промежуточной ступени во второй подогреватель 5 - g2 кг пара с параметрами i, р, t и после третьей промежуточной ступени в третий подогреватель 5 - g3 кг пара с параметрами i, р, t. В конденсатор отводится g кг пара, равного

Образовавшийся конденсат с параметрами i2, р2, t2 подается через три последовательно расположенных подогревателя (5, 5, 5) в котлоагрегат. В подогревателях конденсат нагревается до более высокой температуры за счет теплоты конденсации пара, отбираемого после промежуточных ступеней турбины.

Удельная работа пара до первого отбора l1 = i1 - i. После первого отбора остается (1-g1) кг пара, который совершает работу l2 = (1 - g1)(i - i). После второго отбора остается (1-g1-g2) кг пара, совершающего работу l3 = (1 - g1 - g2)(i - i). После третьего отбора остается (1-g1-g2-g3) кг пара, совершающего работу l4 = (1 - g1 - g2 - g3)(i - i2).

Удельная работа пара в цикле

(13.3)

После раскрытия скобок и преобразований получим

.

В цикле Ренкина эта работа была бы lц = i1 - i2. Сопоставляя эти два уравнения, видим, что

lц < lц.

Расход теплоты на получение 1 кг пара в любом цикле q1 = i1 - iп.в,

в регенеративном цикле температура питательной воды tп.в. выше, чем в цикле Ренкина, а поэтому и энтальпия питательной воды iп.в. больше, чем в цикле Ренкина. Следовательно,

q1 < q1.

Термический КПД регенеративного цикла

,

Термический КПД цикла Ренкина

.

Средняя температура отвода теплоты в циклах Ренкина и регенеративном одинаковая, средняя температура подвода теплоты в регенеративном цикле больше, чем в цикле Ренкина, поэтому КПД регенеративного цикла больше, чем КПД цикла Ренкина:

.

Объясняется это тем, что уменьшение работы l в регенеративном цикле происходит медленнее, чем уменьшение расхода теплоты на получение пара.

Удельный расход пара на 1 МДж работы для регенеративного цикла

Удельный расход пара на 1 МДж работы для цикла Ренкина

Сопоставление этих двух соотношений показывает, что

d > d.

Теоретически чем больше точек отбора пара, тем экономичнее установка. При бесконечно большом числе точек отбора и плавном повышении температуры конденсата до температуры кипения при давлении p1 КПД будет предельно большим. На практике количество отбираемых точек устанавливается соотношением между получаемой экономией и затратами на оборудование. В современных установках в зависимости от давления пара число отборов колеблется от 2-3 до 10.

Теплофикационные циклы

КПД конденсационной паро-турбинной установки в настоящее время не превышает 30-35 %. Количество теплоты, превращенной в работу, определяется площадью цикла 123451 (рис. 13.14). Наибольшее количество теплоты теряется в конденсаторе при охлаждении отработавшего пара, которое определяется площадью 23672. При максимальных начальных параметрах и минимальном давлении в конденсаторе эта потеря составляет 50-55 % всей теплоты, сообщаемой рабочему телу в котлоагрегате.

Если повысить конечное давление в конденсаторе, а следовательно, и температуру отработанного пара, можно использовать этот пар для коммунально-бытовых нужд населения и нужд промышленности, сведя потери теплоты в конденсаторе к нулю.

Допустим, пар расширяется до давления р2 = 0,1 МПа (процесс 1-8 в Ts-диаграмме). В этом случае количество теплоты, превращенной в работу, измеряется площадью 189451, которая меньше площади цикла 123451, но при этом количество теплоты, определяемое площадью 891078, не теряется в конденсаторе, а используется для нужд промышленности или коммунального хозяйства. Такое комбинированное использование пара для получения электроэнергии и теплоты для производственных нужд осуществляется в теплофикационных установках, а сами электростанции называются теплоэлектроцентралями, (сокращенно ТЭЦ).

В отличие от центральных электрических станций (ЦЭС), на которых вырабатывается только электрическая энергия, паросиловые установки для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии используют паровые турбины специальной конструкции, работающие либо с противодавлением, либо с ухудшенным вакуумом, либо с регулируемыми отборами пара.

В турбине с противодавлением (рис. 13.15) 1 - паровой котел, 2 - турбина. Величина конечного давления р2 колеблется в пределах от 1,2 до 6-8 бар, редко до 12 бар. При таком давлении пар из выхлопного патрубка турбины направляется по паропроводу к потребителям. Турбины с противодавлением проще по конструкции, меньше по размерам, не имеют конденсационных устройств и насосов. Но, несмотря на эти преимущества, их применение на электростанциях очень ограничено, так как в данном случае график производства электроэнергии зависит от графика теплового потребления, а они обычно не согласуются.

В турбинах с ухудшенным вакуумом (рис. 13.16) 1 - паровой котел, 2- турбина, 3 - конденсатор. В отличие от конденсационных турбин поддерживается конечное давление 0,5-0,9 бар. При таком давлении отработавший пар имеет температуру 80-95 оС, а вода, циркулирующая в конденсаторе, нагревается до 70-90 оС и используется для горячего водоснабжения. При отсутствии потребителя горячей воды эти турбины работают с расширением пара до глубокого вакуума, то есть как конденсационные. Но при работе с ухудшенным вакуумом выработка электроэнергии в них также зависит от величины тепловой нагрузки.

Поэтому основным типом турбин для комбинированной выработки электроэнергии и теплоты являются турбины с регулируемыми отборами пара (рис. 13.17). Эти турбины могут работать по свободному электрическому графику с одновременным свободным регулированием тепловой нагрузки. Перегретый пар из парового котла - 1 поступает на часть турбины высокого давления - 2, где расширяется до давления ротб., величина которого определяется нуждами потребителей теплоты. Часть пара отводится в отбор, а остальная часть через регулирующий клапан 3 поступает на часть турбины низкого давления - 4, где расширяется до предельно низкого давления р2 и поступает в конденсатор - 5. Теплофикационные турбины этого типа могут иметь один или несколько отборов.

При раздельной выработке электроэнергии в конденсационных электростанциях их КПД не превышает 0,35. КПД промышленных котельных, работающих для нужд потребителей теплоты, составляет примерно 0,7-0,8, а местных отопительных котельных - примерно 0,5. В результате, степень использования теплоты топлива при раздельной выработке электроэнергии и теплоты составляет не более 0,4-0,45.

Комбинированная выработка электроэнергии и теплоты на ТЭЦ позволяет достигать степени использования теплоты топлива до 0,7-0,8.

Размещено на Allbest.ru

...