Цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара

Одним из путей снижения конечной влажности пара является применение промежуточного перегрева (рис. 11.10). После того как пар совершил работу в ступени турбины высокого давления, его направляют на дополнительный перегрев в парогенератор. Температура пара повышается, и он снова направляется в турбину, в её ступень низкого давления, где расширяется до p ₂. На рис. 11.11 изображен цикл в p - v, T - s и i - s координатах. Процессы: 1–2¢ – адиабатное расширение пара в ступени турбины высокого давления; 2¢–1¢ – изобарный процесс перегрева пара; 1¢–2 – адиабатное расширение пара в ступени турбины низкого давления; 2–3 – изобарно-изотермический процесс конденсации пара (отвода теплоты); 3–4 – адиабатное сжатие воды насосом; 4–5–6–1 – изобарный процесс подвода теплоты в парогенераторе и превращение воды в перегретый пар. В этом цикле:

, (11.15)

, (11.16)

, (11.17)

. (11.18)

Рис. 11.10

Промежуточный перегрев пара ведёт не только к понижению влажности пара на последних ступенях турбины, но и, при правильном выборе давления промежуточного перегрева, увеличивает h _t. На паросиловых установках применяется не только однократный, но и двукратный перегрев пара.

Рис. 11.11

Регенеративный цикл

Как уже отмечалось выше, регенерация используется для повышения h _t. В паросиловых установках регенерация осуществляется с помощью теплообменных аппаратов, которые могут быть поверхностного или смешивающего типа. В поверхностных теплообменных аппаратах нагреваемая вода и отдающий теплоту пар разделены поверхностью теплообмена, а в смешивающих вода и пар перемешиваются. На рис. 11.12 приведена схема паросиловой установки с двумя регенеративными отборами и теплообменными аппаратами смешивающего типа.

Цикл паросиловой установки, строго говоря, нельзя изобразить в p-v, T-s или i-s координатах, так как эти диаграммы строятся для постоянного количества рабочего тела, тогда как в регенеративном цикле количество пара оказывается различным по длине проточной части турбины. Изобразим этот цикл в i-s координатах условно (рис. 11.13). Рассмотрим процессы, протекающие в цикле, для 1 кг пара. Пар, поступающий из пароперегревателя с параметрами точки 1, совершает процесс адиабатического расширения в турбине на участке 1 – 1_o.

Рис. 11.12 Рис. 11.13

Дальше часть пара (его давление p_{о 1}, температура t _о1, энтальпия i _о1, доля отбора a ₁= D _o1/ D, где D _o1–массовый расход пара, поступающего в первый отбор) отбирается из турбины и идёт на регенерацию. На участке О₁–О₂ в турбине работает доля пара (1 - a ₁). Затем из турбины отводится ещё часть пара (a ₂ = D _o2/ D), и на участке О₂–2 работает пар в количестве (1–a₁–a₂). Этот пар поступает в конденсатор, где конденсируется, и образовавшаяся вода насосом подаётся в первый теплообменный аппарат. Здесь вода перемешивается с паром долей a ₂, который, соприкасаясь с водой, конденсируется и повышает температуру воды теоретически до температуры кипения, соответствующей давлению в отборе p _o2. Эта вода, её доля уже (1 - a ₁), подаётся насосом во второй теплообменный аппарат. Сюда же подаётся пар из первого регенеративного отбора. Конденсируясь, он нагревает воду до температуры, соответствующей давлению p _o1. Дальше эта вода (её называют питательной) сжимается насосом (её давление увеличивается от p _o1 до p ₁) и подаётся в парогенератор, где нагревается в экономайзере до температуры кипения, соответствующей давлению p ₁, и далее превращается в пар, который перегревается в пароперегревателе. Найдём доли пара a ₁ и a ₂, отбираемого из турбины. Для этого запишем уравнение теплового баланса I и II теплообменных аппаратов. Напомним, что тепловой баланс составляется из условия: в стационарном режиме при отсутствии потерь тепла через корпус теплообменного аппарата количество теплоты, отданной греющим теплоносителем, равно количеству теплоты, полученной нагреваемым теплоносителем.

Уравнение теплового баланса для I теплообменника

. (11.19)

То же для II теплообменника:

. (11.20)

Из уравнения (11.20)

. (11.21)

Решая совместно уравнения (11.19) и (11.21), получаем величину a ₂:

, (11.22)

где i ₁, i _пв и i ₃ - энтальпия кипящей воды соответственно при давлениях

Теплота, подводимая в цикле,

q ₁ = i - i _пв, (11.23)

отводимая

q ₂ = (i ₂ - i ₃) (1 - a ₁ - a ₂). (11.24)

 

Термический КПД цикла

, (11.25)

или

, (11.26)

или

. (11.27)

Разумеется, все три формулы (11.25), (11.26) и (11.27) идентичны. Анализ показывает, что увеличение числа ступеней регенеративного подогрева воды приводит к повышению h _t, но каждая последующая ступень подогрева воды вносит все меньший вклад в рост h _t. Теоретически при стремлении к бесконечности числа регенеративных отборов термический КПД установки стремится к термическому КПД цикла Карно в том же интервале температур. В паротурбинных установках число ступеней регенеративных подогревателей достигает десяти.

 

 

К следующему занятию курсанты должны:

ЗНАТЬ: теоретические циклы ГТУ, их особенности, связанные со способом подвода теплоты; циклы паросиловых установок при различных параметрах пара в p-v, T-s, i-s координатах.

УМЕТЬ: применять математический аппарат термодинамики к термодинамическому анализу работы установки; сопоставлять термодинамическую эффективность установки при различных способах подвода теплоты и при различных параметрах пара.

ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ: о теоретических и реальных циклах газотурбинных и паросиловых установок; о сути регенеративных циклов и их графического представления.

 

 

Задания на самоподготовку:

· конспект лекций

· задача на расчет теоретического цикла ГТУ

 

Подпись автора

___________/ профессор каф. физики и теплообмена П.В. Скрипов

 

 

Лекция рассмотрена и одобрена на заседании кафедры

Протокол №_______ от «_____»_____________2006 г.

 

Зав. кафедрой физики и теплообмена

профессор, д.т.н. __________________ / Н.М. Барбин

«_____»______________ 2006 г.