Цикл Ренкина. Пути повышения КПД паросиловых установок

В основе работы современных теплосиловых установок, использующих в качестве рабочего тела водяной пар, лежит цикл, предложенный шотландским инженером У. Ренкиным в 50-х годах прошлого века.

Схема простейшей паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, включает в себя паровой котел 1 (рис. 6.12) с пароперегревателем 2, паровую турбину 3, конденсатор 4 и питательный насос 5.

Рис. 6.12. Схема простейшей паросиловой установки

В паровом котле за счет тепла продуктов сгорания топлива питательная вода нагревается до температуры кипения (процесс 3–4 на рис. 6.13), затем превращается в пар (4–5).

Образующийся в котле пар со степенью сухости, близкой к х = 1, направляется в пароперегреватель, где осуществляется подсушка и перегрев пара до температуры T₁ (5–1). Весь процесс подвода тепла 3–4–5–1 протекает при одном и том же давлении (p₁=const).

Рис.6.13. Цикл Ренкина в T, s- диаграмме

Далее пар с параметрами р₁, T₁ поступает в турбину, где расширяется до давления р₂ и совершает работу. Процесс расширения 1–2 в проточной части турбины протекает в идеальном цикле Ренкина адиабатно, без потерь, следовательно, s₁=s₂. Работа расширения пара используется на вращение ротора электрического генератора.

После турбины пар с давлением р₂ и степенью сухости х₂ поступает в конденсатор, где осуществляется изобарно-изотермный процесс конденсации 2–3. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркуляционной водой, а пар конденсируется в межтрубном пространстве. Образующийся конденсат откачивается питательным насосом, который повышает его давление и подает в котел. Процесс повышения давления воды в насосе в Т, s- диаграмме не изображен, так как в точке 3 изобары p₁ и р₂ практически сливаются. Кроме того, работа насоса весьма мала в сравнении с работой расширения пара в турбине, поэтому из рассмотрения ее можно исключить.

Эффективность полученного цикла оценивается термическим КПД, определяемым по общей формуле: .

Подведенное в цикле тепло q₁ отражается на Т, s- диаграмме площадью 3–4–5–1–7–6. Поскольку процесс подвода тепла осуществляется изобарно, то количество тепла равно разности энтальпий начала и конца процесса: q₁=h₁–h₃.

Энтальпия точки 3 представляет собой энтальпию кипящей жидкости при давлении p₂, поэтому можно записать: .

Отведенное от рабочего тела в конденсаторе тепло (площадка 3–2–7–6) запишется как .

Подставляя значения q₁ и q₂ в исходное уравнение, получаем формулу термического КПД идеального цикла Ренкина:

                                                 .                                                     

Величину термического КПД цикла Ренкина удобно определять с помощью      h, s- диаграммы (рис. 6.14). По заданным начальным параметрам р₁ и t₁ находят точку 1 и определяют энтальпию h₁. Через точку 1 проводят вертикальную линию до пересечения с изобарой р₂. Полученный отрезок 1–2 характеризует процесс адиабатного расширения пара в проточной части турбины. В точке 2 определяют энтальпию h₂. Разность энтальпий h₁–h₂ представляет собой располагаемый теплоперепад h₀. Энтальпия конденсата h₂' определяется по температуре насыщения t₂, соответствующей давлению p₂. При t₂<100 °С с достаточной точностью можно принимать h₂' = 4,19t₂ кДж/кг. Подставляя значения h₁, h₂ и h₂' в последнее уравнение, получают численное значение η_t.

Рис. 6.14. Определение КПД цикла Ренкина с помощью h, s- диаграммы

Даже при высоких начальных параметрах пара (p₁ около 23 МПа и t₁ примерно 550 °С) и малом конечном давлении (р₂=0,003–0,005 МПа) термический КПД цикла Ренкина не превышает величины η_t=0,45–0,47. С учетом же тепловых, механических и электрических потерь общий КПД установки составляет всего 0,3–0,35.

Отсюда становится ясным, что помимо повышения начальных параметров пара и поддержания вакуума в конденсаторе необходимо изыскивать и другие пути совершенствования паросиловых установок.

Одним из таких усовершенствований является применение промежуточного перегрева пара. Перегретый пар с параметрами р₁, t₁ подается в часть высокого давления турбины I (рис. 6.15), где расширяется до некоторого промежуточного давления р_п. Затем пар вновь направляется в котельный агрегат, где в пароперегревателе ПП2 осуществляется вторичный его перегрев примерно до той же температуры t₁, однако при меньшем давлении р_п. В части низкого давления II пар расширяется до конечного давления р₂.

Рис. 6.15. Принципиальная схема и цикл паротурбинной установки

 с промежуточным перегревом пара

Одной из задач такого цикла является повышение сухости пара в конце его расширения. Действительно, если из точки 1 (рис. 6.15) провести расширение до конечного давления р₂, то степень сухости x_c в точке с будет меньше, чем х₂. Другими словами, применение промперегрева пара уменьшает его влажность в конце расширения, что благоприятно сказывается на работе последних ступеней турбины.

С другой стороны, введение промперегрева пара в современных установках приводит к увеличению его термического КПД на 2–3 %. Анализируя цикл в T, s- диаграмме, можно заметить, что дополнительная часть цикла а–b–2–с, образующаяся за счет промперегрева, дает прирост термического КПД всего цикла, если средняя температура подвода тепла в процессе а–b больше, чем средняя температура подвода тепла основной части цикла. Следовательно, давление промперегрева р_п должно выбираться таким образом, чтобы это условие выдерживалось.

Формула термического КПД цикла с промперегревом пара (в соответствии с обозначениями рис. 6.15) имеет вид

                                      .