Паросиловая установка по циклу ренкина

общие теоретические положения

В паросиловых установках в качестве рабочего тела используются пары различных жидкостей (воды, ртути и др.), но чаще – водяной пар.

паросиловые (паротурбинные) установки широко применяются для привода электрогенераторов на тепловых электростанциях.

Изучение термодинамических циклов паросиловых установок следует начинать с цикла Карно, уяснив себе причины неприменимости его в реальных паросиловых установках. Затем необходимо рассмотреть основной цикл паросиловой установки – цикл Ренкина.

Если рабочее тело – насыщенный пар, то возможно осуществить цикл Карно и получить максимальный термический КПД.

Осуществить такой цикл возможно в паросиловой установке показанной на рисунке 1.

1 – котел; 2 – паровая турбина; 3 – электрогенератор;

4 – конденсатор; 5 – компрессор

Рисунок 1 – схема паросиловой установки (цикл Карно)

процесс расширения пара происходит в паровой турбине 2. в конденсаторе 4 пар частично конденсируется до состояния влажного пара, а теплота q2 при этом отводится в окружающую среду. Влажный пар поступает в компрессор 5 и адиабатно сжимается до полной конденсации пара, конденсат подается в котел 1.

4-1 – подвод теплоты в котел 1 при сгорании топлива для выработки пара (изобарный процесс при Т = const);

1-2 – адиабатное расширение пара в паровой турбине 2;

2-3 – отвод теплоты в конденсаторе 4 (изобарный процесс при Т = const);

3-4 – адиабатное сжатие пара в компрессоре 5

Рисунок 2 – Цикл карно в pv и Ts координатах

На адиабатное сжатие в компрессоре 5 тратится работа численно равная площади 4|-4-3-3|-4|: , (1)

Работа сжатия тем больше, чем выше исходные параметры цикла (площадь 4|||-4||-3||-3| -4|||).

термический КПД цикла определяется, как обычно, по формуле:

. (2)

Теплота q1, кДж/кг, подведенная к 1 кг рабочего тела в изобарном процессе 4-1: q1 = iк – iн = i1 – i4. (3)

Отвод теплоты q2, кДж/кг, в конденсаторе в изобарном процессе 2-3:

q2 = iк – iн = i2 – i3, (4)

где (iк – iн) – разность удельных энтальпий в конечной и начальной точках процесса, кДж/кг.

Преимущества такой паросиловой установки – максимальный термический КПД. Но это преимущество теряется, так как большая работа затрачивается на сжатие влажного пара в компрессоре.

удобнее и экономичнее в реальном цикле конденсировать пар до линии х = 0, а затем насосом увеличивать давление воды. Такой цикл был предложен в 50-х годах девятнадцатого столетия инженером и физиком Ренкиным почти одновременно Клаузиусом. В этом цикле возможен перегрев пара. Схема такой установки показана на рисунке 3.

1 – котел; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина;

4 – электрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – насос

Рисунок 3 – схема паросиловой установки (цикл Ренкина)

Насыщенный пар, приготовленный в котле 1 (процесс 4-1|), поступает в пароперегреватель 2, где к нему подводится теплота qпе при постоянном давлении р1 в процессе 1|-1. Перегретый пар (точка 1) имеет более высокую температуру – Т1, чем сухой насыщенный пар – Тн (точка 1|) при одинаковом давлении р1. Разность этих температур ∆Tп = Т1 – Т2 называется степенью перегрева сухого насыщенного пара. Перегретый пар подается в турбину 3, адиабатное расширение (процесс 1-2), которая соединена с электрогенератором 4, в конце расширения (точка 2) пар становится влажным. Отработавший пар в конденсаторе 5 переводится в жидкость (процесс 2-3), затем жидкость водяным насосом 6 (процесс 3-4) подается в котел 1.

На рисунке 4:

Удельная работа цикла ℓо, Дж/кг – площадь 4-1-2-3-4 (диаграмма pv), она же представляет собой и работу изменения давления в цикле по адиабате 1-2:

(5)

где i1, i2 – удельные энтальпии пара, Дж/кг, при входе в паровую турбину и выходе из нее; ∆i – адиабатный перепад удельной энтальпии, Дж/кг.

В уравнении (5) не учтена удельная работа насоса, что вполне допустимо, так как она составляет только 0,4 % от работы паровой турбины.

Следовательно, удельная работа цикла ℓо, кДж/кг,

. (6)

Тогда КПД цикла определяется можно определить:

(7)

где – удельная теплота, Дж/кг, подводимая по изобаре в котельную установку: , (8)

где i2| = i3 – удельная энтальпия кипящей воды, Дж/кг,

(9)

Тогда (10)

из рисунка 4 видно, что идеальный цикл Ренкина в паросиловой установки:

1) делает установку компактнее, так как насос по размерам значительно меньше компрессора;

2) мощность насоса во много раз меньше мощности компрессора.

Рисунок 4 – Цикл Ренкина в pv — и Ts-координатах

Удельный расход пара d0, кг/(кВт-ч), идущего на выработку 1 кВт-ч энергии: . (11)

удельный расход пара идущего на выработку единицы выполненной работы d0, кг/МДж: (12)

алгоритм нахождения расчетных процессов расширения пара в паровой турбине по диаграмме s-h (s-i).

Рисунок 5 – Определение энтальпии пара по диаграмме is

Пример расчета

и с х о д н ы е д а н н ы е: р4= 5,5 мПа (55 бар); t4 = 450 °С;

р4|= 20 мПа (200 бар); t4| = 600 °С; р5 = 4 кПа (0,04 бар).

  1  Принципиальная схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина

1 – котел; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина;

4 – электрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – насос

Рисунок 1 – Схема паросиловой установки (цикл Ренкина)