15. Энергетические показатели цикла Ренкина

Термодинамический цикл преобразования теплоты в работу с помощью водяного пара был предложен инженером и физиком У. Ренкиным.

Вода нагнетается в парогенератор 1 насосом 5 и за счет теплоты сжигаемого топлива превращается в водяной пар, который затем поступает в турбину 2, вращающую электрогенератор 3. Тепловая энергия пара преобразуется в турбине в механическую работу, которая, в свою очередь, преобразует­ся в генераторе в электроэнергию. Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор 4. В конденсаторе пар пре­вращается в воду (конденсируется), ко­торая с помощью насоса 5 вновь пода­ется в парогенератор. Таким образом цикл замыкается.

Рис. 2.1.Принципиальная тепловая схема ТЭС, работающая по циклу Ренкина:

1 – парогенератор; 2 – турбина; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатор; 5 – насос.

На рис. 2.2 показан цикл Ренкина на перегретом паре в р, -диаграммах, состоящий из следующих процессов:

изобара 4—5—6—1 — нагрев, испа­рение воды и перегрев пара в парогене­раторе за счет подводимой теплоты сго­рания топлива q₁;

адиабата 1—2 — расширение пара в турбине с совершений полезной внешней работы l_a^т;

изобара 2—3 — конденсация отработанного пара с отводом теплоты q₂ охлаждающей водой;

адиабата 3—4 — сжатие конденсата питательным насосом до первоначального давления в парогенераторе с затратой подводимой извне работы l_а^н

Рис. 2.2.Цикл Ренкина на перегретом паре .

Термический КПД цикла Ренкина определяется по уравнению:

Термодинамические исследования цикла Ренкина показыва­ют, что его эффективность в большой степени зависит от величий начальных и конечных параметров пара (давления и температуры).

Регенеративный цикл. Для повышения экономичности работы паротурбинных

установок, помимо повышения параметров пара,

применяют так называемый регене­ративный цикл, в котором пита­тельная вода до ее поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагреву паром, отбираемым из промежуточных сту­пеней паровой турбины.

Рис. 2.3. Влияние повышения начальных давлений и температуры пара на экономичность цикла Ренкина.

Следует отметить, что поскольку питательной воде передается теплота отобранного пара, включая теплоту парообразования, а при получении работы используется лишь часть теплоты пара, не включающая теплоту парообразования, то потеря работы в ре­зультате отборов будет значительно меньше, чем увеличение эн­тальпии питательной воды. Поэтому в целом КПД цикла возрас­тает. Однако возрастет и удельный расход пара, так как отобран­ная часть пара не полностью участвует в совершении работы и для получения заданной мощности его расход следует увеличить. Прав­да, это обстоятельство облегчает конструкцию последних ступе­ней турбин, позволяя уменьшить длину их лопаток.

Применение регенеративного подогрева позволяет при необ­ходимости исключить экономайзер подогрева питательной воды уходящими газами, использовав теплоту уходящих газов для по­догрева поступающего в топку воздуха.

Увеличение КПД при применении регенерации составляет 10... 15 %. При этом экономия теплоты в цикле возрастает с повы­шением начального давления пара р₁. Это связано с тем, что с повышением р₁ увеличивается температура кипения воды, а сле­довательно, повышается количество теплоты, которое можно под­вести к воде при подогреве ее отобранным паром. В настоящее время регенеративный подогрев применяется на всех крупных элек­тростанциях.

Цикл с промежуточным (вторичным) перегревом пара. Из ана­лиза регенеративного цикла следует, что при применении пара высокого давления влажность его в турбине в конце процесса рас­ширения становится значительной даже при очень высокой на­чальной температуре. Между тем работа турбин на влажном паре недопустима, так как она вызывает увеличение потерь и износ (эрозию) турбинных лопаток в результате механического воздей­ствия на них находящихся в паре частиц влаги.

При использовании пара высокого давления повышение его начальной температуры до значений, допустимых по соображе­ниям прочности металла пароперегревателя и паровой турбины, может оказаться недостаточным для обеспечения допустимой влаж­ности пара в конце процесса расширения в турбине. Поэтому пар на некоторой стадии расширения приходится отводить из турби­ны и подвергать повторному перегреву в специальном паропере­гревателе, после чего перегретый пар повторно вводится в турби­ну, где и заканчивается процесс его расширения. В результате это­го при окончательном расширении пара до принятых на практике давлений влажность его не превышает допустимых значений. Паротурбинные установки, в которых используется такой ме­тод, называют установками с промежуточным перегревом пара. При правильном выборе давления отбора пара для его промежу­точного перегрева и температуры промежуточного перегрева не только предотвращается чрезмерное увлажнение пара в конце процесса расширения, но и достигается некоторое увеличение термического КПД установки.

Применение одного промежуточного перегрева пара приводит к повышению термического КПД установки на 2... 3 %.