Паротурбинные установки
Термодинамический цикл ПТУ
Паротурбинная установка является основой современных тепловых и атомных электростанций. Рабочим телом в таких установках является пар какой-либо жидкости (водяной пар). Основным циклом в паротурбинной установке является цикл Ренкина.
Принципиальная схема ПТУ показана на рис.1. Процесс получения работы происходит в следующим образом. В паровом котле (1) и в перегревателе (2) теплота горения топлива передается воде. Полученный пар поступает в турбину (3), где происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе (4).
Рис.1. Схема ПТУ.
Отработанный пар поступает в конденсатор (5), где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат насосом (6) отправляется в питательный бак (7), откуда питательным насосом (8) сжимается до давления, равного в котле, и подается через подогреватель (10) в паровой котел (1). Рассмотрим цикл Ренкина на перегретом паре. На рис.2 изображен цикл Ренкина в T-S-диаграмме и P-v диаграмме.
Процессы, происходящие в ходе ее работы
а) в диаграмме T-S
-1 - подвод теплоты от источника к воде и пару q1 состоит из трёх процессов: 3-3/ - вода нагревается до кипения, 3-4 превращается в пар в котле; полученный сухой пар перегревается (4-1) в пароперегревателе (все три процесса изобарные);
-2 - в турбине пар расширяется адиабатически, без подвода (отвода) теплоты;
-2´ - пар конденсируется и отдает тепло q2 охлаждающей воде;
’-3 - конденсат изохорно сжимается; так как теплота этого процесса незначительна,
процесс можно считать и адиабатным.
Рис. 2. Цикл Ренкина на перегретом паре (T-s и P-v диаграммы).
б) В диаграмме P-v: 2’-3 изохорное сжатие воды, 3-4, 4-1 изобарный подвод теплоты q1 на нагревание воды до кипения, превращение воды в пар и перегрев пара; 1- 2-адиабатное расширение пара в турбине; 2- 2’- изобарное превращение влажного пара в воду (конденсат) с отводом теплоты q2
Термический к.п.д. цикла Ренкина определяется по уравнению:
ηt = (q1 - q2)/q1 (1);
так как: q1 = i1 - i3; q2 = i2 - i2’ (i - удельная энтальпия) то
ηt = [(i1 - i2) - (i3 - i2’)] /(i1 - i3) = l / q1. (2)
Полезная работа цикла равна разности работ турбины и насоса:
l = lт - lн, где: lт = i1 - i2, lн = i3 - i2’.
В основном lт >> lн, тогда считая i3 = i2’, можно записать:
ηt = (i1 - i2)/(i1 - i3) = (i1 - i2)/(i1 - i2’). (3)
Теоретическую мощность турбины рассчитывают по формуле:
Nт = lт •М = (i1 - i2)· М, [Вт] (4)
где М - секундный расход пара, [кг/с]
Цикл Ренкина на перегретом паре применяется для увеличения термического к.п.д. цикла ПТУ. Для этого перед турбиной ставят перегреватель 2 (Рис.1), который увеличивает температуру и давление пара. При этом возрастает средняя температура подвода теплоты в цикле.
Классификация паровых турбин. Устройство, принцип действия. Паровые турбины имеют ряд преимуществ перед другими типами двигателей: компактность, возможность получения больших мощностей в одном агрегате, непрерывный рабочий процесс и высокая экономичность эксплуатации. Работа паровой турбины основана на истечении водяного пара и использовании его кинетической энергии. Преобразование теплоты пара в механическую работу может осуществляться по активному и реактивному принципу. Турбины, у которых расширение пара происходит только в соплах, а на рабочих лопатках используется кинетическая энергия пара при постоянном давлении, называют активными. Рабочий процесс такой турбины представлен на рис. 3. Свежий пар с давлением Р0 и скоростью С0 поступает в сопло 4 и расширяется в нём до давления Р. Скорость пара возрастает до С1. С этой скоростью пар поступает в каналы, образованные рабочими лопатками 3. На рабочих лопатках направление скорости пара меняется, вследствие чего возникают силы давления на лопатки, которые и совершают полезную работу. Отработанный пар уходит из турбины через выпускной патрубок 6. Уплотнение в местах прохода вала 1 через корпус 5 достигается лабиринтным уплотнением 7.
Анализ показывает, что кинетическая энергия пара используется полностью, если скорость струи пара на выходе из сопла
С1 = 2U, где U = π·d·n.
Здесь U - окружная скорость рабочего колеса, d - диаметр рабочего колеса, n - число оборотов рабочего колеса.
При высоких давлениях пара скорость истечения его из сопла, а следовательно, и окружные скорости должны быть очень большими, что может привести к разрыву рабочего колеса. Увеличение числа ступеней в турбине до Z уменьшает эти скорости в √Z раз и скорости в каждой ступени получаются небольшими. В реактивных турбинах пар лишь частично расширяется в соплах, а окончательное расширение пара происходит на рабочих лопатках. На рис.4, а. показана схема реактивной многоступенчатой турбины. Пар под давлением Р0 через сопло 1 подводится к рабочим лопаткам 2 и 3. В сопле пар частично расширяется, скорость его возрастает до С1. В канале, образованном рабочими лопатками, струя пара меняет своё направление. В результате этого под действием центробежных сил лопатка испытывает суммарное усилие Ракт. Направление силы зависит от формы лопатки. Так как сечение канала между лопатками уменьшается в направлении движения струи, то пар расширяется, давление его падает до конечного для данной ступени значения Р2; относительная скорость пара возрастает, а абсолютная уменьшается до С2 вследствие уменьшения кинетической энергии, преобразованной в работу. В результате ускорения струи пара в канале между лопатками возникают реактивные силы, которые дадут равнодействующую Рреакт, направление которой также зависит от формы лопатки. Сложив активную и реактивную силы, получим общую равнодействующую силу Р. На рис.4, б рассмотрен процесс изменения энтальпии i в реактивной турбине. Точка 0 (пересечение изотермы Т0 и изобары р0) характеризует начальное состояние пара с энтальпией i0. При адиабатном расширении пара в сопле его энтальпия понижается до i1. За счёт этого возрастает кинетическая энергия пара на выходе из сопла. Из-за потерь энергии на трение частиц о стенки сопла и о друг друга конечное значение энтальпии будет не i1 (точка К), а i2 (точка А).
Кривая ОА приближённо изображает процесс расширения пара в сопле. Отрезок h0 = i0 - i1 называют теоретическим теплоперепадом, а отрезок h = i0 - i2 называют действительным теплоперепадом в сопле. Кроме потерь энергии (изменение энтальпии) пара в соплах, возникают потери энергии в каналах рабочих лопаток; потери от влажности пара в последних ступенях турбины (частицы влажного пара движутся медленнее сухого пара); потери, связанные с утечками пара через зазоры между диафрагмами и валом или рабочими лопатками и корпусом (у реактивных турбин); выходные потери (на выходе пар обладает остаточной кинетической энергией). Эти потери считаются внутренними. К внешним потерям относятся механические потери (затраты энергии на преодоление трения в подшипниках и привод вспомогательных механизмов) и и потери от утечки пара через концевые уплотнения.
Внутренние потери приводят к тому, что полный внутренний теплоперепад (изменение энтальпии) hi оказывается ещё меньше h2. В многоступенчатых турбинах полный теплоперепад равен сумме теплоперепадов всех ступеней: Нi = ∑ hi; (полный теоретический теплоперепад Н0 = ∑ h0). С учётом сказанного относительный внутренний КПД многоступенчатой турбины
η0i = Ηi / Η0. (5)
Внутреннюю мощность турбины определяем, как:
= (1/3600) ·Η0·М·η0i (кВт). (6).
Примечание: 1/3600 -коэффициент перевода час в сек.Если удельная энтальпия выражена в кДж/кг, а массовый расход М в кг/с, то коэффициент перевода час в сек 1/3600 в расчётах не используется.
Величину М (кг/час) называют массовым расходом пара. Механические потери турбины учитываются механическим КПД
ηм = Nе/ Ni; (7),
где Nе - эффективная мощность на валу турбины. Для крупных турбин ηм = 0,98-0,99, для турбин небольшой мощности ηм = 0,94-0,95
Назовём теоретической мощностью турбины
т = (1/3600) ·Η0·М. (8)
Турбинный зал
Рис.3. Одноступенчатая активная паровая турбина:
-вал; 2-диск; 3-рабочие лопатки; 4-сопло; 5-корпус; 6-пропускной патрубок; 7-лабиринтные уплотнения.
а) б)
Рис. 4. Схема реактивной многоступенчатой турбины: 1 и 5 - направляющие лопатки; 2 и 6-рабочие лопатки; 3-соединительный трубопровод; 4-корпус; 7-ротор; 8-разгрузочный поршень.
Относительный эффективный КПД в этом случае будет равен
η0е = Nе/ Nт. (9)
Для крупных турбин η0е = 0,84-0,86, для турбин средней мощности η0е = 0,75-0,8.
Если известна мощность на клеммах генератора Nэ, то КПД турбогенератора, называемый относительным электрическим КПД, определяется соотношением:
η0э = Nэ/ Nт; (10)
или η0э = η0е ηг; ηг = 0,94-0,99 -КПД генератора. Характеристикой экономичности турбины является также удельный эффективный расход пара (кг/кВт ч)
е = M/ Ne. (11)
Расход пара на выработку 1 квт ч электроэнергии называют удельным электрическим расходом пара (кг/кВт ч) mэ = M/ Nэ. (12) Для турбин средней мощности удельный расход пара составляет 5-6 кг/кВт ч. Этот расход снижается при увеличении мощности турбины, а также при высоких начальных параметрах пара до 3,8-4,5 кг/кВт ч. Приведенные формулы справедливы для турбин, у которых пар расширяется до давления в конденсаторе и вся теплота используется для выработки электроэнергии. Такие турбины называют конденсационными.