Тепловой цикл и влияние параметров пара на кпд турбинной установки

Тепловой цикл и КПД турбины и турбинной установки

Паровая турбина является одним из элементов теплоэнергетической установки. На рис. 1.6 представлена принципиальная схема простейшей такой установки. Изменение состояния пара в так называемом цикле Ренкина при прохождении паром отдельных элементов установки иллюстрируется Г, ^-диаграммой.

Питательный насос 1 повышает давление воды до рпь и подает ее в котел 2, затрачивая при этом на 1 кг питательной воды работу Ьн. . Процесс изоэнтропийного сжатия воды насосом в утрированном масштабе изображен в Г, д-диаграмме линий аа (рис. 1.7).

В котле происходит нагрев воды при постоянном давлении до температуры кипения (линия аЪ в Г, л-диаграмме) и испарение ее (линия Ьс). Пар далее поступает в перегреватель 5, где температура его повышается до Т0. Процесс подведения теплоты в перегревателе представлен линией Ы,

Подвод теплоты в идеальной котельной установке, в том числе в пароперегревателе, происходит при постоянном давлении /70, так что количество теплоты </ь перешедшей к воде и пару, целиком расходуется на повышение энтальпии пара и может быть представлено для 1 кг участвующего в процессе пара разностью

где И0 — энтальпия пара, вышедшего из перегревателя; Ипвэнтальпия питательной воды при входе в котел.

Теплота, сообщенная пару в котле и перегревателе, изображается в Г, -диаграмме площадью аЬЫ21.

Пар, вышедший из пароперегревателя с энтальпией А0, направляется к турбине 4 и, расширяясь в ней, совершает работу Ьт. Для турбины, приводящей электрогенератор 6 и работающей без потерь и теплообмена с внешней средой, процесс расширения протекает по изоэнтропе, которая изображена линией йе в Г, 5-диаграмме. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор 5. Здесь при неизменном давлении рж производится отвод теплоты от пара к охлаждающей воде, пар конденсируется, и конденсат с энтальпией к% откачивается насосом / и снова подается в котел. Отводу теплоты в конденсаторе отвечает процесс еа в Г, 5-диаграмме.

Таким образом замыкается цикл водяного пара в теплоэнергетической установке. Теплота </2, отнятая от 1 кг пара при постоянном давлении в конденсаторе, при изоэнтропийном расширении пара в турбине определяется разностью энтальпий

где Нк1 — энтальпия отработавшего в турбине пара при изоэнтропийном процессе расширения; кк — энтальпия конденсата. В рассмотренном замкнутом цикле работа, которую можно получить от 1 кг пара, выразится в тепловых единицах разностью

Перепишем это уравнение таким образом:

—работа, затрачиваемая в насосе.

Площадь, эквивалентная работе 2,, заштрихована в Т, з-диаграмме на рис. 1.7.

Абсолютный КПД идеальной установки, работающей без потерь в турбине, т. е. при изоэнтропийном расширении пара, представляется отношением

Это выражение можно переписать таким образом:

Если не учитывать работу насоса, то абсолютный КПД идеального цикла перепишется так:

В дальнейшем, кроме специально оговоренных случаев, будем рассматривать экономичность установки без учета работы насоса.

Разность начальной и конечной энтальпий при изоэнт-ропийном расширении пара Н0 = ЬТ{ = Н0 — Нкг находится непосредственно из Л, я-диаграммы (рис, 1.8). Н0 принято называть располагаемым теплоперепадом.

Если расширение заканчивается в области влажного пара, то #0 может быть просто подсчитано (рис. 1.7):

Если расширение заканчивается в области перегретого пара, то для подсчета Я0 можно приближенно воспользоваться уравнением идеального газа и написать

—показатель изоэнтропы для перегретого пара;

р0 и 1?0- -начальные параметры пара; рк — давление в конце расширения.

Параметры пара могут определяться по термодинамическим таблицам водяного пара, по Л, я-диаграмме, а при использовании ЭВМ—по аналитическим зависимостям. Последние в несколько упрощенном виде, но с точностью, достаточной для учебных и многих инженерных расчетов, представлены в приложении 1 [34].

В действительности в турбине в результате потерь при расширении пара линия процесса отклоняется от изоэнтропы, как показано в Л, ^-диаграмме на рис. 1.8 линией (1/. Таким образом, энтальпия Лк отработавшего пара выше, чем йк„ а фактически развиваемая- 1 кг пара внутри турбины работа

меньше располагаемого теплоперепада Я0.

увеличится по сравнению с теплотой идеального цикла, а работа, развиваемая паром внутри турбины, уменьшится и представится разностью Н1 = цх—цг или разностью площадей аЬсс!еа — 2е/32, откуда

Последняя площадь представляет собой отводимую охлаждающей водой теплоту, обусловленную потерями при расширении пара в турбине. В том случае, когда конец процесса расширения лежит в области влажного пара, эта теплота будет равна произведению ГкД.у, где Д.? — приращение энтропии, вызванное потерями при расширении пара в турбине. Работа, которую 1 кг пара развивает внутри турбины, называется использованным теплоперепадом Я,-.

Отношение использованного теплоперепада к располагаемому называется относительным внутренним КПД:

Для случая расширения в область влажного пара

Отношение теплоты, превращенной в работу внутри турбины, к теплоте, сообщенной рабочему веществу в котле, называется абсолютным внутренним КПД:

Относительный внутренний КПД турбины может быть найден также сравнением мощности, развиваемой паром внутри турбины,

и мощности идеальной машины. В самом деле, умножив числитель и знаменатель отношения (1.5) на секундный расход пара (7, получим в числителе внутреннюю мощность, развиваемую турбиной, а в знаменателе—мощность идеальной турбины:

Точно так же абсолютный КПД может быть представлен как отношение внутренней мощности к секундному расходу теплоты, подведенной к рабочему веществу, т. е.

Не вся мощность, развиваемая паром внутри турбины, используется потребителем, так как часть ее расходуется на преодоление механических потерь.

Эффективная мощность, развиваемая турбиной на муфте, соединяющей вал турбины с валом приводимой машины, меньше внутренней мощности. Отношение эффективной мощности к внутренней называется механическим КПД:

Отношение эффективной мощности к мощности идеальной турбины называется относительным эффективным КПД:

а отношение эффективной мощности к расходуемой теплоте — абсолютным эффективным КПД:

Если паровая турбина служи! в качестве привода генератора электрического тока, то электрическая мощность ЛГЭ, отдаваемая с выводов генератора, меньше эффективной мощности Ие турбины. Отношение электрической мощности, отданной с выводов генератора, к эффективной мощности турбины, затрачиваемой на вращение ротора генератора, называется КПД электрического генератора и обозначается

Отношение электрической мощности к мощности идеальной турбины называется относительным электрическим КПД:

Наконец, отношение электрической мощности, выраженной в тепловых единицах, к расходуемой в единицу времени теплоте в котле называется абсолютным электрическим КПД:

Найденные выше КПД, а также мощности сопоставим в виде табл. 1.1, относящейся к простейшей схеме установки с конденсационной паровой турбиной (рис. 1.6).

Величина абсолютного КПД не характеризует эффективности всей электрической станции в целом, гак как не учитывает потерь теплоты в котле, расхода энергии на привод насосов (основная составляющая так называемых собственных нужд электростанции), потерь давления в трубопроводах и т. д. Иногда подсчитывают абсолютный КПД турбинной установки нетто, вычитая из мощности агрегата мощность, необходимую для привода питательного насоса:

В практических расчетах мощность измеряется в ваттах (Дж/с) или киловаттах (кДж/с). Связь между секундным расходом массы пара С, кг/с, работой 1 кг пара и мощностью, измеренной в киловаттах, представится так:

Если теплоперепад Н{ выражен в кДж/кг, а мощность УУ(- в кВт. то секундный массовый расход пара составит

Для турбин широкое распространение получил показатель — удельный расход пара на выработку 1 кВт • ч:

Оценка экономичности современных конденсационных турбинных установок производится величиной удельного расхода теплоты на выработанный киловатт-час па выводах генератора. Этот расход теплоты, кДж/(кВтч), находится по формуле

Если расход теплоты выражать в кДж/с и подсчитать его величину на 1 кВт, г. е. на 1 кДж/с, то он представится безразмерной величиной:

Приведенное в табл. 1.1 выражение абсолютного электрического КПД турбинной установки показывает, что доля теплоты, преобразованной в электрическую энергию, определяется произведением двух коэффициентов: абсолютного КПД теоретического теплового цикла г|, и относительного электрического КПД турбоагрегата г|0> э.

Отсюда следует сделать вывод, что существуют два пути повышения экономичности установки:

первый — включает все меры, которые связаны с увеличением теоретического КПД цикла и в основном направлены к расширению пределов теплового процесса, что достигается увеличением отношения среднего температурного уровня, на котором к рабочей среде подводится теплота в котле, к температуре, при которой происходит отвод теплоты от рабочей среды в конденсаторе;

второй -заключается в повышении относительного электрического КПД турбоагрегата и состоит в том, чтобы сократить до минимума потери в самой турбине, и целиком определяется степенью совершенства ее конструкции, а также конструкции электрогенератора.