Цикл паротурбинной установки (ПТУ)

Основой современных тепловых электрических станций является паротурбинная установка, на которой реализуется так называемый цикл Ренкина.

Пар с параметрами р₀ и t₀ подводится к турбине 1 (рис. 2.1,а) из па­рового котла 6. В турбине происходит адиабатное расширение пара до конечного давления р₂, в процессе которого совершается работа, пере­даваемая электрическому генератору 2. Отработавший в турбине пар направляется в конденсатор 3, где он отдает охлаждающей воде 4 теп­лоту и конденсируется при постоянных температуре и давлении. Темпе­ратура пара в конденсаторе немного выше температуры окружающей среды и составляет 30...35 °С, что соответствует давлению в конденса­торе 4...6 кПа. Из конденсатора конденсат поступает в питательный на­сос 5, где его давление повышается до р₀. Полученная вода высокого давления, называемая питательной водой, подается в паровой котел 6, где она получает теплоту сгорания топлива и превращается сначала в сухой насыщенный пар, а затем в пароперегревателе 7 - в перегретый пар. Полученный пар далее поступает в турбину.

Цикл Ренкина (рис. 2.1,б, в, г) состоит из процессов: 0-1t - адиа­батное расширение пара в турбине; 1t-2 - конденсация пара при p₂ = const; 2-3 - адиабатное повышение давления воды в насосе; 3-4 -подвод теплоты к воде при давлении р₀ в паровом котле до соответст­вующей температуры кипения; 5-0 - перегрев насыщенного пара в паро­перегревателе.

Процессы нагрева и испарения воды, а также перегрева водяного пара в котле происходят при постоянном давлении, и поэтому теплота, передаваемая воде и пару, полностью идет на повышение энтальпии. Для 1 кг рабочего тела количество подведенной теплоты

q₁ = h₀ - h₃,

где h₃ и h_о - энтальпии соответственно в конечной и начальной точ­ках процесса.

Это количество теплоты в T-s диаграмме (рис. 2.1,в) изобража­ется площадью 2-3-4-5-0-Ь-а-2.

Удельная работа паротурбинной установки I равна разности ра­боты турбины I₀ = h₀ - h_1t и насоса I_н = h₃ - h₂, а термический КПД цикла Ренкина

. (2.1)

Работу питательного насоса часто учитывают вместе с другими за­тратами энергии на собственные нужды паротурбинной установки, а ле­вую часть цикла при этом полагают идущей по пограничной кривой (ли­ния 2-4 вместо 2-3-4). Тогда выражение для термического КПД цикла Ренкина упрощается:

, (2.2)

где h₂ - энтальпия конденсата, h₂ = c_в · t_k = 4,19 t_K, кДж/кг.

в)

г)

Рис. 2.1. Схема (а) и цикл паротурбинной установки

в р, v - (б), Т, s - (в), h, s (г) - диаграммах

Величину H₀ = h₀ - h_1t называют располагаемым теплоперепадом турбины и в h-s диаграмме (рис. 2.1,г) изображают отрезком верти­кальной линии 0-1t.

Часто для характеристики циклов паротурбинных установок ис­пользуют понятия удельный расход теплоты q_o, кДж/(кВт·ч) и удельный расход пара d₀, кг/(кВт·ч), приходящиеся на единицу работы:

; . (2.3)

В действительности процесс расширения пара в турбине является необратимым. Линия 0-1, условно изображающая этот процесс в h, s - диаграмме (рис. 2.1,г), отклоняется от изоэнтропы 0-1t в сторону возрас­тания энтропии. При этом энтальпия отработавшего пара повышается до h₁, а разность энтальпий H_i = h₀ - h_1, представляющая собой действительную (или внутреннюю) работу I_i, развиваемую 1 кг пара в турбине, со­ответственно уменьшается на величину потерь Н = Н_о – Н_i. Разность энтальпий H_i = h₀ - h_i принято называть используемым теплоперепадом турбины, отношение - внутренним относительным КПД турбины, а - внутренним КПД паротурбинной установки.

Из выражений (2.2) и (2.3) следует, что увеличивается, a q₀ уменьшается с ростом h₀ и снижением h₂, чему соответствует повыше­ние начальных параметров пара р₀, t₀ и уменьшение конечного давления р₂. Понижение давления р₂ в конденсаторе менее чем 3,5...4 кПа ограни­чено температурой охлаждающей воды (0...25 °С).

Повышение начальной температуры пара t₀ всегда приводит к росту КПД, но оно ограничено удорожанием металла; t₀ составляет 540...565 °С (теплоустойчивая сталь перлитного класса). Применяют в паротур­бинных установках и сопряженные параметры р_о = 16 МПа, t_o = 560 °C и р_о = 24 МПа, t_o = 560 °C при допустимой влажности 10... 12 %.