Циклы паротурбинных установок

В настоящее время подавляющая часть электроэнер­гии производится на тепловых электростанциях при по­мощи паротурбинных установок с использованием водя­ного пара. Теоретическим циклом паротурбинных установок является цикл Ренкина. Его основное отличие от цикла Карно состоит в том, что в конденсаторе осу­ществляется полная конденсация пара, поступающего из турбины. В связи с этим вместо громоздкого компрес­сора применяется более компактный насос, в котором вследствие малой сжимаемости воды затрачиваемая ра­бота во много раз меньше, чем в компрессоре. В паро­турбинных установках электростанций, работающих по циклу Ренкина, вместо насыщенного пара применяют перегретый, что обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия установки.

Принципиальная схема паротурбинной установки по­казана на рис.5, ее работа осуществляется следую­щим образом.

При сгорании топлива в топке парогенератора 1 об­разуются газообразные продукты сгорания, теплота ко­торых передается затем воде и пару через металличе­скую стенку труб. Вода подогревается до кипения и переходит в насыщенный пар, который при движении через пароперегреватель 2 подсушивается и перегревает­ся. Перегретый пар направляется в паровую турбину 3, где его теплота переходит в механическую работу вра­щения ротора турбины. В электрическом генераторе, си­дящем на одном валу с турбиной, механическая работа переходит в электрическую энергию.

Рис.5 Принципиальная схема паротурбинной установки

После турбины от­работавший пар с низким давлением поступает в конден­сатор 4, через который прокачивается охлаждающая во­да. В конденсаторе пар отдает теплоту воде и конденсируется. Конденсат откачивается насосом 5, снова подается в па­рогенератор и цикл повторяется.

На рис. 6 изображен теоретический цикл Ренкина для 1 кг перегретого пара в координатах р - ϑ.

Вследствие малой сжимаемости воды процесс в насосе изображается изохорой 2' — а, причем точка а находится левее нижней пограничной кривой. Работа сжатия в насосе изображается площад­кой 4а2'3, которая заштрихована на диаграмме 6.

Изобарный процесс а — Ь — с —1 осуществляется в па­рогенераторе, причем участок а — Ь соответствует подо­греву воды до кипения, участок Ь — с — парообразованию и участок с —1 — перегреву пара в пароперегревателе.

Процесс 1 — 2 есть адиабатное расширение пара в турбине, а совершаемая работа есть располагаемая работа, она равна разности энтальпий i₁—i₂ и изобра­жается площадью 1234, а полезная работа пара в цикле изображается площадью а122'.

Изобарно-изотермический процесс 2 — 2' протекает в конденсаторе, где отработавший пар полностью кон­денсируется; состояние конденсата определяется точ­кой 2', которая находится на нижней пограничной кри­вой.

Рис. 6. Цикл Ренкина для перегретого пара

в р- ϑ и Т- s-диаграмме.

Изобразим цикл Ренкина в координатах Т, s, как это показано на рис. 6. Здесь точка а совмещена с точкой 2', так как при сжатии воды в насосе ее температура и энтропия практически не изменяются, а изобара подо­грева воды совпадает с нижней пограничной кривой. В этой диаграмме отдельные площади изобра­жают: пл. Ofabc1e — энтальпию перегретое пара i_i со­стояния 1; пл. Оf2'2е — энтальпию отработавшего пара

состояния 2 при входе в конденсатор i₂; пл. O\2'd — энтальпию конденсата состояния 2' после конденсатора i'. Теплота q₁ сообщенная 1 кг пара в парогенераторе по изобаре а — Ь — с — 1, изображается пл. dabcle и опре­деляется по уравнению:

Теплота q₂, отданная охлаждающей воде в конден­саторе по изобаре 2 — 2', изображается пл. d2'2e и опре­деляется по уравнению:

При низких и средних начальных давлениях пара ра­бота насоса незначительна и обычно ее не принимают во внимание, поэтому термический к. п. д. цикла Ренкина

можно найти по уравнению:

или окончательно:

Следовательно, работа 1 кг пара, изображаемая пл. а122', равна разности энтальпий адиабатного рас­ширения пара в турбине.