41238

Цикл паросиловой установки

Лекция

Физика

Скорость движения пара через турбину достаточно высокая так что пар не успевает передать много теплоты через корпус турбины в окружающую среду: поэтому с достаточным для общей оценки работы пара в турбине процесс расширения пара при его движении в турбине можно считать адиабатнымпроцесс 12. Из предыдущего материала известно что процессы подвода внешней теплоты характеризуются возрастанием энтропии рабочего тела. И наоборот при отводе теплоты энтропия уменьшается. Таким образом понятно что процесс 34561 – это...

Русский

2013-10-23

340 KB

38 чел.

Лекция № 9. Цикл паросиловой установки (продолжение).

9. Изображение цикла Ренкина  на  T,s – диаграмме термодинамических свойств воды и водяного пара.

                                                                                                                                     

Рис.9.1. Схема ПСУ и изображение цикла ПСУ в T,s – диаграмме термодинамических свойств воды и водяного пара.

Точки на схеме ПСУ соответствуют характерным точкам процессов на изображении цикла в T,s – диаграмме термодинамических свойств воды и водяного пара.

Суть изображения цикла следующая. Конденсат после конденсатора (вода) нагнетается питательным насосом (ПН) c постоянным давлением p1 в парогенеретаор (процесс 2 - 3). Вода, проходя через водяной экономайзер (ВЭ) нагревается до некоторой температуры T (почти до температуры точки 4 – температуры кипения воды при давлении p1 (процесс 3 - 4). Затем кипящая вода попадает в испарительные панели (ИП) (экранные трубы парогенератора) и при том же постоянном давлении p1 превращается в пар (процесс 4 - 5). Из испарительных панелей пар выходит в состоянии сухого насыщения (точка 5). От точки 5 пар перегревается в пароперегревателе (ПП) до состояния, которое характеризуется значениями температуры T1 и давления p1 (процесс 5-1); с этими параметрами пар попадает на вход паровой турбины(ПТ). В турбине пар попадает на лопатки, установленные на венцах колес (см.рис.8.6).

Поток пара встречает плоскость лопатки под некоторым углом, так что вектор скорости потока раскладывается на две составляющие: вдоль направления движения потока и перпендикулярно ему; перпендикулярная составляющая вектора скорости представляет собой окружную скорость колеса, на котором установлены лопатки. Еще одним важным аспектом движения пара через лопаточный аппарат турбины является то, что профили лопаток образуют расширяющиеся каналы от входа к выходу пара.,,,,?????????????На рис.8.6 хорошо видно, что собственно профиль канала, образованный проточной частью корпуса турбины расширяется по ходу движения пара к выходу. Это связано с тем, что при выполнении паром полезной работы в турбине давление пара падает, а объем возрастает, и, следовательно, необходимо увеличить проходное сечение для потока пара.

Скорость движения пара через турбину достаточно высокая (??????????), так что пар «не успевает» передать много теплоты через корпус турбины в окружающую среду: поэтому с достаточным для общей оценки работы пара в турбине процесс расширения пара при его движении в турбине можно считать адиабатным(процесс 1-2).

Сразу же из турбины пар попадает в конденсатор(К). Начало процесса конденсации – точка 2  на рис.9.1. Важно отметить, что сухость пара, который покидает турбину должна быть как можно выше (ближе к х = 1), так как влажный пар в последних ступенях турбины может вызывать коррозию металлических частей, а также, что еще более нежелательно – эрозию металла из-за того, что во влажном паре существуют мельчайшие частицы влаги, движущиеся с большой скоростью. Устройство конденсатора понятно из рис.8.7. Конденсатор – теплообменник, состоящий из пучка трубок, через которые прокачивают воду. Вода берется из водоема: озера, реки, специального бассейна.

В пространство между трубами трубного пучка попадает пар из турбины; соприкасаясь с поверхностью трубок, в которых движется сравнительно холодная вода, пар конденсируется. Процесс конденсации пара происходит при постоянной температуре T2 и давлении p2 (процесс 2-2 ). В конечной точке процесса 2-2 конденсат соответствует состоянию кипящей воды при давлении p2 и температуре T2. С этими параметрами конденсат поступает на вход питательного насоса (ПН), который повышает давление воды от значения p2 до величины p1. При повышении давления, как известно температура насыщения (кипения) повышается, и поэтому вода в питательном насосе не кипит. Процесс повышения давления в насосе – адиабатный (процесс 2-3). Таким образом, цикл теплового двигателя, каким является ПСУ, замыкается.

Ниже на рис.9.2 показаны энергетические характеристики цикла: подведенная и отведенная теплота, а также полезная работа цикла.

                                                                                                                                                     

        

                                                                                                                            

 Рис.9.2. Энергетические параметры цикла ПСУ.

 

Из предыдущего материала известно, что процессы подвода внешней теплоты характеризуются возрастанием энтропии рабочего тела. И, наоборот, при отводе теплоты энтропия уменьшается. Таким образом, понятно, что процесс 3-4-5-6-1 – это процесс подвода теплоты

                                       ,         (9.1)

а процесс 2-2  - процесс отвода теплоты

                                             (9.2)

В процессах 2-3 и 1-2 теплота не подводится и не отводится, т.к. – это адиабатные процессы .

Из рис.8.2 и формул (9.1, 9.2) ясно, что площадь фигуры s2’-2’-3-4-5-6-1-2-s2 является геометрической интерпретацией теплоты q1, а площадь s2’-2’-2-s2 соответствует теплоте q2. Разность абсолютных значений q1и q2представляет собой полезную работу цикла, как это следует из общего представления о цикле теплового двигателя. Т.е.

                                                         (9.3)

Тогда коэффициент полезного действия цикла паросиловой установки будет равен:

                                                                  (9.4)

Из диаграмм (рис.1,2) и описания цикла следует, что процессы подвода теплоты 3-4-5-1 и отвода теплоты 2-2’ – протекают при постоянном давлении p=const и поэтому согласно уравнению Первого начала термодинамики могут быть представлены как

                                                                                                            (9.5)

Необходимо заметить, что точка 3 лежит в области воды, не догретой до кипения, и поэтому ее теплосодержание мало отличается от теплосодержания точки 2’. Следовательно, можно записать

                                        (9.6)

В этом случае, уравнение (9.4) может быть записано, как

                                                                    (9.7)

 

9.1. Термодинамические методы анализа эенергоэффективности.

В теплотехнике используются методы анализа энергоэффеткивности, основанные на 1 и 2 законах термодинамики:

- метод балансов тепловых потоков;

- метод циклов или метод КПД;

- эксерегтический метод;

- метод термодинамических потенциалов.

Подробнее с методом тепловых потоков (балансовый метод) познакомимся на примере анализа энергоэффективности хорошо известной из предыдущих курсов паросиловой установки (ПСУ). В этом методе не учитываются следствия 2 Закона термодинамики (возрастание энтропии изолированной системы). Это означает, что необратимость тепловых процессов, обусловленная конечной разностью температур при передаче теплоты, не принимается во внимание. Это в свою очередь означает, что в процессах теплопередачи не принимается во внимание так называемая потеря «качества теплоты». Т.е., например, при передаче теплоты «горячего источника»  рабочему телу энтропийные изменения не учитываются, и поэтому энергетическая ценность теплоты, полученной рабочим телом, будет неизменной (т.е. такой же, как теплоты, «покинувшей» горячий источник). В рассмотрение принимаются только балансовые соотношения: сколько теплоты отобрано от источника и сколько поступило к рабочему телу. НЕ ДОШЕДШАЯ или НЕДОПОЛУЧЕННАЯ телом теплота в количественном выражении – потери. Потери в конечном итоге – это потери в окружающую среду.

                    

                                                                                                                                                

Обозначения:

ПГ – парогенератор

ПТ – паровая турбина

ЭГ – электрогенератор

К -    конденсатор

КН – конденсатный насос

Пройдем по ходу движения рабочего тела, начиная от парогенератора. Теплота сгорания топлива расходуется на превращение питательной воды, поступающей в парогенератор в перегретый пар.

Энергоэффективность парогенератора по использованию теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, характеризуется КПД парогенератора. Его величина колеблется в пределах 0,85…0,92. Потери теплоты представляют собой прямые (балансовые) потери теплоты за счет несовершенства технических устройств и приемов сжигания топлива. Основные потери в парогенераторе следующие:

  1.  Потери от химического недожога топлива – обусловлены техническим несовершенством топливосжигающего устройства (горелки) из-за несоответствия количеств сжигаемого топлива и воздуха. Теоретически количества топлива и воздуха должны соответствовать так называемому стехиометрическому соотношению, т.е. такому, которое следует из уравнения химической реакции горения с учетом того, что кислорода в воздухе содержится около 21%.
  2.  Потери от механического недожога топлива. Обусловлены техническим несовершенством горелки. Недостаточно хорошее перемешивание топлива и воздуха, которые подаются к горелке отдельными потоками, приводит к неполному сгоранию топлива.
  3.  Потери с уходящими газами. Объем дымовых газов, образующихся при горении, например, природного газа примерно в 10…12 раз больше объема собственно газа. Температура дымовых газов, покидающих парогенератор, составляет не менее 140…150 С. Таким образом, эти потери составляют существенную долю в общих потерях теплоты в парогенераторе.
  4.  Потери конвекцией и излучением от наружных стенок парогенератора. Огнеупорная обмуровка парогенератора сверху покрывается еще и теплоизоляцией, чтобы снизить температуру наружных поверхностей парогенератора. Однако, часто эта температура достигает значений 50…60С (а иногда и выше), что обуславливает значительный тепловой поток от наружных поверхностей парогенератора в окружающую среду. Нужно помнить, что при относительно небольших температурных напорах тепловые потоки могут быть достаточно большими за счет того, что наружная поверхность парогенератора довольно большая. Как правило плотность теплового потока составляет 100…300Вт/м2 При общей наружной поверхности парогенератора более 1000 м2 суммарный тепловой поток к окружающему воздуху может достигать величины >100 кВт.      

Введем значение КПД парогенератора . Тогда количество теплоты (тепловой поток), которое передается рабочему телу (перегретому пару) на выходе из ПГ имеет значение:

                                           ,        (4.1)

где - теплота сгорания топлива (нижняя, рабочая); B - секундный расход топлива, кг/с. 

Энергоэффективность паропроводов, по которым пар передается к турбине, характеризуется КПД паропроводов. Прямые потери теплоты от наружных поверхностей паропроводов обусловлены тем, что несмотря на достаточно хорошую теплоизоляцию, наружные поверхности паропроводов все-таки имеют температуру выше температуры окружающей среды. КПД паропроводов можно охарактеризовать, как

                    Теплота, поступающая с теплоносителем на вход турбины                   

КПД =

                 Теплота, поступающая с теплоносителем на вход паропровода

Как правило,  эти потери  невелики и составляют не более (1..2)%. Т.е. КПД паропроводов составляет (98…99) %. Обозначим КПД паропроводов, как

                                                   (4.2)

где Q1 – теплота, вносимая рабочим телом в турбину. Таким образом, из полученной теплоты при сжигании топлива до турбины доставляется количество теплоты

                                          (4.3)

Энергоэффективность преобразования энергии парового потока (теплоты Q1) в полезную работу турбины. Из курса Термодинамики известно, что эффективность такого преобразования характеризуется термическим КПД теплового двигателя. Турбина является составной частью ПСУ, которая и является по сути тепловым двигателем. Термический КПД равен:

               (4.4)

где LT – полезная работа турбины.

Полезная работа турбины выражается в виде разности энтальпий потока пара на входе и на выходе и изображается в hs- диаграмме вертикальной линией 1-2 (адиабатный процесс), как показано на рис.4.1.

                                                                                                                        

Рис.4.1. Изображение процесса расширения пара в турбине в hs- диаграмме.

В случае, если процесс расширения пара в турбине протекает не адиабатно, т.е.с потерями, то действительная точка завершения процесса расширения пара в турбине 2д будет лежать на той же изобаре р2, но правее точки 2. Необходимо отметить, что конечная температура расширения пара в точке 2д также будет равна температуре в точке 2. Это объясняется тем, что параметры пара за турбиной поддерживаются режимом работы конденсатора, через который прокачивается охлаждающая вода заданных параметров. Вообще говоря, процесс 1-2д представляет особый интерес для анализа.

Исходные положения для такого анализа следующие:

а) т.к. в процессе 1-2д энтропия возрастает (s1s2д), то это свидетельствует о том, что в процессе 1-2д теплота подводится к рабочему телу.

б) в турбине как таковой нет источников теплоты (нагрева рабочего тела).

За счет чего увеличивается энтропия потока пара в турбине?

Запишем уравнение Первого закона термодинамики для потока:

                                 (4.5)

В турбине нет источников теплоты, т.е. можно считать, что q = 0. Перепад высот при движении пара несущественен, поэтому также и gz=0. Скорость пара на трубопроводе незначительна (как известно, пар на входе собственно в турбину обладает высоким давлением, которое уже в лопаточном аппарате турбины преобразуется в скоростной напор); то же самое на выходе из турбины пар обладает невысокой скоростью, т.к. практически вся кинетическая энергия преобразована в работу вращения турбины.

Диаграмма скоростей многоступенчатой паровой турбины имеет вид:

                                                                                                             

Из диаграммы ясно, что отличие скоростей на входе и выходе несущественно, как об этом было сказано выше, и поэтому величиной  пренебрегаем.  Аналогия: водопад – скорость реки до водопада и после водопада практически одинаковая.

Остается:    

                      ,       (4.6)

откуда ясно, что техническая работа турбины уменьшается на величину работы трения. Работа трения, по сути, представляет собой теплоту, которая и увеличивает значение энтропии от s2 до s2д (lтр = qтр =  Tds).

Таким образом, работа турбины будет соответствовать перепаду энтальпий (h1 – h2д), что, естественно, уменьшает КПД турбины. Этот КПД, который характеризует техническое несовершенство внутри турбины, носит название внутренний относительный КПД:

                                               (4.7)

С учетом (4.4) окончательно получим выражение для внутренней работы пара в турбине:

    (4.8)

Другие потери по ходу движения пара в цикле ПСУ вызваны трением в опорных и упорных подшипниках турбины, прямыми утечками пара в уплотнениях турбины, техническим несовершенством механической передачи вращения вала турбины к валу электрогенератора и др. Эти потери характеризуются механическим КПД турбины:

                                        (4.9)

где Le – эффективная работа турбины на механической муфте, которая соединяет  вал  турбины  с  валом  электрогенератора. Потери,  равные разности (Li - Le), в виде теплоты уходят в окружающую среду.

Тогда работа, которая передается на вал электрогенератора, с учетом (4.8) будет выражаться:

                             (4.10)

Так как в электрогенераторе также есть потери, то его работа характеризуется КПД, который может быть представлен как

            (4.11)

Работа на клеммах электрогенератора (т.е. фактически электроэнергия, которая отпускается с электростанции) равна

                          (4.12)

В целом КПД всей электростанции может быть представлен, как

          (4.13)

Реальный КПД электростанции составляет обычно (27…28)%. Это означает. что только (27…28)% от выделившейся при горении топлива теплоты преобразуется в полезную работу – электроэнергию.

Для наглядности представления балансового метода оценки энергоэффективности ТЭС (ПСУ) используется диаграмма теплового баланса (диаграмма Сенкея).

                                                                                                           

 

 

 

 

Рис.4.2. Диаграмма теплового баланса (диаграмма Сенкея).

 

При анализе диаграммы Сенкея важно отметить, что, судя по величинам потерь теплоты в окружающую среду, наибольшие потери теплоты имеют место в конденсаторе за турбиной (более 50% всей теплоты). Сам по себе конденсатор турбины представляет собой теплообменник с достаточно высокой степенью энергоэффективности.

Ниже на рисунке 4.3  приведен чертеж конденсатора турбины

 

 

Рис.4.3. Конденсатор турбины – кожухотрубный теплообменник.

Как известно, тепловой баланс в кожухотрубных теплообменниках соблюдается достаточно точно. Т.е. потери теплоты при передаче от пара к охлаждающей воде могут составлять не более 5%.

Показанные потери (52…53)% на диаграмме Сенкея иллюстрируют тот факт, что преобразование теплоты в работу представляет собой преобразование качественно различных форм движения материи: теплоты (хаотическая форма движения) в работу (направленная форма движения).

 

Охлаждающая вода

К

ЭГ

ПТ

ПГ

ПН

4

1

2

2

3

ВЭ

5

ИП

ПП

5

1

2

2

3

4

T

s

x =1

p1=const, Ts=const

p2=const, Ts= T2 = const

p1=const

p1=const

T1

T1

s3 = s2

s1 = s2

x =1

s

T

4

3

2

2

1

5

h2

h1

1

2

s1=s2

s

h

КН

К

ПГ

Охлаждающая вода

Топливо +воздух =

  теплота сгорания

                            

             

ЭГ

Теплота от пара после турбины к охлаждающей воде – в окружающую среду

ПТ

   LT =h1 – h2

2д

h2д

Lд = Li =h1 – h2д

s2д

p1=const

p2=const

скорость пара в первой ступени

скорость пара

скорость пара во второй ступени

скорость пара перед входом в конденсатор

скорость пара перед входом в турбину

свых

свх

Ступень турбины

14%

1%

2%

1%

52…53%

Пар из турбины

 Охлаждающая вода (выход)

Пар движется между трубками.

Охлаждающая вода движется в трубках

Охлаждающая вода (вход)

Конденсат


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7879. Загальна характеристика елементів процесу доказування 44 KB
  Загальна характеристика елементів процесу доказування Одним із найважливіших завдань сучасної Української держави і суспільства в цілому є забезпечення суворого додержання законності, викорінення будь-яких порушень громадського порядку, ліквідація з...
7880. Збирання доказів при розслідуванні злочинів 104.5 KB
  Збирання доказів при розслідуванні злочинів. Поняття та зміст збирання доказів. Будучи специфічним, процес доказування є особливим різновидом інтелектуальної діяльності суб’єктів розслідування. Найбільш складним її елементом є збирання та фор...
7881. Поняття та зміст оцінки доказів 29.11 KB
  Поняття та зміст оцінки доказів Найважливішим елементом процесу доказування є оцінка доказів. Вона вважається однією із проблем кримінального судочинства і є, як зазначає В.Д. Арсеньєв, душой уголовно-процессуального доказывания. Оцінка дозв...
7882. Перевірка (дослідження) доказів та їх джерел 62.5 KB
  Перевірка (дослідження) доказів та їх джерел Зібрані докази підлягають ретельній, усесторонній та об’єктивній перевірці. Це передбачає вивчення їх джерел, аналіз отриманих доказів і співставлення їх між собою. У силу принципу публічності...
7883. Тактичні проблеми доказування 36.5 KB
  Тактичні проблеми доказування. Тактичні прийоми роботи з доказами. Фактор раптовості, його врахування і використання в доказуванні. Перш ніж розглядати саме тактичні прийоми роботи з доказами, слід зупинитись на співвідношенні процесуального й такти...
7884. Школа и общественное дошкольное воспитание в период восстановления и дальнейшего развития народного хозяйства СССР (1946—1958 гг.) 126.5 KB
  Школа и общественное дошкольное воспитание в период восстановления и дальнейшего развития народного хозяйства СССР (1946 гг.) Еще в ходе Великой Отечественной войны Коммунистическая партия и Советское правительство принимали меры по восста...
7885. Проверочные тесты по темам Педагогика как наука, Теория обучения 87.5 KB
  Проверочные тесты по темам Педагогика как наука, Теория обучения Тест 1 Задание. Выберите наиболее точное определение объекта педагогической науки: Ученик Учитель Образование Ребенок Развивающаяся личность Задание...
7886. Основы государства и права (коспект) 467.5 KB
  Основы государства и права (коспект) Введение В условиях развития рыночных отношений в экономике возросли требования к правовой подготовке специалистов. Соответственно от высшей школы требуют формирование широкого кругозора и правовой культуры...
7887. Основы термодинамики. Молекулярная физика 166 KB
  Основы термодинамики Молекулярная физика и термодинамика занимаются явлениями, обусловленными совокупным действием огромного числа непрерывно движущихся частиц. Несмотря на то, что каждая частица движется по законам механики, их совокупное движение ...