В современной теплоэнергетике широко используются паросиловые установки. Наибольшее распространение получили стационарные паротурбинные установки (ПТУ) тепловых электрических станций (ТЭС), на долю которых приходится более 80% вырабатываемой в стране электроэнергии.

Эти установки работают по циклу, предложенному шотландским инженером и физиком Ренкиным. В качестве рабочего тела в цикле используют водяной пар, который в различных элементах схемы ПТУ изменяет своё состояние вплоть до полной конденсации. В области близкой к сжижению свойства паров сильно отличаются от идеального газа, что исключает возможность применения уравнений и законов идеальных газов для паров. В этом случае процессы и циклы рассчитывают при помощи таблиц и диаграмм водяного пара.

Целью данной работы является более глубокое самостоятельное изучение студентами раздела "Цикла паровых установок".

Студенты должны овладеть навыком работы с hs - диаграммой и таблицей свойств водяного пара, научится определять по ним параметры пара различного состояния, уметь исследовать и анализировать циклы с помощью диаграмм.

Задание

Для паротурбинной установки (ПТУ), работающей по обратимому (теоретическому) циклу Ренкина, расчетом определить:

- параметры воды и пара в характерных точках цикла,

- количества тепла, подведенного в цикле,

- количество отведенного тепла в цикле

- работу, произведенную паром в турбине

- работу, затраченную на привод питательного насоса,

- работу, совершенную в цикле

- термический КПД цикла,

- теоретические удельные расходы пара и тепла на выработку электроэнергии.

Расчет выполнить при заданных параметрах острого пара в перед турбиной и одинаковом значении давления пара в конденсаторе Р2 для четырех случаев:

1) ПТУ работает на сухом насыщенном паре с начальным давление Р1;

2) ПТУ работает на перегретом паре с начальными параметрами Р1, t1

3) ПТУ работает на перегретом паре начальным давлением Р1 и t1, но при этом используется вторичный перегрев пара до температуры tn при давлении Рn.

4) ПТУ работает на перегретом паре с давлением P1 и t1, но при этом используется регенерация с одним отбором пара при давлении отбора Pотб.

Таблица 1 Исходные данные

Начальные параметры пара	Параметры пара после вторичного перегрева	Давление отбора Pотб, МПа	Конечное давление пара Р2, кПа
Давление Р1, МПа	Температура t1, єC	Давление Pn, МПа	Температура tn, єC
13	490	3.3	510	0.38	4.5

I. ПТУ работает на сухом насыщенном паре

Структурная схема ПТУ:

где

ПГ - парогенераторПТ - паровая турбинаЭГ - электрогенераторК - конденсаторПН - питательный насос

Процесс парообразование в PV, hS и TS диаграммах, выглядит следующим образом:

а) в Pv-диаграмме, б) в Ts-диаграмме, в) в hs-диаграмме;

1-2 -- адиабатное расширение пара в турбине;

2-3 -- изобарно-изотермическая конденсация влажного пара в конденсаторе (Р2 - const, t2 = const);

3 - 3'-- адиабатное сжатие воды в насосе, т.к. вода практически не сжимается, этот процесс можно считать и изохорным (данный процесс показан только на Pv - диаграмме);

3(3') -4 -- изобарный процесс подогрева воды в экономайзере парогенератора (P1 = const);

4-1 -- изобарно-изотермический процесс парообразования в парогенераторе (P1= const, t1 = const).

Таблица 2 Параметры в характерных точках цикла ПТУ при работе на сухом насыщенном паре

Точки цикла	Р, МПа	t, ° C	h, кДж/кг	н,	S, кДж/кг*К	Х
1	13	330.86	2662	0.012	5.39	1
2	0.0045	31	1645.7	19.43	5.39	0.624
3	0.0045	31	130	0.001	0.45	0
4	13	330.86	1532	0.0015	3.56	0

Параметры определяются по hs - диаграммам и таблицам свойств водяного пара

Удельная теплота, затраченная на образование 1 кг пара в турбине:

кДж/кг

Удельный отвод теплоты в конденсаторе:

кДж/кг

Удельная полезная работа, совершаемая паром в турбине, в адиабатном процессе расширения определяется величиной располагаемого теплового перепада Hp:

кДж/кг

Если пренебречь работой, затраченной на сжатие в насосе, будем считать, что полученная в цикле работа равна работе, совершаемой паром в турбине:

кДж/кг

Термический КПД цикла Ренкина :

Теоретический удельный расход пара d0 необходимый для выработки одного кВт*ч электроэнергии:

кг/( кВт*ч)

Теоретический удельный расход тепла q0, необходимый для выработки одного кВт*ч:

кДж/( кВт*ч)

II. ПТУ работает на перегретом паре

Структурная схема ПТУ

Где

ПГ - парогенератор

ПП - пароперегреватель

ПТ - паровая турбина

ЭГ - электрогенератор

К - конденсатор

ПН - питательный насос

Процесс парообразование в PV, hS и TS диаграммах, выглядит следующим образом:

Параметры в характерных точках цикла ПТУ при работе на перегретом паре

Таблица 3

Точки цикла	Р, МПа	t, ° C	h, кДж/кг	н,	S, кДж/кг*К	Х
1	13	490	3309	0.024	6.4	1
2	0.0045	31	1940.8	23.2	6.4	0.746
3	0.0045	31	130	0.001	0.45	0
4	13	330.86	1532	0.0015	3.56	0
5	13	330.86	2662	0.012	5.39	1

Параметры определяются по hs - диаграммам и таблицам свойств водяного пара

Удельная теплота, затраченная на образование 1 кг пара в турбине:

кДж/кг

Удельный отвод теплоты в конденсаторе:

кДж/кг

Удельная полезная работа, совершаемая паром в турбине, в адиабатном процессе расширения:

кДж/кг

Работf, совершаемая паром в турбине:

кДж/кг

Термический КПД цикла Ренкина:

Теоретический удельный расход пара d0 необходимый для выработки одного кВт*ч электроэнергии:

кг/( кВт*ч)

Теоретический удельный расход тепла q0, необходимый для выработки одного кВт*ч:

кДж/( кВт*ч)

III. ПТУ работает на перегретом паре с вторичным перегревом

В этом цикле используется многоступенчатую турбину, состоящую из цилиндра высокого давления и нескольких низкого давления. Пар из парового котла направляется сначала в цилиндр высокого давления, где расширяясь, совершает работу. После этого пар возвращается в паровой котел (промежуточный пароперегреватель), где осушается и нагревается до более высокой температуры (но уже при более низком и постоянном далении) и поступает в цилиндр низкого давления, где, продолжая расширяться, снова совершает работу.

Процесс парообразование в PV, hS и TS диаграммах, выглядит следующим образом:

Таблица 4 Параметры в характерных точках цикла ПТУ при работе на перегретом паре насыщенном паре с вторичным перегревом

Точки цикла	Р, МПа	t, ° C	h, кДж/кг	н,	S, кДж/кг*К	Х
1	13	490	3309	0.024	6.4	1
а	3.3	283.14	2939.6	0.07	6.4	1
b	3.3	510	3476.3	0.0107	7.2	1
2	0.0045	31	2188.1	26.4	7.2	0.85
3	0.0045	31	130	0.001	0.45	0
4	13	330.86	1532	0.0015	3.56	0
5	13	330.86	2662	0.012	5.39	1

Параметры определяются по hs - диаграммам и таблицам свойств водяного пара

Удельная теплота, затраченная на образование 1 кг пара в турбине:

кДж/кг

Удельный отвод теплоты в конденсаторе:

кДж/кг

Удельная полезная работа, совершаемая паром в турбине, в адиабатном процессе расширения:

кДж/кг

Работа, совершаемая паром в турбине:

кДж/кг

Термический КПД цикла Ренкина :

Теоретический удельный расход пара d0 необходимый для выработки одного кВт*ч электроэнергии:

кг/( кВт*ч)

Теоретический удельный расход тепла q0, необходимый для выработки одного кВт*ч:

кДж/( кВт*ч)

IV. ПТУ работает на перегретом паре, при этом используется регенерация с одним отбором пара

В данном цикле используется отработавший пар для подогрева воды, полученной после конденсации основного парового потока. При этом конденсат греющего пара смешивается с основным потоком питательной воды

Процесс парообразование в PV, hS и TS диаграммах, выглядит следующим образом:

Точки цикла	Р, МПа	t, ° C	h, кДж/кг	н,	S, кДж/кг*К	Х
1	13	490	3309	0.024	6.4	1
а	0.38	141.77	2525	0.437	6.4	0.9
b	0.38	141.77	596.8	0.0011	1.76	0
2	0.0045	31	1940.8	23.2	6.4	0.746
3	0.0045	31	130	0.001	0.45	0
4	13	330.86	1532	0.0015	3.56	0
5	13	330.86	2662	0.012	5.39	1

Параметры определяются по hs - диаграммам и таблицам свойств водяного пара

Доля отобранного пара:

кг/кг

где ha - энтальпия пара, отбираемого из турбины;

hb - энтальпия конденсата при давлении отбора.

Полезная работа в регенеративном цикле:

кДж/кг

Количество подведенной теплоты в данном цикле:

кДж/кг

Удельный отвод теплоты в конденсаторе:

кДж/кг

Работе, совершаемая паром в турбине:

кДж/кг

Термический КПД цикла Ренкина :

Теоретический удельный расход пара d0 необходимый для выработки одного кВт*ч электроэнергии:

кг/( кВт*ч)

Теоретический удельный расход тепла q0, необходимый для выработки одного кВт*ч:

кДж/( кВт*ч)

Таблица 5 Результаты расчетов

Параметры цикла	Цикл паротурбинной установки
	на сухом насыщенном паре	На перегретом паре	с вторичным перегревом пара	с регенеративным отбором
Количество подведенной теплоты q1, кДж/кг	2532	3179	3715.7	2712.2
Количество отведенной теплоты q2, кДж/кг	1515.7	1810.8	2058.8	1810.8
Полученная работа в цикле lц , кДж/кг	1016.3	1368.2	1368.8	1257.2
Теоретический удельный расход пара d0, кг/кВт*ч	3.54	2.63	2.17	2.86
Теоретический удельный расход тепла q0, кДж/ кВт*ч	8969	8361	8063.1	7757
Термический КПД цикла, зT	0.4	0.43	0.45	0.46

Вывод

Рассчитав паротурбинную установку, работающую по циклу Ренкина, видно, что термический кпд таких установок очень низок (около 40%). Но так как термический вид энергии очень распространен, необходимо искать методы повышения кпд ПТУ. В данной работе мы увидели три способа повышения термического кпд. Комбинируя эти методы можно повысить кпд на 10-20%, что делает данный способ получения энергии более перспективным.