Регенеративный цикл паротурбинной установки (ПТУ)

Для повышения экономичности работы паротурбинных установок, помимо повышения параметров пара, применяют так называемый регенеративный цикл, при котором питательная вода до ее поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагреву паром, отбираемым из промежуточных ступней паровой турбины. Так как питательной воде передается теплота отобранного пара, включая теплоту парообразования, а при получении работы используется лишь часть теплоты пара, не включая теплоту парообразования, то потеря работы в результате отборов будет значительно меньше, чем увеличение энтальпии питательной воды. Поэтому, в целом, КПД цикла возрастает.

Применение регенеративного цикла позволяет, когда это желательно, исключить экономайзер (подогрев питательной воды уходящими газами), использовав теплоту уходящих газов для подогрева поступающего в топку воздуха.

При применении регенерации экономия теплоты в цикле возрастает с повышением начального давления пара . С повышением увеличивается температура насыщения (кипения) воды, следовательно, повышается количество теплоты, которое можно подвести к воде при подогреве ее паром из отбора турбины. В настоящее время регенеративный подогрев применяется на всех крупных электростанциях.

В реальных ПТУ регенеративный цикл реализуется путем подогрева питательной воды в регенераторах - пароводяных подогревателях, в которые поступает пар, отбираемый из турбины. Схема ПТУ с двумя отборами на регенеративный подогрев питательной воды приведена на рис. 2.3,а. Из котла 1 пар поступает в пароперегреватель 2, а затем в турбину. Из 1 кг пара, поступившего от котла, через первую часть 3 турбины проходит весь пар. Расширяясь до давления p₁ (рис.2.3,б), он совершает удельную работу I_I = h₀ – h₁. После расширения в первой части турбины некоторое количество пара , кг с энтальпией h₁ отбирается к подогревателю 11, где отдает свою теплоту питательной воде и конденсируется. Остальное количество пара , кг расширяется во второй части 4 турбины до давления р₂ и совершает удельную работу . После расширения отбирается в подогреватель 10 , кг пара с энтальпией h₂. Оставшиеся , кг пара расширяются в третьей части турбины до конечного давления р_к, совершают удельную работу I_K = α_K(h₂ - h_K) и поступают в конденсатор 6. Далее с помощью насосов 7 и 9 вода, пройдя через смешивающий 8 и регенеративные 10, 11 подогреватели, подается в котел 1.

а)

б)

Рис. 2.3. Схема турбоустановки с регенеративным подогревом питательной воды (а) и изображение процесса расширения пара в h, s -диаграмме (б)

Полная удельная работа цикла равна сумме работ, совершенных паром во всех частях турбины:

Расход теплоты на турбоустановку с регенерацией равен разности начальной энтальпии пара h₀ и питательной воды h_п.в:

Термический КПД цикла Ренкина с регенерацией:

. (2.5)

Число регенеративных отборов в ПТУ составляет 4...13 (обычно 5…7).Увеличение КПД при применении регенерации составляет 10…15 %.

Теплофикационный цикл

Согласно второго закона термодинамики для осуществления цикла тепловых двигателей неизбежна отдача теплоты холодному источнику (окружающая среда Т ≈ 300 К), а температура горячего источника ограничена ( К). Поэтому самые эффективные тепловые двигатели отдают бесполезно в окружающую среду около половины полученной теплоты.

Цикл паротурбинной установки (ПТУ), в котором теоретически можно использовать всю подведенную от горячего источника теплоту для получения работы и теплоты, называют теплофикационным. Комбинированная выработка электроэнергии и теплоты на тепловых электростанциях (ТЭЦ) называется теплофикацией.

Электростанции, работающие по циклу Ренкина, называют конденсационными (КЭС), а по теплофикационному – теплоэлекроцентралями (ТЭЦ).

В установках с теплофикационным циклом (рис. 2.4,а) давление пара на выходе из турбины 1, механически связанной с электрическим генератором 6, определяется тепловым потребителем. После турбины пар направляется к тепловому потребителю 2, где отдает теплоту q_тп и конденсируется. Конденсат насосом 3 направляется в котел 4, где нагревается, превращается в насыщенный пар, который перегревается в пароперегревателе 5 и поступает в турбину 1.

На рис. 2,4,б приведены два цикла: 1-2-3-4-5-1 – конденсационный и 1-6-7-4-5-1 – теплофикационный. Начальные параметры в обоих циклах одинаковы. В первом цикле конечное давление пара р₂, удельная работа l пропорциональна площади 1-2-3-4-5-1, а количество теплоты q₂, отданной холодному источнику, пропорционально площади 2-10-8-3-2. В теплофикационном цикле конечное давление , удельная работа l' пропорциональна площади 1-6-7-4-5-1, а количество теплоты, отдаваемой потребителю, - площади 6-10-9-7-6.

а)

б)

Рис. 2.4. Схема (а) и цикл (б) паротурбинной установки,

работающей по теплофикационному циклу

Из рис. 2.4,б видно, что . Таким образом, в теплофикационном цикле удельная полезная работа турбины уменьшилась по сравнению с конденсационным циклом на величину, соответствующую площади 6-2-3-7-6. При этом количество теплоты, отдаваемое холодному источнику, возросло ( ). Учитывая, что р'₂ > р₂, теплота q'₂ может быть использована на удовлетворение технологических нужд промышленности, отопление и другие цели.

В связи с использованием теплоты отработавшего пара величина КПД цикла Ренкина (2.2) теряет свой смысл и перестает быть КПД, так как полезной является и та теплота, которая отдается холодному источнику. Поэтому эффективность теплофикационного цикла, в отличие от КПД конденсационного цикла, оценивают коэффициентом использования теплоты , представляющим собой отношение общего количества получаемой работы и теплоты q'₂ к подведенной теплоте q₁:

. (2.6)

На современных теплофикационных установках коэффициент использования теплоты достигает 60...70 %.