Белозеров В.И. Учебное пособие по курсу Техническая термодинамика (исправлено)

ния, а на участке 5-4 количество ра-

T

бочего тела возрастает с ростом

1

T

давления.

1

P

= const

1

Если расход пара, поступающе-

P 0

= const

1

T 0

I

го в турбину, обозначить через D, то

1

4

в первый подогреватель отбирает-

T 0

III

6

II

2

ся D кг/ч пара, а во второй –

5

IV

2

1

T

D кг/ч пара, следовательно, до

2

3

2

точки, в которой осуществляется

P = const

S

2

первый отбор, в турбине работает

Ðèñ. 14.4.2

D кг/ч пара, за точкой первого от-

бора (1 – ) D кг/ч пара, за точкой второго отбора (1 –

–

) D êã/÷

1

1

2

пара пара, соответственно в конденсатор поступает (1 –

–

) D êã/÷

1

2

пара. Во второй подогреватель из конденсатора попадет (1 –

–

)

1

2

D кг/ч воды и из второго отбора

D кг/ч пара; в результате смеше-

2

ния из подогревателя выходит (1 –

) D кг/ч подогретой воды. В

1

первый подогреватель из второго поступает (1 –

) D âîäû è èç

1

первого отбора D пара; пар и вода смешиваются, и из этого подо-

1

гревателя выходит D подогретой воды. Эта вода поступает в насос,

которым подается в котел.

Обозначим энтальпию недогретой воды на вход во второй реге-

нератор через hÂ2 , ïàðà – h2Ï , на выходе из регенератора энтальпия

кипящей воды h χ, тогда из уравнения баланса

2

1

1 h2χ

2h2Ï 1 2 1 h2Â ,

1 1

2

2 h2χ

2h2Ï 1 2 1 h2Â ,

2 h2Ï h2χ

1

2

1 h2χ h2Â .

(14.4.1)

Обозначим энтальпию воды на входе в первый подогреватель

через h , перегретого пара – через

hÏ

. Так же, как и во втором по-

1

1

догревателе расход пара выбирается таким образом, чтобы полу-

чить на выходе из подогревателя кипящую воду. Уравнение тепло-

вого баланса первого подогревателя

1 h1Ï h1χ 1 1 h1χ h1Â .

(14.4.2)

Из уравнений (14.4.1) и (14.4.2) получаем

221

h1χ h1Â

1 hÏ h ,		(14.4.3)
1	1

h2χ h2Â

2 h2Ï h2Â .

(14.4.4)

В результате регенеративного подогрева в котел поступает вода, нагретая до температуры насыщения при давлении P10 , следовательно, к 1 кг рабочего тела в котел подводится

q ðåã	h	h χ.	(14.4.5)
1	1	1

Аналогично, тепло, отданное в конденсаторе в расчете на 1 кг пара,

q 2ðåã	1Δ2 Δ1		h2 h3 ,		(14.4.6)
Κðåã	1	1Δ2 Δ1 h2 h3		.	(14.4.7)
t		h	h χ
	1		1

Для цикла с п ступенями отбора

h1 h2 ¦ i hiÏ h2

	ðåã		i	.
	Κt				(14.4.8)
		h	h χ
	1		1

Анализ показывает, что увеличение числа ступеней регенеративного подогрева воды приводит к повышению термического к.п.д. цикла. В современных паротурбинных установках высоких параметров число ступеней регенеративного подогрева достигает десяти.

14.5.Теплофикационные циклы

Âпроцессе выработки электроэнергии на электростанциях большое количество тепла передается холодному источнику (охлаждающей конденсатор воде) и бесполезно теряется. Если устранить передачу тепла холодному источнику невозможно, то нельзя ли ис-

222

пользовать это тепло? Как известно, для производственных и бытовых нужд потребляется значительное количество тепла в виде горячей воды и пара (в разного рода технологических процессах, для отопления зданий и горячего водоснабжения).

Для того, чтобы иметь возможность использовать тепло, отдаваемое конденсирующимся паром, нужно увеличить давление в конденсаторе, т.е. увеличить его температуру. Повышение нижней температуры цикла приводит к некоторому уменьшению величины термического к.п.д., т.е. к уменьшению выработки электроэнергии при тех же затратах топлива. Однако получение тепла для технологических и бытовых нужд за счет некоторого сокращения выработки элек-

троэнергии оказывается весьма выгодным.

Комбинированная выработка на электростанциях тепла и электроэнергии называется теплофикацией, а турбины, применяемые на таких электростанциях, – теплофикационными. Тепловые электростанции, осуществляющие комбинированную выработку электроэнер-

гии и тепла, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Поскольку для производственных и бытовых нужд требуется пар и вода в относительно широком диапазоне температур и давлений, на ТЭЦ применяются теплофикационные турбины различных типов в зависимости от характера потребления тепла (рис. 14.5.1–14.5.4).

Для характеристики экономичности работы ТЭЦ применяется так называемый коэффициент использования тепла K, определяемый как

отношение суммы полезной работы, произведенной в цикле (l ), и

ý

тепла, отданного внешнему потребителю q , к количеству тепла q ,

			2		1
выделившегося при сгорании топлива:
K	l	q	2
	ý				(14.5.1)
		q1

		Ïàð
К потребителю		к потребителю
	ÏÁ	Возврат
		конденсата
Ðèñ. 14.5.1	Ðèñ. 14.5.2

223

	Горячая вода
	к потребителю
Ïàð
к потребителю	ÏÃ
Возврат	ÏÁ
ÏÁ
конденсата
	Возврат холодной
	âîäû
Ðèñ. 14.5.3	от потребителя
	Ðèñ. 14.5.4

или (что то же самое)
K	N Q	,	(14.5.2)
	BQH
	P

где N – электрическая мощность установки; B – часовой расход топ-

ëèâà; QH – теплота сгорания топлива; Q – количество тепла, отдан-

P

ного внешнему потребителю.

Величина K тем ближе к единице, чем совершеннее установка, т.е. чем меньше потери тепла в котлоагрегате и паропроводе, механические потери в турбине, механические и электрические потери в электроагрегате.

14.6. Бинарные циклы

Поскольку в настоящее время нет рабочих тел, обеспечивающих высокий коэффициент заполнения цикла, то можно осуществить цикл, используя комбинацию двух рабочих тел, применяя каждое из них в той области температур, где это рабочее тело обладает наибольшими преимуществами.

Циклы такого рода носят название бинарных. Схема теплосиловой установки, в которой осуществляется бинарный ртутно-водяной цикл, показан на рис. 14.6.1.

В ртутном котле I к ртути подводится тепло, ртуть испаряется, и

сухой насыщенный пар ртути при давлении P1p поступает в ртутную турбину II, где он совершает работу, отдаваемую соединенному с

224

этой турбиной электрогенератору.
По выходе из турбины отработав-
ший ртутный пар, имеющий давле-		1	II
p	I			2
íèå P2 , направляется в конденса-
тор-испаритель III, где он конденси-				3
руется, и затем жидкая ртуть насо-			III
сом IV подается в котел I; в насосе		IV		4
давление ртути повышается от Pp
2
p			Ðèñ. 14.6.1
äî P1 .
Конденсатор-испаритель пред-	T
ставляет собой поверхностный теп-
лообменник, в котором конденсиру-	500		e	a
					1
ющийся ртутный пар отдает тепло
охлаждающей воде. За счет этого			Ртуть
	300	d		b
тепла вода в конденсаторе-испари-
теле нагревается до кипения и ис-		c	5
				6
паряется. Сухой насыщенный пар
(водяной) из конденсатора-испари-		4	Âîäà
	100
теля направляется в пароперегрева-		3			2
тель 1, размещаемый обычно в га-	0	2	4	6	S
зоходе ртутного котла. Перегретый
водяной пар при давлении PÂ ïî-			Ðèñ. 14.6.2
1
ступает в паровую турбину 2, соединенную с электрогенератором.
Отработавший водяной пар с давлением PÂ		конденсируется в кон-
	2
денсаторе 3, затем насос 4 подает воду в конденсатор-испаритель.
Теплота парообразования ртути при давлении 0,1 бар (rpò =
= 299 кДж/кг), а разность энтальпий сухого насыщенного водяного
пара и воды при температуре 28,6°С на изобаре 33,3 бар составляет
2680 кДж/кг. Отсюда видно, что для того, чтобы в конденсаторе-ис-
парителе довести до кипения и затем испарить 1 кг воды, необходи-
мо отвести тепло от 2680/299 = 8,95 кг конденсирующегося ртутно-
го пара. Таким образом, расход рабочего тела в ртутном контуре дол-
жен быть в 8,95 раза больше расхода в пароводяном контуре.
В общем случае соотношение расходов ртути и воды (кратность
расхода ртути по отношению к расходу воды) m определяется из
			p
выражения

225

mp	h6Â h4Â		1		,	(14.6.1)
	r
		ðò		Κ

êè

где h – к.п.д. конденсатора-испарителя. TS-диаграмма цикла при-

êè

ведена на рис. 14.6.2.

Термический к.п.д. бинарного цикла определяется выражением

áèí	mplpò lÂ			,
Κ
	m	q	ðò q Â
t					(14.6.2)
		p 1	1

ãäå lpò, lB – величины работы, произведенной в ртутной и пароводяной частях цикла, а q1pò , q1Â – количество тепла, подводимого в ртутной и пароводяной частях цикла соответственно. В бинарном цикле q1Â – это тепло, затрачиваемое на перегрев водяного пара, т.е. q1Â h1 h6 , т.к. нагрев воды до кипения и испарение воды осуществляются за счет тепла, отдаваемого конденсирующимся ртутным паром:

Κáèít | 0,66; Κt | 0,37; Κtðò | 33.

Применение ртутной надстройки над пароводяным циклом существенно повышает термический к.п.д. цикла.

Следует отметить, что ртутно-водяные бинарные циклы не получили распространения. Это связано, главным образом, с техническими трудностями сооружения таких установок. Несколько ртутноводяных бинарных установок единичной мощностью от 1800 до 20000 кВт было сооружено в 20–30 гг. XX в.

14.7. Циклы парогазовых установок

Газотурбинную установку, в которой рабочим веществом служат газообразные продукты сгорания и водяные пары, называют парогазовой установкой. В одних парогазовых установках оба рабочих вещества (газообразные продукты сгорания и водяные пары) предварительно смешиваются и затем поступают в турбину, а в других

– рабочие вещества не смешиваются, а раздельно направляются соответственно в газовую и паровую турбины.

226

à)

á)

Ò

â

1â

â

Топливо

3ãã

2â

ã

!

3

‘â

1â

2ã

2

ãä

4

ãä

2ã

4

ã

5â

6â

4â

â

ã

3

3

4

4"

Воздух

"â

ã

â

â

6ã

!

3â

1ã

2â

2â

2âä

ãã					S
$6

Рис. 14.7.1. Парогазовая установка:

а) схема с двумя турбинами;б) теоретический цикл

Принципиальная схема парогазовой установки с двумя турбинами и ее цикл представлены на рис. 14.7.1.

Воздух, сжатый в компрессоре, подается в камеру сгорания парогенератора, работающего на газовом или жидком топливе при постоянном давлении. Образующийся в парогенераторе водяной пар поступает в пароперегреватель и затем в паровую турбину. Продукты сгорания, температура которых снижена за счет отдачи теплоты на парообразование до приемлемой величины, подаются в газовую турбину, а из последней – в газоводяной подогреватель для подогрева питательной воды.

Термодинамический цикл состоит из двух циклов – пароводяного и газового.

Полезная работа пароводяного цикла

lâ (h1â h2â ) (h3â h2âχ ).

Полезная работа газового цикла определяется как

lã m(hã hã ) (hã hã ).
3	4	2	1

Кратность m определяется из уравнения теплового баланса газоводяного подогревателя

m(h 4 h	6)	h 4 h	3,
ã	ã	â	â

227

тогда термический к.п.д. парогазового цикла

(h1

h

2) (h

3 h

2χ)

m ←(h

3 h

4) (h

2 h

1 )…

â

â

â

â

♠

ã

ã

ã

ã

≡

.

Κ

t

(h1â h â4) m(h3ã h 2ã )

14.8.Циклы ядерных энергетических установок

14.8.1.Циклы промышленных ядерных энергетических установок

Одним из способов, обеспечивающих получение тепловой энергии, а в конечном счете, электрической энергии, является использование энергии деления ядра. В современных энергетических установках для получения тепловой энергии используются ядерные реакторы, которые представляют собой комплекс агрегатов, обеспе- чивающих управляемую цепную реакцию делений ядер урана (в общем случае не только урана) и возможность отвода выделившейся в результате реакции теплоты. Ядерные реакторы входят в состав ядерной энергетической установки (ЯЭУ), основной целью которой является преобразование тепловой энергии деления ядра в электрическую энергию или преобразование ее в электрическую и тепловую заданными параметрами, такими как давление, температура, степень сухости и т.д.

Конструктивно ЯЭУ, их тепловые схемы и термодинамические циклы определяются их назначением, типом ядерного реактора, применяемым топливом и теплоносителями. В последнее время основными факторами, определяющими конструктивные решения ЯЭУ, оказываются требования надежной и безопасной эксплуатации установки в целом и обеспечение жизнедеятельности обслуживающего ее персонала.

В качестве ядерного топлива обычно используют уран и плутоний, а теплоносителями являются вода, газы (гелий, азот, углекислый газ), металлы (калий, натрий) и органические жидкости (углеводороды, дифенил, нафталин и т.д.).

Процесс преобразования энергии в ЯЭУ заключатся в следующем: в ядерном реакторе в результате делений ядер атомного «го-

рючего» выделяется теплота при температуре Т . Из реактора эта

ð

теплота отводится потоком теплоносителя в парогенератор или ба-

228

h

0

T

T

í1

T

í2

0

T

0

		Q												a
			p
												Q
b			4									1
										1				P
	4χ												1χ 1
														1σ
														P
				2										0
			3											2
				Q
				2

T

Qâûõ

p

Q

T ïã

âõ

P

01

P

02

Q

k

a

Q

p

Na aχ

b

Na Q1

bχ

Q

2

à)

S

â)

S

ä)

S

h

á)

Qa

p

Q

b	4						1					1χ
4χ										1
													2 P
	3								2χ					0

Q

2

0 S

T

ã)

	Q		T
			âûõ
	p
	Q	P	0
		ïã
	T
	âõ		P
			ïï
	Q
		k
0				S
T	Q	a
	p			å)
	Na		aχ
	b	Q
	Na
		1
	bχ
		T
		k
	Q
	2

0 S

T	Q	a	æ)
	p
	Na		aχ

b	Q	Рис. 14.8.1. Теоретический цикл
	1
Na		ßÝÓ:
bχ		а) – б) с реакторами, охлаждаемыми
		водой;
		в) – г) с газоохлаждаемыми
		реакторами;
Q		д) – ж) с реакторами–размножителя-
	2
		ми, охлаждаемыми жидкими металла-
0	S	ìè

229

рабан-сепаратор, а затем передается там рабочему телу термодинамического цикла, который аналогичен циклу обычной паросиловой установки. Теоретические циклы паросиловой установки приведены на рис. 14.8.1.

Термический КПД теплосиловой части ЯЭУ при оптимальной средней температуре рабочего тела определяется как

Κ 1 T2 /Tð ,

где T – температура окружающей среды.

2

Одноконтурные ядерные энергетические установки. Наиболее простой схемой ядерной энергетической установки является одноконтурная, в которой отбор теплоты в реакторе и получение работы производятся одним и тем же рабочим телом. В России промышленными ЯЭУ такого типа являются уран-графитовые реакторы типа РБМК-1000 (реактор большой мощности канальный с электрической мощностью 1000 МВт). Простота конструкции, относительно надежные системы управления и защиты (значительно модернизированные после аварии на Чернобыльской АЭС) делают ЯЭУ с реактором РБМК-1000 сравнительно простой в эксплуатации и об-

служивании. Принципиальная схема одноконтурной ЯЭУ показана

3на рис. 14.8.2. В реакторах типа

2РБМК генерация пара происходит

					в верхней части ТВС (на высоте
					порядка 1,5 метров от выхода из
1					технологического канала).
			"4
					Основной недостаток однокон-
					турных ЯЭУ – возможность попа-
					дания радиоактивного теплоноси-
					теля в окружающую среду.
7	6	5			Двухконтурные ядерные
Рис. 14.8.2. Принципиальная схема					энергетические установки. Для
одноконтурной ЯЭУ:					устранения указанного недостатка
1 – реакторная установка;					одноконтурной схемы применяют
2 – турбина; 3 – электрогенератор;
4 – конденсатор;					двухконтурные, в которых отвод
5 – конденсатный насос (КН);					теплоты из реактора и передача ее
6 – теплообменник;					внешнему потребителю происхо-
7 – главный циркуляционный насос					дят с помощью двух, непосред-

(ÃÖÍ)

230