ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА_учебное пособие.pdf 5 семестр

На рис. 23.4. приведена принципиальная тепловая схема однобарабанного котла с естественной циркуляцией. Сгорание топлива, поступающего через горелки 2, происходит в топочной камере 1. Питательная вода поступает в экономайзер 11, где нагревается до температуры, близкой к температуре насыщения. Из экономайзера по отводящим трубам 7 питательная вода подается в барабан 6. Из барабана по опускным трубам 3 вода поступает в нижние коллекторы 12, откуда раздается по подъемным трубам топочных экранов 4. Пароводяная смесь, образующаяся в подъемных трубах, собирается в верхних коллекторах 5 и поступает по отводящим трубам в барабан, где происходит отделение пара от воды. Сухой насыщенный пар из барабана котла поступает на перегрев сначала в радиационный потолочный пароперегреватель 8 и далее последовательно проходит ширмовый пароперегреватель 9, первую 15 и вторую 14 ступени конвективного пароперегревателя. Для регулирования температуры перегретого пара в схеме предусмотрен впрыскивающий пароохладитель 13.

В паровых котлах высокого давления обычно имеется промежуточный перегрев пара. Промежуточный пароперегреватель устанавливается в конвективной шахте и выполняется чаще всего в две ступени 16 и 17. Регулирование температуры пара промперегрева осуществляется путем изменения расхода пара через первую ступень промежуточного пароперегревателя 16, например с помощью трехходового крана 18, изменением топочного режима, рециркуляции газа и др.

Основными характеристиками паровых котлов являются паропроизводительность G (т/ч или кг/с) давление рпе (МПа) и температура пара tпе (оС), а температура питательной воды tпв (оС). Водогрейные котлы характеризуются теплопроизводительностью Q (МВт (Гкал/ч), температурой tв (оС), и давлением рв (МПа), подогретой воды.

Ри с. 23.4. Принципиальная схема барабанного котла

сестественной циркуляцией

111

Водогрейные котлы (ГОСТ 21563 - 82) изготовляются теплопроизводительностью от 4,5 (3,9) до 220 МВт (189 Гкал/ч) с подогревом воды на выходе из котла 150 и 200 оС. Водогрейные котлы бывают с естественной, принудительной и комбинированной циркуляцией, а также прямоточные. Различают газотрубные котлы, когда продукты сгорания проходят внутри труб поверхностей нагрева, и водотрубные, в которых вода движется внутри труб поверхностей нагрева.

23.3. Тепловой баланс и КПД котла

Тепловым балансом котельного агрегата называется соотношение между по-

ступлением теплоты в топку и расходом теплоты, Тепловой баланс составляют на 1 кг твердого (жидкого) или 1 м3 газообразного топлива:

Qрр = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 ,

где Qрр - внесенная (располагаемая) теплота; Q1 – теплота, израсходованная на

производство пара: Q2, Q3, Q4,Q5, Q6 - потери теплоты соответственно с уходящими газами; вызванные химическим и механическим недожогом; в окружающую среду; с физическим теплом шлаков.

С другой стороны,

Qрр = Qнр + Qвв + Qфт + Qфд – Qк ,

где Qнр , Qвв , Qфт , Qфд, Qк - соответственно теплота сгорания топлива низшая на рабочую массу; внесенная в топку с воздухом, подогретым вне агрегата; физическая теплота топлива; теплота, вносимая в топку с дутьевым паром для распыливания топлива; затрачиваемая на разложение карбонатов при сжигании сланцев.

Если принять Qр = Qр , то

р

н

Qр

= Q

1

+ ΣQ

пот

,

н

где Qр

- теплота сгорания топлива; Q

1

- полезно использованное тепло (на полу-

н

чение пара); ΣQпот - сумма всех тепловых потерь.

Сумма

тепловых потерь

ΣQпот = Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6.

Если правую и левую части данного уравнения

поделить на Qр

и умножить

на 100 %, то получим

н

q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 = 100 %,

где q

1

= (Q

/Qр )100 % и т. д.

1

н

(на получение пара) Q1 к

Отношение полезно использованной теплоты

затраченной теплоте Qр

представляет собой КПД парогенератора

н

η = (Q

/Qр )100 %.

пг

1

н

Полезная используемая теплота

Q1 = Dпе / B (iпе - iпв) + (Dн / B)(i" - iпв) + (Dпр / B)( i' - iпв),

112

где Dпе Dн - количество отпускаемого из парогенератора перегретого и насыщенного пара; Dпр - количество продувочной воды; iпе, i", i', iпв - энтальпия перегретого и насыщенного пара, котловой и питательной воды.

Из уравнения теплового баланса следует, что чем меньше потери тепла ΣQпот, тем больше Q1 и тем выше КПД генератора ηпг.

24.ПАРОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

24.1.Циклы паросиловых установок

Паросиловая установка (рис.24.1) состоит из парогенератора 1 с пароперегревателем, паровой турбины 2 с конденсатором 5, электрического генератора 4 и питательного насоса 5. Рабочим телом является водяной пар. Перегретый пар поступает в турбину. В паровой турбине пар расширяется и совершает полезную работу. Приводится во вращение ротор турбины, через муфту механическая энергия передается ротору генератора, в котором происходит преобразование механической энергии в электрическую. Отработавший пар из турбины поступает в кон-

денсатор. Конденсат питательным насосом подается в парогенератор. Если предположить, что рабочим телом является насыщенный пар, то можно осуществить цикл Карно, который позволяет в заданных границах температур T1 и Т2 получить наивысший КПД. Рассмотрим циклы, изображенные на pυ-диаграмме (рис. 24.2) и на Ts-диаграмме (рис. 24.3). На этих диаграммах кривая A-К-B - пограничная кривая. Процесс, соответствующий кривой 4-1 - процесс подвода тепла q1 (происходит испарение воды в котле до получения сухого насыщенного пара) при

р = const.

Р и с. 24.1. Принципиальная схема		Р и с. 24.2. Цикл Карно в координатах pυ
	паросиловой установки

Пока вся вода не испарится, температура воды остается постоянной, Т1 = const. Поэтому изобара 4-1 одновременно является и изотермой. Процесс 1-2 соответствует адиабатическому расширению пара в турбине. Линия 1-2 - адиабата. После турбины пар поступает в конденсатор. При давлении р2 = const и Т2 = const тепло q2 отводится. Линия 2-3 - изобара и изотерма. Процесс 3-4 соответствует сжатию в компрессоре. Точку 3 выбирают с таким расчетом, чтобы сжатие осуществлялось по адиабате. Таким образом, цикл 1-2-3-4-1 состоит из двух изотерм

113

(кривые 4-1 и 2-3) и двух адиабат (кривые 1-2 и 3-4), т. е., является циклом Карно. Однако практически цикл Карно неосуществим, так как в точке 3 (начало адиабатического сжатия) удельный объем влажного пара при давлении р2 и Т2 настолько велик, что для сжатия его в компрессоре больших размеров потребуется значительная затрата работы. Эта работа графически равна площади F4-3-7-6-4. При этом действительная полезная работа меньше теоретической.

Чтобы уменьшить затраты работы на сжатие, необходимо перед сжатием производить полную конденсацию отработавшего пара (процесс отвода тепла продолжить до точки 5). В этом случае сжиматься будет вода, но она практически несжимаема, поэтому работа будет затрачиваться только на проталкивание воды (р1 - р2)υ5. Очевидно, что удельный объем воды в точке 5 по сравнению с удельным объемом пара в точке 3 мал, поэтому и работа проталкивания воды мала.

Действующие паросиловые установки работают по циклу Ренкина - это цикл с полной конденсацией отработавшего пара. КПД цикла Ренкина ниже, чем КПД цикла Карно. Для повышения КПД применяют перегретый пар. Принципиальная схема паросиловой установки, работающей на перегретом паре по циклу Ренкина, изображена на рис. 24.4. Сухой насыщенный пар из котла 1, пройдя пароперегреватель 5 с давлением p1, температурой Т1 и энтальпией i1, поступает в турбину 2. В турбине пар адиабатически расширяется до давления р2 и с энтальпией i2 поступает в конденсатор 3.

Р и с. 24.3. Цикл Карно	Рис. 24.4. Принципиальная тепловая схема
вкоординатах Ts	паросиловой установки, работающей на
	перегретом паре:
	1 – котел; 2 – турбина; 3 – конденсатор;
	4 – насос; 5 - пароперегреватель

Цикл Ренкина на перегретом паре в координатах pυ и Ts представлен на рис. 24.5 и 24.6. На диаграмме точка 1 соответствует состоянию перегретого пара с параметрами p1, Т1 и i1. Расширение в турбине соответствует адиабате 1-2. В конце расширения энтальпия пара снижается до значения i2. Изобара 2-2' соответствует процессу конденсации пара в конденсаторе. Из конденсатора с энтальпией i'2 насосом конденсат подается в парогенератор. Так как изменение объема воды в процессе сжатия пренебрежимо мало, то можно считать, что процесс сжатия от р2 до p1 (проталкивание воды в котел) происходит при постоянном объеме (υ2 = const) по изохоре 2'-3. С учетом работы, затрачиваемой на проталкивание, температура воды за насосом принимает значения t3. Отрезок изобары 3-4 соответствует процессу нагревания воды в котле от t3 до температуры кипения при p1, участок

114

изобары (изотермы) 4-5 - процессу образования насыщенного пара, а отрезок 5-1 - процессу перегрева пара в парогенераторе.

Р и с. 24.5. Цикл Ренкина на перегретом	Р и с. 24.6. Цикл Ренкина на перегретом
паре в координатах pυ	паре в координатах Ts

Таким образом, теплота от горячего источника в количестве q1= (i1 - i3) или с учетом работы, затраченной на сжатие воды в насосе (i3 - i'2), q1 = (i1- i'2) - (i3 - i'2). Отвод теплоты q2 = i2 - i'2. КПД цикла Ренкина:

η	q1 q2		i1 i2 i3 i2 i2 i2	.
t	q1		i1 i2 i3 i2

Работа насоса по сравнению с подводимой в цикле теплотой мала. Без учета работы, затраченной на сжатие воды в насосе, термический КПД цикла Ренкина

η		i1	i2	.
		i1
t			i2

Так как все изобары в Ts-диаграмме проходят близко одна от другой и к пограничной кривой жидкости, площадь F2'-3-4-2' мала и для реального цикла изображается прямой 2'-3 (4) на pυ-диаграмме (рис. 24.7) и кривой 2'(3)-4 на Ts- диаграмме (рис. 24.8).

Р и с. 24.7. Упрощенное изображение	Р и с. 24.8. Упрощенное изображение
цикла Ренкина в координатах pυ	цикла Ренкина в координатах Ts

Теоретический удельный расход пара в паросиловой установке составит dтeop = l /(i1 - i2). Удельный расход теплоты равен произведению удельного расхода па-

115

ра dтeop на количество теплоты, затраченной в паросиловой установке на получение 1 кг пара

qуд.теор = dтeop q1теор,

откуда

qуд.теор = 1/ t.

Если количество теплоты измерять в ккал, а работу в кВт·ч, то формулы для удельного расхода пара и удельного расхода теплоты будут иметь вид

dтeop = 860 /(i1 - i2); qуд.теор = 860 / t ,

где 860 - тепловой эквивалент 1 кВт·ч.

Термический КПД паросиловой установки при известных начальных и конечных параметрах пара может быть определен с помощью is-диаграммы (рис. 24.9). Для этого необходимо найти точку пересечения изобары р1 с изотермой t1, соответствующих начальным параметрам (точка 1), спроецировать ее на вертикальную ось и записать значение i1. Затем из точки 1 провести адиабату (Δs = 0) до пересечения с изобарой p2, соответствующей конечному давлению (точка 2). Проекция точки 2 на вертикальной оси соответствует энтальпии пара в конце расширения i2. Для определения энтальпии конденсата при давлении в конце расширения необходимо по изобаре p2 (она же изотерма t2) подняться до пересечения с пограничной кривой х = 1 и получить на изотерме значение t2. Для 1 кг энтальпия конденсата равна i'2 = 1t2cв, где св - теплоемкость воды. Если подставить св в ккал/(кг·К), то получим i'2 в ккал/кг, если св в кДж/(кг·К), то i'2 получим в кДж/кг.

Ри с. 24.9. К определению энтальпии пара

иконденсата (цикл Ренкина)

24.2.Основы теплофикации

Впаросиловой установке (см. рис. 24.1) конденсационного типа пар, отработавший в турбине, поступает в конденсатор и конденсируется. При этом вся теплота, выделившаяся при конденсации пара с охлаждающей водой, отводится в окружающую среду и безвозвратно теряется. В полезную работу преобразуется лишь 30–40 % теплоты, подведенной с топливом. В то же время в районе теплоснабжения кроме электрической энергии требуется и тепловая. При давлении в конденсаторе 4 -3,5 кПа конденсат имеет температуру 26 – 29 °С и поэтому для теплоснабжения не используется. В этом случае для обеспечения населения горя-

116

чей водой необходимо сжигать дополнительное количество топлива в промышленных и отопительных котельных. Чтобы использовать теплоту отработавшего пара, необходимо повысить его температуру, поэтому необходимо повысить p2 (рис. 24.10).

Т

Р и с. 24.10. Цикл паросиловой			Р и с. 24.11. Принципиальная схема паро-
теплофикационной установки			силовой	теплофикационной установки:
в координатах Ts			1 - паровой котел; 2 - пароперегреватель;
			3 - турбина; 4 - потребители тепла;
			5 - конденсатный насос; 6 - бак питатель-
			ной воды; 7 - питательный насос
В этом случае полезная работа цикла снижается, но теплота отработавшего
пара используется	для	покрытия	тепловых	нагрузок. Расход топлива	в ото-
пительных котельных сократится. Такое комбинированное производство					элек-
трической и тепловой		энергии на электростанциях называется теплофикацией,
а электрические	станции, на которых по			комбинированному циклу выра-

батывается электрическая и тепловая энергия, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ) (рис. 24.11). Пар из пароперегревателя 2 направляется в турбину 3, а затем поступает к потребителям 4. Конденсат от потребителей направляется в питательный бак 6 и насосом 7 подается в парогенератор 1. Для теплоснабжения на ТЭЦ используется не только отработавший в турбине пар, но и пар из промежуточных ступеней отборов турбин.

Принцип комбинированного использования теплоты топлива для производства электрической и тепловой энергии может быть осуществлен и при работе конденсационных установок. Для этого можно использовать пар из промежуточных ступеней отборов турбины для подогрева питательной воды (конденсата), идущей на питание парогенератора. В этом случае паросиловая установка является тепловым потребителем. Подогрев питательной воды паром из ступеней отборов турбин называется регенеративным. Применение регенеративного подогрева питательной воды приводит к повышению средней температуры подвода теплоты и таким образом повышает термический КПД цикла. Термический цикл паросиловой установки с регенерацией тепла в Ts-координатах приведен на рис. 24.12.

117

Р и с. 24.12. Цикл с регенеративным подогревом питательной воды в координатах Ts

Подогрев питательной воды на участке 3-4 производится за счет тепла пара, взятого из ступеней отборов турбины (участок 6-2). Предполагается, что участок расширения пара, соответствующий кривой 6-2, эквидистантен участку кривой 3- 4. В качестве подогревателей питательной воды в схемах с регенеративным подогревом могут быть использованы теплообменники смешивающего и поверхностного типа.

24.3 Принцип действия паровой турбины

Паровая турбина - это тепловой двигатель, с помощью которого производится преобразование потенциальной энергии пара в механическую. Простейшая турбина (рис. 24.13) состоит из корпуса 5, ротора (рис. 24.14), который состоит из вала 1, диска 2, рабочих лопаток 3 и ряда сопел 4. Пар проходит сопла, приобретает большую скорость и направляется на рабочие лопатки турбины. В соплах потенциальная энергия потока пара частично превращается в кинетическую. При движении потока пара по криволинейному каналу, образуемому лопатками, возникают центробежные силы, которые приводят во вращение ротор турбины. Таким образом, на рабочих лопатках происходит частичное превращение кинетической энергии потока в механическую.

По принципу действия паровые турбины могут быть активными и реактивными. В активных турбинах давление пара падает (снижается) от р1 до р2, а абсолютная скорость потока возрастает от с0 до с1 только в соплах (см. рис. 24.13). Между лопатками давление пара не изменяется. Турбины, в которых давление пара меняется и в соплах и между рабочими лопатками (рис. 24.15), называются реактивными. Изменение давления и скорости пара между лопатками реактивной турбины обусловлено изменением проходного сечения канала, образуемого двумя соседними лопатками. В активных турбинах сечение канала между лопатками не меняется и при однократном расширении в соплах (при больших перепадах давления) скорость пара при входе на лопатки оказывается такой, что при наличии одного ряда лопаток турбины окружные скорости рабочего колеса превосходят допустимые пределы. Относительная скорость струи пара на входе на лопатку ω1 = с1 - u, где с1 - абсолютная скорость пара, а u - окружная скорость лопатки.

118

Р и с. 24.14. Схема одновенечного ротора турбины:

1 - вал; 2 - диск; 3 - лопатки; 4 – сопло

Р и с. 24.13. Принципиальная схема	Р и с. 24.15. Схема проточной части
устройства активной турбины:	многоступенчатой реактивной турбины
1 - вал; 2 - диск; 3 - рабочие лопатки;
4 - сопла; 5 - корпус; 6 – выпускной
патрубок

Абсолютная скорость пара на выходе с лопатки с2 = ω2 - u, где ω2 - относительная скорость выхода пара или с2 = с1 – 2u. Известно, что более полное использование кинетической энергии пара будет при условии, когда с2 = 0, При этом условии u = 0,5с1, т. е. окружная скорость лопатки u = 0,5с1. При входе пара на лопатку угол входа составляет 12-14°, оптимальное отношение u/c = 0,45-0,48. Зная u, можно определить частоту вращения вала турбины n = 60u/πd, где d - средний диаметр рабочего колеса (м). Для турбогенераторов n = 3000 об/мин.

24.4 Паротурбинные электростанции

Паротурбинные электростанции могут быть двух типов: конденсационные

(КЭС) и теплофикационные (ТЭЦ - теплоэлектроцентраль). На КЭС установлены турбины конденсационного типа. Основным видом продукции КЭС является электрическая энергия. Крупные конденсационные КЭС, работающие на энерго-

119

систему, называются ГРЭС - государственная районная электростанция. На ТЭЦ устанавливаются турбины теплофикационного типа. На теплоэлектроцентрали вырабатывается электрическая и тепловая энергии.

Для теплоснабжения района (промышленных предприятий) используется пар из отборов турбин (турбины Т, П и ПТ) или из противодавления (турбины Р). Процесс выработки электрической и тепловой энергии носит комбинированный характер. ТЭЦ обычно располагают в городах и населенных пунктах в центре тепловых нагрузок; ГРЭС - в районе добычи топлива при наличии источников водоснабжения. При электроснабжении района от энергосистемы теплоснабжение осуществляется производственно-отопительными котельными. Основными установками и устройствами ТЭС являются: топливно-транспортное хозяйство; котельное отделение (цех); машинное отделение (цех); цех химводоподготовки; устройства технического водоснабжения; система шлако-золоудаления; электротехнические установки (генераторы, ГРУ, РУСН и т. д.); вспомогательные цеха (ремонтный, теплового контроля, автотранспортный и др.).

На рис. 24.16 представлена технологическая схема КЭС, работающей на твердом топливе. Толиво в вагонах поступает на приеморазгрузочные пути 26, разгружается и подается в расходные бункера 4 или на склад топлива. По тракту от разгрузочного устройства (или склада) до расходных бункеров топливо проходит дробилку. Из расходных бункеров топливо поступает в шахтномельничные установки 5, размалывается, подсушивается и в виде аэропыли вдувается в топку 6 котельного агрегата. Продукты сгорания топлива проходят газоходы собственно котла, пароперегревателя 8, экономайзера 9, воздухоподогревателя 10 и по газоходу направляются в систему газоочистки 3, а затем через дымовую трубу 1 выбрасываются в окружающую среду. Очаговые остатки из шлакозоловых бункеров сбрасываются в систему шлакозолоудаления 25 и транспортируются за пределы электростанции. Питание котла водой осуществляется из бака питательной воды 16 питательным насосом 17. На пути в барабан котла вода проходит подогреватель высокого давления 13 и экономайзер. Насыщенный пар из барабана котла 7 направляется в пароперегреватель 8. После пароперегревателя пар подается в турбину 19. Отработавший в турбине пар выбрасывается в конденсатор 21, конденсируется и конденсатным насосом 22 через подогреватель низкого давления 18 подается в деаэратор 15, а затем в бак питательной воды.

Теплота, выделившаяся при конденсации отработанного пара в конденсаторе, передается охлаждающей воде, циркулирующей по контуру конденсатор - охладитель 23 - циркуляционный насос 24 - конденсатор 21. В питательный бак через деаэратор кроме конденсата из конденсатора турбины поступает конденсат от потребителей пара и подпиточная вода, прошедшая химводоочистку 14. Количество подпиточной воды зависит от потерь пара и конденсата на электростанции и у потребителей.

Таким образом, на ТЭС с паровыми турбинами химическая энергия топлива в топках парогенератора преобразуется в тепловую. Теплота горячих газов через поверхности нагрева передается воде. Вода нагревается и испаряется. Перегретый пар поступает в турбину. Пар приводит во вращение ротор турбины. В турбине происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Вращение ротора

120