13. Экзаменационные вопросы

1. Область применения паровых и газовых турбин.

Паровые турбины применяют большей частью в стационарных установках на тепловых электрических станциях для приводов генераторов тока, реже в небольших промышленных установках для привода вентиляторов, насосов.

По характеру теплового процесса турбины подразделяют на конденсационные с выбросом всего пара в конденсатор и теплофикационные (конденсационные с регулируемым отбором пара и турбины с противодавлением), в которых часть или весь пар отбирают из промежуточных ступеней давления для производственных нужд, отопления и горячего водоснабжения. Общий коэффициент использования теплоты топлива при применении теплофикационных турбин (на ТЭЦ) достигает 80% и более.

По параметрам свежего пара различают турбины среднего давления 3,43 МПа и температурой 708 К (435 °С), повышенного давления 8,8 МПа и температурой 808 К (535 °С), высокого давления 12,75 МПа и температурой 838 К (565° С) и сверхкритических параметров: давление 23,55 МПа и температура 838 К (565° С).

По числу корпусов (цилиндров) турбины могут быть одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые.

По числу ступеней — одноступенчатые (маломощные) и многоступенчатые активного и реактивного типов малой, средней и большой мощности до 800 МВт при сверхкритнческих параметрах пара.

Паровые турбины обладают преимуществами перед другими двигателями. Они дают возможность в одном агрегате получить высокую мощность и высокий КПД, использовать любые виды топлива для получения пара, использовать отработавшую в них энергию для получения пара или горячей воды; отличаются относительно небольшими габаритами и надежны в работе.

2. Современное состояние энергетики.

3. Цикл паровой турбины (Ренкина) и оценка его эффективности.

Эффективность цикла Rankine ограничена высокой температурой испарения рабочей жидкости. Кроме того, если давление и температура не достигает супер критических уровней в паровом котле, диапазон температуры, которым цикл может управлять, довольно маленький: паровые турбинные температуры входа, как правило, вокруг 565°C, и паровые температуры конденсатора вокруг 30°C. Это дает теоретическому максимуму эффективность Карно для одной только паровой турбины приблизительно из 63% по сравнению с фактической полной тепловой эффективностью до 42% для современной угольной электростанции. Эта низкая паровая турбинная температура входа (по сравнению с газовой турбиной) - то, почему Rankine (пар) цикл часто используется в качестве цикла насыщения, чтобы возвратить иначе отклоненную высокую температуру в электростанциях газовой турбины с комбинированным циклом.

4. Цикл паровой турбины на перегретом паре и его эффективность.

Цикл Ренкина на перегретом паре

Изображения идеального цикла перегре­того пара в p-, v-, T-, s-, и h, s-диаграммах приведены на рис. 4. Этот цикл отличается от цикла Ренкина на насы­щенном паре только на­личием дополнительного перегрева по линии 6-1. Он осуществляется в паропе­регревателе, являющемся элементом па­рового котла.

Термический КПД цикла определяет­ся, как обычно, по уравнению

Теплота подводится при в процессах 4-5 (подогрев воды до темпе­ратуры кипения), 5-6 (парообразование) и 6-1 (перегрев пара). Теплота <7ь под­веденная к 1 кг рабочего тела в изо­барном процессе, равна разности энталь­пий в конечной и начальной точках про­цесса: .

Отвод теплоты в конденсаторе осу­ществляется также по изобаре 2-3, сле­довательно, 

Термический КПД цикла

Если не учитывать ничтожного повышения температуры при адиабатном сжатии воды в насосе, то  и

где — энтальпия кипящей воды при давлении р2.

5. Цикл паровой турбины на влажном паре (турбины АЭС) и его эффективность.

ПАРОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ АЭС С ВОДНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

Особенности паротурбинных установок на насыщенном паре Основные особенности паровых турбин АЭС с водным теплоносителем связаны сих

работой на насыщенном паре и потому с относительно малым теплоперепадом (большие расходы пара) и работой большей части ступеней на влажном паре. Соответствующий цикл был представлен в главе , где была показана необходимость сепарации и промперегрева между ЧСД и ЧНД турбины.

ЧСД турбины выполняется в виде одного цилиндра.а ЧНД обычно из нескольких. как правило, двухпоточных цилиндров. Пар после ЦСД и сепаратора-промперегревателяпоступает параллельно во все ЦНД.

В любых паровых турбинах, за исключением противодавленческих, приходится иметь дело с работой на влажном паре. Если для турбин ТЭС на перегретом паре это относится только к последним ступеням ЦНД (см. рис. ), то для машин на насыщенном паре большая часть ступеней работает на влажном паре. Только начальные ступени ЦНД, т. е. ступени после промежуточного перегрева пара между цилиндрами, работают на перегретом паре. Влияние влажности пара отрицательно сказывается на тепловой экономичности установки — внутренний относительный КПД турбины при работе на влажном паре уменьшается. Приближенно можно считать, что

т. е. увеличение средней влажности пара на (1% приводит к уменьшению внутреннего относительного КПД турбины также примерно на1%.

Влажность пара отрицательно влияет на работу турбины также и в связи с эрозией лопаток. Существуют методы отвода влаги из проточной части турбины. Конструкции внутритурбинных влагоудаляющих устройств различны. Значительная часть влаги отбрасывается к корпусу по поверхности лопаток рабочего колеса, поэтому такие сепарационные устройства целесообразно располагать непосредственно за рабочим колесом, тогда отведенный конденсат уже не будет оказывать вредного влияния на работу последующих ступеней турбины. Для последней ступени ЦНД отводят влагу также и с помощью влагоулавливающего устройства, расположенного за сопловым аппаратом.

Для удаления влаги из влагоулавливающей камеры отсасывается некоторое количество пара, который направляется затем в регенеративную систему. Эффективность влагоудаления возрастает с увеличением отсоса, однако при этом возрастает недовыработка электроэнергии на отсасываемом паре. Хотя теоретически было бы целесообразно отводить влагу после каждой ступени, внутритурбинные влаго-улавливающиеустройства располагают только в ЦНД, где в связи с большими диаметрами проточнойчасти турбины эрозионный износ лопаточного аппарата проявляется сильнее.

Эрозионные разрушения лопаток паровых турбин начинаются с их поверхности. Поэтому для снижения эрозии применяют различные способы упрочнения поверхности лопаток— хромирование, местную закалку кромок, нагартование, упрочнение поверхностного слоя электроискровым способом и др. На отечественных заводах наиболее распространен последний способ. Совершенно обязательно упрочнение поверхностного слоя лопаток для последних ступеней. Для этих целей используется стеллит, но бескобальтовый. Эффективность защитных мероприятий в решающей мере зависит от качества их выполнения, причем при плохом выполнении эрозия идет в еще большей мере, чем в отсутствие защитных мероприятий. В последние годы стали изготовлять лопатки для влажного пара из эрозионностойких материалов. Наряду с этим продолжаются поиски наиболее эффективных влагоудаляющих внутритурбинных устройств в сочетании с выбором более рациональных конструктивных и газодинамических параметров.

Наиболее эффективен вывод влаги через отборы турбины, особенно если число отборов отвечает числу ее ступеней. Уменьшение влажности при отводе влаги с греющим паром системы регенерации в процессах, изображаемых на h, s -диаграмме,обычно не учитывается. Это означает, что влажность по ступеням и за турбиной в действительности меньше, чем это следует из тепловых процессов вh, s-диаграмме.

6. Цикл паровой турбины на сверхкритические параметры пара и его эффективность.

Это с пром перегревом но на высоких начальных парметрах

7. Цикл паровой турбины с промежуточным перегревом пара и его эффективность.

Анализ цикла Ренкина показывает, что h_t цикла увеличивается при повышении начального давления р₁ и при понижении конечного давления р₂. Этим объясняется, что паросиловые установки неуклонно развиваются в направлении освоения пара высокого давления.

Однако следует заметить, что применение пара высокого давления имеет одну отрицательную сторону. Дело в том, что пар высокого давления при адиабатном расширении в турбине быстро теряет свой перегрев, обращаясь в насыщенный пар с большой степенью влажности.

Для уменьшения конечной степени влажности при повышении давления р₁ одновременно увеличивают температуру перегрева пара

Следовательно, повышение давления и температуры оказывает противоположное влияние на конечную степень влажности пара. Этим объясняется, что пар высокого давления применяется в паросиловых установках обычно при высоких температурах перегрева.

Пар с параметрами точки 1 из основного пароперегревателя ПП₁поступает с первую ступень паровой турбины I ст, в которой расширяется до состояния с (процесс 1-с), после чего выводится из турбины и направляется во вторичный (промежуточный) пароперегреватель ПП₂, где при p = const сначала подсушивается до х = 1 (процесс с-е), а затем перегревается при этом же давлении (процесс e-d) и возвращается во вторую ступень турбины II ст с параметрами точки d. Во второй ступени турбины пар расширяется до конечного давления р₂(процесс d-2) и затем конденсируется в конденсаторе к (процесс 2-3), откуда и подается питательным насосом ПН в паровой котел ПК.

8. Цикл Ренкина с регенерацией и оценка эффективности.

Регенеративный цикл паросиловой установки

Регенеративным называется цикл, в котором питательная вода (конденсат), поступающая в котел, предварительно подогревается паром, отбираемым из промежуточных ступеней турбины. Подогрев питательной воды отбираемым паром называется регенеративным подогревом. Регенеративные подогреватели выполняются либо смешивающими (отбираемый пар смешивается с конденсатом и обогревает его), либо поверхностными (обогрев производится через поверхность трубок, отделяющих пар от конденсата).

Каждый килограмм пара, поступившего в конденсатор, совершает цикл 1-2-3-4-5-1. Каждый килограмм пара, поступающего во второй отбор, совершает цикл 1-2²-5²-3²-4-5-1 и, наконец, каждый килограмм пара, поступающего в первый отбор, совершает цикл 1-2¢-5¢-3¢-4-5-1.

Если число регенеративных отборов сделать бесконечно большим, то температура конденсата может быть доведена в подогревателях до температуры насыщенного пара в котле. Такой цикл называют предельно регенеративным циклом. Как показывает анализ, увеличение числа ступеней регенеративного подогрева воды приводит к повышению h_t цикла, т.к. при этом регенерация в цикле приближается к предельной. Однако каждая, последующая ступень регенеративного подогрева вносит все меньший и меньший вклад в рост к.п.д. Практически число отборов принимают в пределах 2 - 8. Применение регенерации увеличивает h_t установки на 7 - 12 %. Кроме того, уменьшается количество пара, проходящего через последующие ступени турбины, а следовательно, уменьшаются их проходные сечения и общие габариты. В регенеративном цикле отпадает также надобность применения экономайзеров (устройств для подогрева воды) уходящими газами. При этих условиях теплота уходящих газов может быть использована для подогрева воздуха, поступающего в топку котла.

9. Теплофикационные циклы паровых турбин.

Теплофикационный цикл

Циклы паросиловых установок, целью которых является выработка лишь механической энергии, имеют термические к.п.д., не превышающие 50 %. 50 % теплоты, сообщаемой пару. Это тепло q₂ в конденсационных установках, имеющих очень глубокое расширение пара, не может быть использовано для производственных целей, т.к. температура пара при выходе из турбины при этих условиях очень низкая

Если же повысить конечное значение давления пара р₂, то при этом увеличивается его конечная температура и тогда теплота q₂, обычно теряемая в конденсационных установках, может быть использована для тех или иных производственных целей на нагревание отопительных приборов, горячего водоснабжения, осуществления различных технологических процессов. При этих условиях установка будет давать не только электрическую энергию, но и теплоту.

Паросиловые установки, работающие по комбинированному принципу производства электроэнергии и теплоты, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Сущность работы ТЭЦ заключается в том, что тепло отработанного пара при повышенном конечном давлении тем или иным способом передается потребителю. Приведем одну из возможных схем теплофикационной установки (рис. 12.13).

10. Теоретический цикл ГТУ (Брайтона) и его эффективность.

Цикл Брайтона/Джоуля — термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела.

В газотурбинной установке воздух сжимается компрессором от атмосфернного давления p₁до давления р₂, при этом его температура возрастает от Т₁ до Т₂, после сжатия воздух подается в камеру сгорания, в которую также подается жидкое или газообразное топливо. Продукты сгорания выходят из камеры с температурой Т₃ и практически с тем же давлением р_2. В газовой турбине продукты сгорания расширяются до давления р₄=р₁, при этом температура снижается до Т₄.

Рис. Принципиальная схема ГТД с подводом тепла при  p = const: 1 – топливный насос; 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – газовая турбина

 

кпд цикла имеет максимальное значение при отсутствии работы цикла (l_ц=0).. вся работа газовой турбины затрачивается на привод компрессора. Следовательно, экономичность обратимого цикла ГТУ не может оцениваться только термическим кпд, а необходимо учитывать и полезную работу цикла.

Кроме степени повышения давления воздуха в компрессоре на тепловую экономичность идеального цикла ГТУ оказывают влияние температура газов за камерой сгорания Т₃ и температура воздуха на в ходе в компрессор Т₁. При увеличении температуры Т₃увеличиваются значения р₂ и p_max , соответственно происходит увеличение максимального значения термического КПД и p _ОПТ. Графики зависимости изменения термического КПД идеального цикла ГТУ и работы цикла от степени повышения давления p при двух значениях Т₃ показаны на рис..

11. Действительный цикл ГТУ и его эффективность.

Цикл ГТУ с регенерацией и его эффективность. Регенерация теплоты - подогрев воздуха после компрессора выхлопными газами - возможна при условии, что T₄>T₂ Для этого в схему установки необходимо ввести дополнительное устройство – теплообменник. Воздух из компрессора направляется в теплообменник, где он получает теплоту от газов, вышедших из турбины. После подогрева воздух направляется в камеру сгорания, где для достижения определенной температуры

 

При полной регенерации (идеальном теплообменнике) воздух можно нагреть до температуры T₆, равной температуре T₄, а продукты сгорания охладить до температуры T₅, равной температуре воздуха T₂.

термический КПД должен учитывать степень регенерации, определяемую как отношение количества теплоты, переданного воздуху, к тому количеству теплоты, которое могло бы быть передано при охлаждении газов до температуры воздуха:

В настоящее время регенерация теплоты в основном находит применение в стационарных установках из-за большого веса и габаритов регенератора.

13. Основные направления повышения эффективности паровых турбин.

1)Повышение температуры свежего пара приводит к повышению экономичсности теплового цикла так как проискходит увелечение полезной работы цикла на велечиуну ed d1e1 при котором увеличивается потеря в окружающую среду через конденсатор

Повышение темперературы от которого пара сопровождается ростом распологаемого теплоперепада а так же сред температрурой подводдимости цикла что приводит к увелечению термического КПД

2) повышение начального давления свежего пара

Связано с увелечение температуры насыщение что приводит к увелечению среднейэффективнсти температуры воды и тепла в цикле(при тойде температуре отвода)

Принеизменной температуре цикла Т0 повышение термического КПД с ростом Р0 объясняется увелечение средних эффективности температуры тепла в цикле

Вместе с тем слкдует отметитьчто рост Р0 при Т0= const сопровождается увелечением располагаемого теплоперепада в дальнейшем он замедляется и даже снижается что неизбежно сказывается на термическом КПД

3)Промежуточный промперегрев

Промежуточный перегрев параа позволяет повысить эффективность в цикле в том случае если эквивалентная температура дополнительного цикла выше эквивалентой темпретуры основного цикла

14. Влияние начальных параметров пара на эффективность циклов ПТУ.

Влияние начального давления р₀. Повышение температуры насыщения здесь достигается ростом начального давления водяного парар₀. Видно, что с ростомТ_эабсолютный КПД цикла увеличивается:h_t=h_к=(Т_э-Т_к)/Т_э. Но следует принимать во внимание, чтопо мере роста начального давления эквивалентная температура Т_э вначале растет, а затем, из-за увеличения доли подводимой теплоты, затрачиваемой на нагрев воды до температуры насыщения, этот рост замедляется.Для поддержания допустимого уровня влажности (у₂=11-12%) необходимо с ростом начального давления одновременно повышать и начальную температуру.

Рост начальной температуры Т₀приводит к увеличению средней температуры подвода теплоты в цикле отТ_эдоТ_э1и соответствующему увеличению КПД цикла. С ростомT_оуменьшается степень влажности водяного пара в последних ступенях ЦНД паровой турбины, что способствует росту ее экономичности (h_oi).