Вопрос 9. Способы повышения эффективности Цикла Ренкина. Повышение t1 р1 понижение р2, повторный перегрев, регенерация, бинарные циклы.

Влияние параметров пара на термический к. п. д. цикла Ренкина

Анализ термического к. п. д. цикла Ренкина показывает, что термический к. п. д. паросиловой установки возрастает при увеличении начального давления p₁ и начальной температуры пара t₁. При увеличении температуры пара на выходе из котлоагрегата (давление пара не изменяется) увеличивается i₁. Если остальные энтальпии, что технически осуществимо, то увеличение температуры пара на выходе из котлоагрегата сопровождается ростом η_t. При увеличении давления пара на выходе из котлоагрегата (температура перегретого пара не изменяется) уменьшается i₁. Если остальные энтальпии, что технически осуществимо, то увеличение давления перегретого пара на выходе из котлоагрегата сопровождается уменьшением η_t. Следовательно, давление на выходе котлоагрегата целесообразно повышать только с целью увеличения температуры пара.

Повышение t₁ р₁ понижение р₂:

Энергию пара при изменении его состояния удобно оценивать величиной энтальпии. Количество теплоты, подводимой в изобарном процессе 4-5-6-1 нагрева воды, парообразования и перегрева (Дж/кг), q₁=i₁-i₂^’, где i₂^’ – энтальпия конденсата, подаваемого в котёл. Количество теплоты, отводимой в изобарном процессе 2-3 при конденсации пара, равно q₂=i₂-i₂^’.

Тогда работа, совершаемая в турбине равна:

Соответственно, термический КПД цикла Ренкина:

(1)

Количество пара, которое нужно пропустить через турбину, чтобы получить 1 кВтч (3600 Дж) энергии, т. е. теоретический удельный расход пара:

[кг/кВт-ч] (2)

Тогда полный расход пара при мощности D будет равен:

D=dN [кг/с] или D=dNρ [м³/с]

Обычно чем больше D, тем больше размеры ПДТ, и наоборот. Исследование выражений (1) и (2) показывает, что увеличивается, d уменьшается с увеличением i₁ и уменьшением i₂, т. е. с ростом начальных параметров p₁ и t₁ и уменьшением конечных p₂ и t₂. Конечные параметры пара связаны между собой, т.к. пар в этой области влажный, и поэтому, уменьшение их сводится к уменьшению p₂, т.е. давления в конденсаторе.

Увеличение t₁ ограничивается жаропрочностью материалов, увеличение p₁ - допустимой степенью влажности пара в конце расширения; повышенная влажность (x > 0,8 – 0,86) приводит к эрозии металла турбины. В настоящее время на электростанциях в основном используются параметры пара p₁=23,5 МПа и t₁=565 С. Понижение давления в конденсаторе более чем до p₂= 3,5-4 кПа, чему соответствует температура насыщения t₂=26,2 – 28.6 С ограничивается прежде всего температурой охлаждающей воды t₀, колеблющейся в зависимости от климатических условий от 0 до 25-30 С. При малой разности t₂-t₀ интенсивность теплообмена падает, а размеры конденсатора растут. Кроме того, с понижением p₂ становится всё большим удельный объём пара, что ведёт к увеличению размеров конденсатора, а также последних ступеней турбины.

Возможности повышения экономичности простейшего цикла ПДТ – цикла Ренкина исчерпаны почти полностью.

Другой путь – приближение его конфигурации к конфигурации цикла Карно (карнотизация) за счёт таких средств как:

1. регенерация теплоты;

2. промежуточный перегрев пара между ступенями турбины;

3. применение бинарных циклов, в которых рабочие тела работают каждое в своей области температур, обеспечивая подвод теплоты, в основном в области влажного пара, по изотермам.

Рассмотрим кратко циклы с указанными усовершенствованиями:

Регенеративный цикл. Осуществляется путём подогрева питательной воды пред котлом в регенераторе паром, отбираемым между ступенями в турбине, т.е ещё полностью не расширившимся и не совершившим всей работы. Этот цикл нельзя строго изобразить в T,s координатах, т.к. количество РТ меняется по длине проточной части турбины. Обозначим массовую долю пара, отбираемого в процессе расширения, через a_n, параметры его в точке отбора через p_n, t_n, и i_n. Обозначим доли отбираемого пара через , …, а параметры его через

Соответственно, термический КПД цикла Ренкина:

- энтальпия питательной воды без регенеративного перегрева.

При каждом регенеративном отборе теряется работа, эквивалентная ( ( и т.д. Общая потеря составит: при каждом регенеративном подогреве энтальпия питательной воды возрастёт на величину: ( ; ( . Общее увеличение энтальпии питательной воды: .

Где – энтальпия воды (конденсата, отобранного пара) на выходе из n – ого подогревателя. Соответственно, общее выражение термического КПД регенеративного цикла:

Поскольку питательной воде передается теплота отобранного пара, включая теплоту парообразования, а при получении работы используется лишь часть теплоты пара, не включающая теплоту парообразования, то потеря работы в результате отборов будет значительно меньше, чем увеличение энтальпии питательной воды. Поэтому в целом, КПД цикла возрастает. Однако, возрастает и удельный расход пара, т.к. отобранная часть не полностью участвует в совершении работы и для получении заданной мощности его расход нужно увеличивать. Правда, это обстоятельство облегчает конструкцию последних ступеней турбин, позволяя уменьшить длину их лопаток. Применение регенеративного цикла позволяет, когда это желательно, исключать экономайзер (подогрева питательной воды уходящими газами), использовав теплоту уходящих газов для подогрева поступающего в топку воздуха. Увеличение КПД при регенерации составляет 10-15%. При этом экономия теплоты в цикле возрастает при повышении начального давления p₁ пара. Это связано с тем, что с повышением p₁, увеличивается температура кипения воды, а следовательно, повышается количество теплоты, которое можно подвести к воде при подогреве её отобранным паром. В настоящее время регенеративный цикл применяется на всех крупных ПТД электростанций.

Повторный перегрев пара:

Несмотря на то, что в настоящее время осуществляется массовое освоение высоких и сверхвысоких параметров пара (p₁=23,0÷30,0 МПа; t₁= 570÷600 ⁰С), термический к. п. д. цикла Ренкина не превышает 50%. В реальных установках доля полезной использованной теплоты еще меньше из-за потерь, связанных с внутренней необратимостью процессов. В связи с этим были предложены другие способы повышения тепловой эффективности паросиловых установок.

Рис. 8.4. Схема паросиловой установки с промежуточным пароперегревателем

О дним из таких способов является промежуточный перегрев пара (рис. 8.4). Здесь пар перегревается в пароперегревателе 2 парогенератора 1 и подаётся в цилиндр высокого давления 3, в котором находятся ступени турбины, рассчитанные на пар с высоким давлением. В цилиндре высокого давления пар производит механическую работу, его давление и температура снижаются. Из цилиндра высокого давления пар направляют в промежуточный пароперегреватель 4, где его температуру повышают, передавая ему некоторое количество тепла q₁’. Из промежуточного пароперегревателя пар направляют в цилиндр низкого давления 5, где он производит механическую работу, снижая своё давление и температуру до давления и температуры конденсатора 7. Из конденсатора насосом 8 конденсат подаётся в парогенератор. Цилиндры низкого и высокого давления находятся на одном валу с электрогенератором 6. Количество тепла q₂ отдаваемое паром в конденсаторе, остаётся постоянным, а количество тепла q₁, сообщаемое пару в котлоагрегате увеличивается на q₁’, подводимое к пару в промежуточном пароперегревателе. Поэтому в термический к. п. д. паросиловой установки с промежуточным пароперегревателем выше, чем у паросиловой установки без промежуточного пароперегревателя. Увеличение термического к. п. д. в этом случае не превышает 2-3%.

Более эффективным способом повышения термического к. п. д. паросиловой установки является применение схем регенеративного подогрева питательной воды.

Бинарные циклы. Призваны компенсировать недостатки воды – водяного пара как рабочего тела ПТД: низкую критическую температуру 374,15 С и высокое, соответствующее ей давление 225,65 бар. Из-за этих недостатков с повышением температуры перегрева пара подвод теплоты происходит практически по изобаре вместо наивыгоднейшего – по изотерме, а высокие давления требуют дополнительных затрат на повышение прочности деталей.

а – схема установки; б – условное изображение цикла. 1 – ртутный парогенератор (котёл); 2 – ртутная турбина; 3 – охладитель (конденсатор) отработавшего ртутного пара (питательной водой); 4 – водяной парогенератор (котёл); 5 – пароводяная турбина; 6 - конденсатор; 7 – насос.

Поэтому было бы целесообразно заменить воду таким РТ, которое при высоких температурах находилось бы в состоянии насыщенного пара, а при низких (20-50 С) могло конденсироваться. Однако, точно отвечающих этим требованиям, а также доступных и удобных в эксплуатации веществ пока не найдено. Наиболее близкими свойствами обладает ртуть, ртутный насыщенный пар позволяет получить температуру 550-600 С при давлении 10-12 бар; удельная теплоёмкость ртути 0,138 кДж/(кг*К) в 30 раз меньше теплоёмкости воды. Между тем, в области низких температур свойства ртути уступают свойствам воды – для понижения температуры да 25-30 С давление паров ртути должно упасть до p₂=3*10^(-6) бар, что практически не осуществимо. Поэтому, при реализуемых давлениях, пары ртути уносят очень много теплоты. В результате, КПД ртутного цикла, несмотря на высокие максимальные температуры и изотермический подвод теплоты, будет низким.

Поэтому и стали разрабатывать бинарные (см рис.) циклы с 2 рабочими телами, одно из которых работает в области высоких температур, а другое (обычно вода) - в области низких. В этом случае конденсатор высокотемпературного рабочего тела служит паровым котлом - генератором водяного пара.

Пусть для испарения 1 кг. воды необходимо сконденсировать m кг. высокотемпературного РТ. Величина m называется кратностью РТ (рабочего тела) и вычисляется по формуле (см. рис. б):

Где - КПД конденсатора испарителя; и энтальпии воды и жидкой ртути. Для ртути m=8…9 кг.

Выражение бинарного цикла выводится обычным способом и после преобразований приобретает вид:

Где = , теплота, затрачиваемая на перегрев водяного пара от постороннего источника (если таковой имеется).

КПД бинарного цикла можно выразить через КПД составляющих его циклов и :

где ,

Как видно на рис. бинарный цикл очень близок к циклу Карно. Неудивительно поэтому, что его термический КПД достигает значений 0,8-0,95 от величины КПД эквивалентного цикло Карно и 60-70% по абсолютной шкале.