Паротурбинные установки

В паровой турбине энергия давления пара преобразуется на ее лопатках в кинетическую энергию, которая приводит во вращение ротор турбины и связанный с ней генератор, компрессор и другие агрегаты. Турбины, как правило, изготавливают многоступенчатыми, в которых пар проходит через несколько ступеней расположенных друг за другом.

По направлению потока различают осевые турбины, в которых поток пара направлен вдоль оси ротора, и радиальные – в которых поток пара направлен от центра к переду ротора.

По характеру процесса, совершаемого рабочим телом, турбины делятся на активные и реактивные.

В активной турбине пар расширяется только в направляющем аппарате. Вращающая сила образуется только в результате поворота потока пара на лопатках.

В реактивной турбине расширение рабочего тела происходит как в направляющем аппарате, так и в рабочем. Вращающая сила возникает в результате увеличения скорости рабочего тела при расширении на лопатках.

Простейшая схема паросиловой установки представлена на рис. 1.27.

Рис. 1.27

Пар из парового котла 1 поступает в пароперегреватель 2, откуда он направляется в турбину 3. В турбине газ расширяется с совершением работы и далее поступает в конденсатор 4, где конденсируется с помощью охлаждающей воды. Образовавшийся конденсат питательным насосом 5 подается в котел и цикл повторяется.

В паросиловых установках реализуется круговой цикл предложенный Ренкиным.

Рассмотрим теоретический цикл Ренкина на pv диаграмме.

4-5: изобарный нагрев воды в котле до ;

5-6: испарение воды при P₁=const;

6-1: перегрев пара до Т₁ при P₁=const и ;

1-2: адиабатное расширение пара в турбине;

2-3: изобарный отвод тепла при ;

3-4: повышение давления питающим насосом.

Вода в паровом котле 1 при постоянном давлении Р₁ нагревается до Т_кип – линия 4-5. Затем происходит испарение при постоянном давлении Р₁, по линии 5-6. По линии 6-1 осуществляется перегрев пара. В турбине пар адиабатно расширяется по линии 1-2, после чего поступает в конденсатор 4, где при Р₂=const конденсируется отводом тепла с помощью охлаждающей воды линии 2-3. Линия 3-4 повышение давления в питающем насосе.

Рис. 1.29

Этот же цикл изображен на TS диаграмме.

3-4: нагрев воды в паровом котле до Т_кип;

4-5: парообразование при ;

т.5: сухой насыщенный пар;

5-1: перегрев пара;

1-2: адиабатное расширение пара в турбине;

2-3: конденсация пара при .

Рис. 1.29

энтальпия перегретого пара в т.1; i₁

энтальпия воды, поступающей в котел; i₂

Для получения 1 кг пара в котле затрачивается количество теплоты

энтальпия отработавшего пара i₂

Количество тепла отведенного от 1 кг пара в конденсаторе равно: (1.115)

Соответственно количество тепла, затраченного составляет:

(1.116)

Термический КПД Ренкина – есть отношение полезно использованного тепла ко всему затраченному, то есть:

, (1.117)

где и - начальное и конечное значение энтальпии пара в адиабатном процессе расширения его в турбине;

- энтальпия кипящей жидкости или давление Р_2.

Для перегретого пара начальная точка 1 находится на пересечении изобары Р₁ и изотермы t₁ (начальное состояние в турбине). Проецируя точку 1 на ось ординат находим энтальпию пара i₁, a проведя из нее адиабату расширения, прямую параллельную оси ординат до изобары, соответствующей давлению Р₂ получим точку 2. По этой точке находим энтальпию отработавшего пара i_2.

Рис. 1.30

Тогда полученная работа цикла

Подробное исследование цикла Ренкина при изменении параметров искомого состояние рабочего тела приводит к выводу, что этого цикла повышается с увеличением начального давления Р₁ и начальной температуре T₁ и уменьшением давления Р₂ в конденсаторе.

Удельный расход пара при осуществлении идеального цикла Ренкина определяется:

, (1.118)

- располагаемый теплоперепад;

Удельный расход тепла:

(1.119)

Рассмотренные нами формулы определяют и удельный расход пара и тепла в идеальном цикле паросиловой установки.

Действительный цикл сопровождается неизбежными потерями, в следствии чего удельный расход пара и тепла увеличивается. Так в паровой турбине процесс расширения пара сопровождается потерями, связанными главным образом с трением. Работа трения превращается в тепло, повышающее энтальпию пара в конечном состоянии. На рисунке 1.9 показана схема паровой турбины

1-вал; 2-рабочие колеса; 3-направляющая лопатки

Рис 1.26 - Многоступенчатая осевая турбина

Ротор турбины состоит из вала 1, на котором закреплены рабочие колеса 2 лопатками. Между лопаточными венцами рабочих колес расположены неподвижные направляющие лопатки 3. Пар на лопатки подается с помощью направляющего аппарата, в котором пар расширяется и приобретает большую скорость.

Затем рабочее тело проходя по изогнутым рабочим лопаткам, изменяет направление движения и отдает часть своей кинетической энергии, которая идет на вращение рабочего колеса. Направляющий аппарат и рабочее колесо образуют ступень турбины.

В зависимости от условий работы и назначения различают следующие типы паровых турбин:

1) Конденсационная – у которых пар расширяется до глубокого вакуума ( кПа), создаваемого в конденсационном устройстве;

2) Турбины двух давлений, когда кроме свежего пара в промежуточную ступень подается отработанный пар молотов, прессов, приводов, насосов и тому подобное;

3) Турбины с противодавлением, когда отработанный пар турбины отводится с остаточным давлением и используется для бытовых и производственных нужд.

Контрольные вопросы.

1. Какие вещества используются в качестве рабочего тела в тепловых машинах?
2. Какими параметрами характеризуется рабочее тело?
3. Чем отличаются идеальные газы от реальных?
4. Как формулируется первый закон термодинамики и каково его математическое выражение?
5. Что такое энтальпия вещества и в чем она измеряется?
6. Во сколько раз изобарная теплоемкость больше изохорной для двух атомного газа?
7. Как изменяется энтропия рабочего тела в необратимых процессах?
8. Как формулируется второй закон термодинамики?
9. Чему равна работа газа в изохорном процессе?
10. Как изменится плотность газа в изобарном процессе, если ее абсолютная температура повысится в два раза?
11. Чему равна работа, выполненная газом в изотермическом процессе, если к газу подведена теплота Q?
12. Из каких термодинамических процессов состоит цикл Карно и чему равен его термический кпд?
13. Какой из циклов ДВС дает наибольший кпд?
14. По каким критериям оценивают кпд двигателя внутреннего сгорания?
15. Что такое степень сухости пара?