Цикл Ренкина на перегретом паре

Принципиальная схема и диаграмма T–s идеального (без потерь) цикла Ренкина на перегретом паре представлены на рис. III.7.

Цикл Ренкина на перегретом паре имеет два преимущества по сравнению с циклом Ренкина на влажном паре. Во-первых, термический КПД цикла увеличивается, что качественно объясняется увеличением среднеинтегральной температуры подвода тепла при неизменной температуре отвода тепла, если точка 2 (см. диаграмму T–s на рис.III.7), представляющая состояние пара на выходе из турбины, остаётся в области влажного пара. Во-вторых, улучшаются условия работы лопаток последних ступеней турбины, поскольку, как легко видеть на диаграмме T–s, точка 2 смещается вправо, т.е. в сторону больших степеней сухости пара.

Приведём алгоритм термодинамического расчёта идеального (без учёта необратимых потерь в процессах изменения состояния рабочего тела – воды и водяного пара) цикла Ренкина на перегретом паре, учтя, тем не менее, так называемые внешние потери, связанные, в частности,

– с химическим и механическим недожогом топлива в топке парового котла и выбросом в атмосферу горячих продуктов сгорания, если речь идёт об обычном минеральном или органическом топливе;

– с трением в механических узлах установки (подшипники, редуктор и т.п.);

– электрические потери в электрогенераторе (токи Фуко, омические сопротивления и т.д.).

Определение этих потерь не является предметом технической термодинамики и представляет собой отдельные независимые задачи. В некоторых простейших ситуациях потери могут быть вычислены теоретически методами гидродинамики, тепломассообмена, электродинамики, химической и неравновесной термодинамики, однако на практике обычно прибегают к экспериментальным исследованиям той или иной серии узлов паросиловой установки. Результаты таких экспериментов обобщаются в виде безразмерных отношений значений измеренных на опыте величин и теоретически рассчитанных для идеальных условий отсутствия потерь. Эти отношения носят названия относительных КПД того или иного узла установки.

Коэффициент полезного действия (КПД) котельной установки (парогенератора, парового котла) определяется следующим образом:

где – количество теплоты, подводимой в единицу времени к рабочему телу (воде) в парогенераторе;

– соответственно низшая теплотворная способность топлива и расход топлива; при этом, если речь идёт о твёрдом топливе (уголь, ядерное топливо), то эти величины соотносят с массой топлива, т.е. размерности их будут соответственно Дж/кг и кг/с; если же топливо является жидким (мазут, керосин и т.п.) или газообразным (природный газ), то теплотворную способность и расход относят к единице объёма топлива (в случае газообразного топлива – к единице объёма при нормальных физических или технических условиях), т.е. размерности будут соответственно Дж/м³ и м³/с. Конечно, в практической деятельности размерности в системе СИ не используются; обычно, если речь идёт о так называемой тепловой мощности, то её измеряют либо в мегаваттах (МВт), либо в гигакалориях в час (Гкал/ч), теплотворную способность топлива задают в МДж/кг (Мдж/м³), а расход топлива в тоннах в час (т/ч) или в кубометрах в час (м³/ч).

КПД современных паровых котлов, работающих на газообразном топливе, составляет 90…95%.

Механические потери определяются отношением мощности на выходном валу турбоагрегата и мощности паровой турбины, т.е.

Электрические потери определяются отношением электрической мощности на зажимах электрогенератора и механической мощности на выходном валу турбины, т.е.

Обычно коэффициенты механических и электрических потерь составляют 0.98…0.99.

С учётом вышеперечисленных определений вычисляется так называемый «эффективный» КПД установки, равный отношению электрической нагрузки на клеммах электрогенератора (если речь идёт о тепловой или атомной электростанции) и выделенной при сгорании топлива теплоты в паровом котле (ядерном реакторе), т.е.

Тогда в соответствии с определениями и в пренебрежении затрат на привод питательного насоса имеем

причём под понимается термический КПД цикла, равный отношению суммарной работы, произведённой рабочим телом за цикл, и суммарной теплоты, подведённой к рабочему телу за цикл от внешних источников. Механические и электрические потери и потери в парогенераторе являются внешними по отношению к циклу, совершаемому рабочим телом в двигателе. Необратимость же процессов изменения состояния рабочего тела в цикле, связанная с наличием вязкого трения при течении рабочего тела в узлах двигателя, пространственной неоднородностью температур, химического состава и т.д., включается в так называемые «внутренние» потери, приводящие к увеличению энтропии рабочего тела в отдельных процессах цикла и «деформирующие» цикл при его изображении в диаграмме T–s. Более подробно циклы паросиловых установок с учётом необратимых процессов изменения состояния рабочего тела будут рассмотрены ниже.

В соответствии с обсуждёнными выше приближениями и замечаниями термический КПД цикла Ренкина на перегретом паре определится выражением, которое в пренебрежении затрат на привод питательного насоса запишется в более простой форме

Заметим, что в практических расчётах энтальпия конденсата на выходе из конденсатора с достаточной степенью точности может быть вычислена по формуле

При заданных теплотворной способности топлива , электрической мощности установки , коэффициентах механических и электрических потерь , а также при заданном допустимом нагреве охлаждающей воды в конденсаторе паровой турбины находим:

– удельная работа цикла

– удельная подведённая теплота в цикле

– удельная отведённая теплота в цикле

– расход рабочего тела (водяного пара)

– тепловая мощность парогенератора

– расход топлива

– расход охлаждающей воды в конденсаторе

Во многих случаях для удобства сравнения различных энергетических установок одного профиля используют так называемые удельные характеристики. В частности, в применении к энергетическим паросиловым установкам, предназначенным для выработки электроэнергии, в качестве характеристик используются величины, отнесённые к единичной установленной мощности станции (обычно к 1 МВт). В соответствии с этим имеем

– удельный расход пара

– удельный расход тепла

– удельный расход топлива