с промежуточным перегревом пара

Рассмотрим вначале теоретическое обоснование использования (введения) вторичного (или промежуточного) перегрева в цикле Ренкина. Для этого вообразим цикл Ренкина на перегретом паре, в котором на начальном участке расширения пара в турбине к нему подводится теплота в количестве, обеспе-чивающем изотермичность этого процесса (отрезок 1 – 1' на рис. III.16).

Легко видеть, что такая организация процесса расширения пара в турбине позволяет получить двойную выгоду: а) повышается степень сухости пара на последних ступенях турбины , что улучшает условия работы лопаток; б) увеличивается термический КПД цикла, что связано с увеличением среднеинтегральной температуры подвода тепла при неизменной температуре отвода . Таким образом, с термодинамической точки зрения подвод теплоты к рабочему телу непосредственно в проточной части первых ступеней турбины (ступеней высокого давления) представляется выгодным, однако конструктивное оформление такой организации цикла оказывается полностью бесперспективным, так как технически процесс подвода тепла в турбине если и возможен, то приведёт к существенному усложнению установки и соответственно к заметному уменьшению её надёжности, особенно если это касается транспортных установок.

В энергетической практике, особенно если речь идёт об обычных стационарных тепловых или атомных электростанциях, используется так называемый промежуточный (или вторичный) перегрев пара. Такая организация цикла предусматривает «разбиение» турбины на два, три и более «цилиндров», после каждого из которых рабочее тело (водяной пар) направляется в парогенератор в дополнительно вмонтированные в него вторичные (промежуточные) пароперегреватели. Принципиальная схема и диаграмма T – s паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина (без учёта потерь) с двумя промежуточными перегревами пара, приведены на рис. III.17.

Схема термодинамического расчёта цикла Ренкина с промежуточными перегревами пара не отличается от схемы расчёта рассмотренного нами ранее цикла Ренкина на перегретом паре за исключением того, что подводимое тепло и работа цикла должны вычисляться суммированием по участкам непрерывности. В частности, в соответствии со схемой установки и диаграммой T– s, изображённых на рис. III.17, имеем

Следует отметить, что введение промежуточного перегрева при фиксированных параметрах острого пара и давлении в конденсаторе не всегда приводит к повышению термического КПД цикла Ренкина. Покажем это качественно на примере цикла Ренкина с одним промежуточным перегревом, диаграмма которого для различных давлений промежуточного перегрева представлена на рис. III.18. Будем считать для определённости температуры пара после любого из паропере-гревателей одина-ковыми, т.е. . Далее, если пар после турбины остаётся влажным при любом из выбранных давлений перегрева, то температура в конденсаторе, т.е. средняя температура отвода тепла в цикле не будет изменяться с изменением давления промежуточного перегрева. Это обстоятельство даёт основание привлечь для анализа форму записи термического КПД цикла с использованием среднеинтегральных температур подвода и отвода тепла (I.16).

Итак, для основного (базового) цикла Ренкина без промежуточного перегрева 1–2_о–3–1 имеем (см. рис. III.18):

Для цикла с одним промежуточным перегревом 1– a–b– 2–3–1 согласно определению термического КПД запишем

Произведём тождественные преобразования последнего выражения:

Принимая во внимание тот факт, что , приходим к выводу, что термический КПД цикла с промежуточным перегревом будет выше термического КПД базового цикла, если среднеинтегральная температура T _{1 m} подвода тепла в дополнительном цикле a–b– 2–2_о– a будет больше среднеинтегральной температуры подвода тепла в базовом цикле. В свете этого для изображённых на рис. III.18 трёх случаев организации промежуточного перегрева пара для различных его давлений будем иметь следующие неравенства:

Следует отметить, что приведённый выше анализ не может дать определённого ответа на вопрос о соотношении между термическими КПД первых двух циклов, т.е. о соотношении между . Ответ на этот вопрос может быть получен только после подробного численного анализа с привлечением таблиц и диаграмм для водяного пара. Результаты такого расчёта представлены графически на рис. III.19.

Анализ численных расчётов, представленных на рис. III.19, и графический анализ (см. рис. III.18) позволяют сделать следующие выводы:

– существует некоторое оптимальное давление промежуточного перегрева, при котором термический КПД цикла с промежуточным перегревом достигает максимума;

– термический КПД цикла Ренкина с промежуточным перегревом может оказаться меньше термического КПД основного (базового) цикла без вторичного перегрева:

– в любом случае при введении промежуточного перегрева увеличивается степень сухости пара на последних ступенях турбины, что является положительным фактором.

Основная трудность технического осуществления цикла Ренкина с промежуточным перегревом пара состоит в необходимости направления потока пара из турбинного цеха по паропроводам обратно в котельный цех, что сопряжено с большими капитальными затратами и дополнительными затратами на прокачку больших расходов пара. По этой причине в энергетической практике ограничиваются организацией не более одного-двух промежуточных перегревов пара. В атомной же энергетике осуществление вторичного перегрева осложняется ещё тем, что теплоноситель второго (и тем более третьего контура) нельзя направлять в теплообменник, расположенный в активной зоне ядерного реактора, что сопряжено с радиационной безопасностью. В этом случае используют так называемый «огневой» перегрев, т.е. пар (теплоноситель второго или третьего контура), отработавший в цилиндре высокого давления паровой турбины не направляется в реактор, а подогревается в дополнительных камерах сгорания, где используется обычное органическое топливо (газ или мазут).