W elektrowniach parowych jako płyn roboczy wykorzystuje się pary różnych cieczy (woda, rtęć itp.), a najczęściej parę wodną.

W kotle parowym elektrowni parowej (1) ze względu na dopływ ciepła Pytanie 1 powstająca w wyniku spalania paliwa w piecu, powstaje para stałe ciśnienie str. 1(ryc. 33). W przegrzewaczu (2) jest on dodatkowo podgrzewany i przechodzi w stan pary przegrzanej. Z przegrzewacza para wchodzi do silnika parowego (3) (na przykład w turbina parowa), gdzie rozszerza się całkowicie lub częściowo pod ciśnieniem str. 1 z paragonem pożyteczna praca L 1. Para wylotowa kierowana jest do chłodziarki-skraplacza (4), gdzie jest całkowicie lub częściowo skraplana pod stałym ciśnieniem str. 2. Kondensacja pary następuje w wyniku wymiany ciepła pomiędzy parą wylotową a czynnikiem chłodzącym przepływającym przez chłodziarko-skraplacz (4).

Za lodówką skroplona para dostaje się do wlotu pompy (5), z której wzrasta ciśnienie cieczy str. 2 do pierwotnej wartości str. 1 po czym ciecz dostaje się do kotła parowego (1). Cykl instalacyjny został zakończony. Jeżeli w lodówce (4) następuje częściowa kondensacja pary wylotowej, wówczas w elektrowni parowej zamiast pompy (5) stosuje się sprężarkę, w której wzrasta również ciśnienie mieszaniny parowo-wodnej str. 2 Do str. 1. Aby jednak zmniejszyć pracę sprężania, zaleca się całkowite skroplenie pary w skraplaczu, a następnie sprężanie nie mieszaniny pary i wody, ale wody opuszczającej skraplacz. Opisany cykl elektrowni parowej nazywany jest cyklem Rankine’a (rys. 34).

Cykl Rankine’a składa się z izobary ( 4–1 ), gdzie ciepło jest dostarczane do grzejnika, adiabaty ( 1–2 ) rozprężanie pary w turbinie parowej, izobary ( 2–3 ) odprowadzanie ciepła w lodówce-skraplaczu i izochorach ( 3–4 ) zwiększenie ciśnienia wody w pompie. Linia ( 4–a) na izobarze odpowiada procesowi zwiększania temperatury cieczy za pompą do temperatury wrzenia pod ciśnieniem str. 1. Działka ( a–b) odpowiada przekształceniu wrzącej cieczy w suchą parę nasyconą, a przekrój ( b–1) – proces dodawania ciepła do przegrzewacza w celu przekształcenia suchej pary nasyconej w parę przegrzaną.

Ryż. 34. Cykl Rankine’a we współrzędnych p-w (A) I T-s (B)

Praca wykonana przez parę w turbinie jest równa różnicy entalpii pary przed i za turbiną

O pracy poświęconej na sprężanie wody w pompie decyduje także różnica entalpii płynu roboczego w punktach (4) i (3).

We współrzędnych р-v praca ta jest zdeterminowana obszarem e-3-4-f(ryc. 34a). Praca ta jest bardzo mała w porównaniu z pracą turbiny.

Praca użyteczna obiegu jest równa pracy turbiny pomniejszonej o pracę włożoną w napędzanie pompy w N

Konkretna ilość ciepło q 1 dostarczonej do kotła i przegrzewacza wyznacza się z pierwszej zasady termodynamiki (nie jest wykonywana żadna praca) jako różnicę entalpii płynu roboczego w procesie dostarczania ciepła

Gdzie godz. 4– entalpia tarapaty na wlocie do kotła parowego pod ciśnieniem str. 2 praktycznie równa wartości entalpii wrzącej wody w punkcie (3),
te. godz. 4 @ godz. 3.

Porównując stosunki możemy wyznaczyć sprawność cieplną cyklu Rankine’a jako stosunek pracy użytecznej otrzymanej w cyklu do ilości dostarczonego ciepła

. (309)

Inny ważna cecha moc pary instalacje– specyficzne zużycie pary d, który charakteryzuje ilość pary potrzebnej do wytworzenia 1 kWh energia ( 3600 J) i jest mierzona w .

Konkretne zużycie para w cyklu Rankine’a jest równa

. (310)

Specyficzne zużycie pary określa wielkość urządzeń: im jest ono większe, tym więcej pary należy wytworzyć, aby uzyskać tę samą moc.

Sposoby zwiększania sprawności elektrowni parowych

Sprawność cieplna obiegu Rankine’a nawet w instalacjach o wysokich parametrach pary nie przekracza 50 % . W prawdziwych instalacjach ze względu na obecność straty wewnętrzne w silniku wartość sprawności jest jeszcze niższa.

Istnieją dwa sposoby zwiększenia sprawności elektrowni parowych: zwiększenie parametrów pary przed turbiną oraz skomplikowanie obwodów elektrowni parowych.

1 – wytwornica pary; 2 – przegrzewacz pary; 3 – turbina parowa;
4 – kondensator; 5 – pompa zasilająca; 6 – odbiorca ciepła

Pierwszy kierunek prowadzi do wzrostu strat ciepła podczas rozprężania pary w turbinie ( godz. 1 - godz. 2), a w konsekwencji do wzrostu wydajności pracy właściwej i cyklu. W tym przypadku spadek ciepła na turbinie godz. 1 - godz. 2 można dodatkowo zwiększyć poprzez zmniejszenie przeciwciśnienia w skraplaczu instalacyjnym, tj. zmniejszenie ciśnienia r 2. Zwiększanie w ten sposób sprawności elektrowni parowych wiąże się z rozwiązaniem szeregu trudnych problemów technicznych, w szczególności z zastosowaniem do produkcji turbin materiałów wysokostopowych, żaroodpornych.

Efektywność wykorzystania elektrowni parowej można znacznie zwiększyć wykorzystując ciepło pary wylotowej do ogrzewania, zaopatrzenia w ciepłą wodę, suszenia materiałów itp. W tym celu wykorzystuje się wodę chłodzącą podgrzewaną w skraplaczu (4) (rys. 35) nie jest wrzucany do zbiornika, lecz przepompowywany instalacje grzewcze konsument ciepła (6). W takich instalacjach stacja wytwarza energię mechaniczną w postaci pracy użytecznej L 1 na wale turbiny (3) i ciepło Q itp. do ogrzewania. Elektrownie takie nazywane są elektrowniami cieplnymi ( CHP). Skojarzone wytwarzanie energii cieplnej i elektrycznej jest jedną z głównych metod zwiększania efektywności instalacji cieplnych.

Wydajność elektrowni parowej można zwiększyć w porównaniu z obiegiem Rankine’a poprzez zastosowanie tzw. cyklu regeneracyjnego
(ryc. 36). W tym schemacie podawać wodę, wchodząc do kotła (1), jest podgrzewany parą, częściowo pobraną z turbiny (3) . Według tego schematu para wytworzona w kotle (1) i przegrzana w przegrzewaczu (2) kierowana jest do turbiny (3), gdzie rozpręża się do ciśnienia w skraplaczu (4). Część pary jednak po wykonaniu pracy opuszcza turbinę i kierowana jest do nagrzewnicy regeneracyjnej (6). , gdzie w wyniku kondensacji podgrzewa wodę zasilającą pompę (5) do kotła (1) .

Sam kondensat za nagrzewnicą regeneracyjną wpływa do wlotu pompy (5) lub do skraplacza 4, gdzie miesza się z kondensatem parowym, który przeszedł przez wszystkie stopnie turbiny. W ten sposób do kotła wpływa taka sama ilość wody zasilającej, jak z niego wypływa w postaci pary. Z wykresów (ryc. 37) jasno wynika, że ​​każdy kilogram pary wchodzącej do turbiny rozszerza się pod wpływem ciśnienia str. 1 aż do ciśnienia str. 2, robić pracę w 1 = godz. 1 - godz. 2. Pary w ilości ( 1 - g) ułamki kilograma rozszerza się do ciśnienia końcowego s. 3, robić pracę w 2 = godz 2 - godz 3. Całkowita praca 1 kg pary w cyklu regeneracyjnym wyniesie

gdzie jest frakcją pary pobieranej z turbiny i dostarczanej do regeneratora.

Ryż. 37. Wykres adiabatycznego rozprężania pary w turbinie z odciągiem pośrednim ( A) i zmiany ilości pary ( B)

Z równania wynika, że ​​zastosowanie odzysku ciepła prowadzi do zmniejszenia pracy właściwej rozprężania w porównaniu z obiegiem Rankine’a przy tych samych parametrach pary. Obliczenia pokazują jednak, że praca w cyklu regeneracyjnym zmniejsza się wolniej niż zużycie ciepła do wytworzenia pary w obecności regeneracji, dlatego też sprawność elektrowni parowej z ogrzewaniem regeneracyjnym jest ostatecznie wyższa niż sprawność cyklu konwencjonalnego.

Zastosowanie pary o wysokim i ultrawysokim ciśnieniu do zwiększenia wydajności instalacji napotyka na poważną trudność: jej wilgotność w końcowych stopniach turbiny jest tak duża, że ​​znacznie zmniejsza sprawność turbiny, powoduje erozję łopatek i może być przyczyną ich awarii. Dlatego w instalacjach o wysokich parametrach pary konieczne jest stosowanie tzw. pośredniego przegrzania pary, co również prowadzi do wzrostu sprawności instalacji (rys. 38).

Ryż. 38. Schemat elektrowni parowej z pośrednim przegrzaniem pary:

1 – wytwornica pary; 2 – przegrzewacz pary; 3 – turbina wysokiego ciśnienia (HPT); 4 – turbina niskiego ciśnienia (LPT); 5 – kondensator; 6 – pompa zasilająca; 7 – przegrzewacz pośredni; 8 – konsument

W elektrowni parowej z pośrednim przegrzaniem pary, po rozprężeniu w turbinie wysokiego ciśnienia (3), para jest odprowadzana do specjalnego przegrzewacza (7) , gdzie jest ponownie podgrzewany pod ciśnieniem r rp do temperatury, która jest zwykle nieco niższa od temperatury t 1.Para przegrzana wchodzi do turbiny niskociśnieniowej (4) i rozpręża się w niej do ciśnienia końcowego str. 2 i trafia do kondensatora (5) (ryc. 39).

Wilgotność pary za turbiną w obecności przegrzania pary jest znacznie mniejsza niż byłaby bez niej ( x 1 > x 2) (ryc. 39). Zastosowanie przegrzania pośredniego w warunkach rzeczywistych daje zwiększona wydajność około 4 % . Zysk ten uzyskuje się nie tylko w wyniku wzrostu sprawności względnej turbiny niskiego ciśnienia, ale także w wyniku zwiększenia całkowitej pracy rozprężania pary przez turbinę niskiego ciśnienia i wysokie ciśnienie. Faktem jest, że suma odcinków i charakteryzujących odpowiednio pracę turbin wysokiego i niskiego ciśnienia jest większa od odcinka 1 –mi, który charakteryzuje pracę rozprężną w turbinie instalacji, w której nie stosuje się pośredniego przegrzania pary (rys. 39) B).

Ryż. 39. Proces rozprężania pary w instalacji z przegrzaniem pośrednim

Cykle chłodnicze

Agregaty chłodnicze przeznaczone są do schładzania ciał do temperatury poniżej środowisko. Aby przeprowadzić taki proces, konieczne jest usunięcie ciepła z organizmu i przekazanie go do otoczenia w wyniku pracy dostarczonej z zewnątrz.

Agregaty chłodnicze znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle gazowniczym przy przygotowaniu gazu do transportu w zintegrowanych jednostkach oczyszczania gazu (CGTU), do schładzania gazu na tłoczniach główne gazociągi, układane w obszarach wiecznej zmarzliny podczas przetwarzania gaz ziemny, przy odbiorze i magazynowaniu skroplonego gazu ziemnego itp.

Teoretycznie najbardziej opłacalnym cyklem chłodniczym jest odwrotny cykl Carnota. Jednak cykl Carnota następuje agregaty chłodnicze nie jest stosowany ze względu na trudności konstrukcyjne, jakie pojawiają się przy realizacji tego cyklu, a dodatkowo efekt nieodwracalnych strat pracy w rzeczywistych maszynach chłodniczych jest tak duży, że neguje zalety cyklu Carnota.

INSTALACJA ENERGETYKI PAROWEJ

Elektrownie parowe (SPU) przeznaczone są do wytwarzania energii elektrycznej i pary wodnej wykorzystywanej na potrzeby produkcyjne przedsiębiorstw przemysłowych. Obecnie wszystkie duże zakłady chemiczne i kompleksy przemysłowe posiadają własne systemy kontroli.

Rysunek 20 przedstawia schematyczny diagram elektrowni parowej. Zasilacz składa się z kotła parowego (1,1 cala), turbiny parowej (2), skraplacza (3) i pompy zasilającej (4). Kocioł parowy jest złożony struktura inżynierska. Schemat umownie pokazuje tylko dwa jego elementy - korpus kotła (1) i przegrzewacz (1").

Ryż. 20. Schemat ideowy elektrownia parowa

Instalacja działa w następujący sposób. Woda zasilająca (kondensat i woda powracająca z instalacji) jest pompowana do korpusu kotła parowego (1) za pomocą pompy (4). W bębnie, ze względu na ciepło chemiczne paliwa spalanego w piecu kotłowym (piec nie jest pokazany na rys. 3), a w niektórych przypadkach ze względu na potencjał energetyczny palnych lub wysokotemperaturowych źródeł energii wtórnej , woda pod stałym ciśnieniem zamienia się w wilgotną parę nasyconą (X = 0, 9 – 0,95). Następnie wilgotna para nasycona trafia do przegrzewacza kotła (1"), gdzie zostaje przegrzana do zadanej temperatury. Przegrzana para jest przesyłana do turbiny parowej (2). Tutaj rozpręża się adiabatycznie, wytwarzając użyteczną pracę, która zamieniana jest na energię elektryczną energia za pomocą generatora Nowoczesne turbiny posiadają szereg wyciągów, przez które para jest wysyłana na potrzeby technologiczne warsztatów przedsiębiorstwa przemysłowego. Po turbinie para wylotowa jest kierowana do skraplacza (3). jeden. wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy, którego głównym celem jest wytworzenie podciśnienia za turbiną. Prowadzi to do wzrostu strat ciepła w turbinie, co zwiększa sprawność cyklu zasilacza. W skraplaczu, w wyniku odprowadzenia ciepła z pary wylotowej do wody chłodzącej, następuje jej skraplanie. Powstały kondensat ponownie jest dostarczany do korpusu kotła za pomocą pompy (4).

Ryż. 21. Cykl zasilacza na diagramach P – v i T – S

Na ryc. Rysunek 21 przedstawia cykl zasilacza na wykresach P – υ i T – S Na tych wykresach linie 1–2–3–4 odpowiadają izobarycznemu procesowi wytwarzania pary przegrzanej w kotle parowym. W dziale 1-2 scharakteryzowano proces podgrzewania wody zasilającej do temperatury wrzenia, w dziale 2-3 opisano proces odparowania, czyli tzw. przemiana wody w parę, w rozdz. 3-4 scharakteryzowano proces przegrzania pary. Linie 4-5 odzwierciedlają adiabatyczny proces rozprężania pary w turbinie. Rozdział 5-6 – izobaryczny proces kondensacji pary w skraplaczu. Linia 6-1 charakteryzuje proces zwiększania ciśnienia wody zasilającej w pompie. Proces zwiększania ciśnienia wody w pompie praktycznie zachodzi przy stała temperatura i bez wymiany ciepła z otoczeniem. Ponadto, biorąc pod uwagę, że ciecze praktycznie nie są ściśliwe, można to uznać za izochoryczne. W tych warunkach proces 6-1 zachodzi przy q = 0, T = const, υ = P – υ i T – S oraz S = P – υ i T – S. Zatem linia 6-1 na wykresie T – S przekształca się w punkt.

Analizując cykle elektrowni parowych, wprowadza się następujące pojęcia:

1. Eksploatacja techniczna turbiny. Praca techniczna turbiny odnosi się do przebiegu wszystkich procesów termodynamicznych zachodzących w obiegu.

Dla procesu izobarycznego 1-4 mamy:

(7.12)

Podczas procesu adiabatycznego rozprężania pary w turbinie:

Podczas izobarycznego procesu kondensacji w kondensatorze:

(7.14)

Dla procesu 6-1 charakteryzującego pracę techniczną pompy przy q = 0,

T = const, υ = const i S = const, otrzymujemy

Stąd:

2. Praca cykliczna. Pracę w cyklu definiuje się jako różnicę pomiędzy pracą techniczną Rury a pracą wykonaną przez pompę.

Sprawność cyklu zasilacza ocenia się za pomocą współczynników przydatna akcja cykl. Wyróżnia się sprawność względną cieplną i wewnętrzną cyklu. Przez sprawność cieplną obiegu rozumie się stosunek pracy obiegu do ciepła dostarczonego ze źródła górnego. Pracę cyklu określa wzór (7.17). Górne źródło ciepła w w tym przypadku to gazy spalinowe powstałe w procesie spalania paliwa, czyli wysokotemperaturowego H.E.R.

Ciepło z górnego źródła do płynu roboczego ( q 1) jest dostarczany do kotła parowego w procesie 1-2-3-4. Ciepło to jest liczbowo równe:

W takim przypadku sprawność cieplną cyklu zasilacza można zapisać w następujący sposób:

(7.19)

W praktyce analizując pracę zasilacza często stosuje się wzór nieuwzględniający pracy pompy, ze względu na jej małość w porównaniu do pracy technicznej cyklu:

(7.20)

gdzie Δh jest stratą ciepła w turbinie.

W rzeczywistym cyklu zasilacza proces rozprężania adiabatycznego w dyszach turbiny parowej jest nieodwracalny. Nieodwracalność wiąże się ze wzrostem entropii, a więc rzeczywistą stratą ciepła Δh re mniej niż teoretycznie Δh. Na ryc. 22 przedstawia teoretyczne i rzeczywiste straty ciepła w turbinie parowej na wykresie h – S.

Ryż. 22. Graficzne przedstawienie strat ciepła w turbinie na wykresie h – S.

Sprawność cieplną rzeczywistego cyklu zasilacza określa się na podstawie wyrażenia.

Sprawność obiegu Rankine’a nawet w instalacjach o wysokich parametrach pary nie przekracza 50%. W rzeczywistych instalacjach, ze względu na występowanie strat wewnętrznych w turbinie, wartość sprawności jest jeszcze niższa.

Na wartości entalpii zawarte w wyrażeniu (9) wpływają trzy parametry cieczy roboczej – ciśnienie początkowe R 1 i temperatura początkowa T 1 para przegrzana na wlocie turbiny i ciśnienie końcowe R 2 na wylocie turbiny. Prowadzi to do wzrostu wymiany ciepła, a w konsekwencji do wzrostu pracy właściwej i wydajności cyklu.

Oprócz zmiany parametrów pary, wydajność elektrowni parowych można zwiększyć komplikując obwody samej instalacji.

Na podstawie powyższego identyfikuje się następujące sposoby zwiększenia sprawności cieplnej.

1. Zwiększanie ciśnienia początkowego p 1 o niezmienionych parametrach T 1 i R 2 (ryc. 15, A). Diagram przedstawia cykle Rankine'a przy maksymalnych ciśnieniach R 1 i R 1a > R 1. Porównanie tych cykli pokazuje, że wraz ze wzrostem ciśnienia do R 1A zmiana ciepła ma wyższa wartość, niż , a ilość doprowadzonego ciepła maleje. Taka zmiana składników energii cyklu wraz ze wzrostem ciśnienia R 1 zwiększa wydajność cieplną. Metoda ta daje znaczny wzrost wydajności cyklu, ale w efekcie jest zwiększona R 1 (ciśnienie w elektrowniach parowych może dochodzić do 30 ata) wzrasta wilgotność pary opuszczającej turbinę, co powoduje przedwczesną korozję łopatek turbiny.

2. Wzrost temperatury początkowej T 1 o niezmienionych parametrach R 1 i R 2 (ryc. 15, B). Porównywanie cykli na wykresie w temperaturach T 1 i T 1a > T 1 widać, że różnica entalpii wzrasta w większym stopniu niż różnica, ponieważ izobara płynie bardziej stromo niż izobar. Przy takiej zmianie różnica entalpii wraz ze wzrostem maksymalna temperatura wzrasta sprawność cieplna cyklu. Wadą tej metody jest to, że przegrzewacz wymaga metalu żaroodpornego; temperatura przegrzanej pary może sięgać nawet 650 °C.

3. Jednoczesny wzrost ciśnienia p 1 i temperatura T 1 przy stałym ciśnieniu R 2. Promocja jako R 1 i T 1 zwiększa sprawność cieplną. Ich wpływ na zawartość wilgoci w parze pod koniec rozprężania jest odwrotny, wraz ze wzrostem R 1 wzrasta i wraz ze wzrostem T 1 – maleje. Docelowo o stanie pary będzie decydował stopień zmiany jej ilości R 1 i T 1 .

4. Spadek ciśnienia str 2 przy stałych parametrach T 1 i R 1 (ryc. 15, V). Ze spadkiem R 2 zwiększa się stopień rozprężania pary w turbinie i wzrasta praca techniczna ∆ l = l a – l. W tym przypadku ilość ciepła usuniętego mniej niż (izobar przy niższym ciśnieniu jest bardziej płaski), a ilość doprowadzonego ciepła wzrasta o tę ilość . W rezultacie wzrasta wydajność cieplna cyklu. Obniżenie ciśnienia R 2 można osiągnąć przy temperaturze na wylocie ze skraplacza jednakowa temperaturaśrodowisko, ale jednocześnie urządzenie kondensacyjne będziesz musiał wytworzyć próżnię, ponieważ temperatura odpowiada ciśnieniu R 2 = 0,04 at.

5. Zastosowanie wtórnego (pośredniego) przegrzania pary(ryc. 15, G). Diagram przedstawia linię prostą 1 –2 pokazuje ekspansję pary do określonego ciśnienia R 1A w pierwszym cylindrze silnika, linia 2–1 a–– wtórne przegrzanie pary pod ciśnieniem R 1A i proste 1 a–2 a–– adiabatyczne rozprężanie pary w drugim cylindrze do ciśnienia końcowego R 2 .

Sprawność cieplną takiego cyklu określa się na podstawie wyrażenia

Zastosowanie wtórnego przegrzania pary powoduje zmniejszenie wilgotności pary na wylocie z turbiny i nieznaczny wzrost prace techniczne. Zwiększona wydajność w tym cyklu jest nieznaczne, tylko 2–3%, a taki schemat wymaga bardziej złożonej konstrukcji turbiny parowej.

6. Zastosowanie cyklu regeneracyjnego. W cyklu regeneracyjnym woda zasilająca za pompą przepływa przez jeden lub więcej regeneratorów, gdzie jest podgrzewana parą, częściowo pobraną po jej rozprężeniu w niektórych stopniach turbiny (rys. 16).

Ryż. 15. Sposoby zwiększania sprawności cieplnej Cykl Rankine’a

Ryż. 16. Schemat działania elektrowni parowej

zgodnie z cyklem regeneracyjnym:

1 –– kocioł; 2 –– przegrzewacz pary; 3 –– turbina parowa; 4 –– generator elektryczny; 5 –– chłodnica-skraplacz; 6 –– pompa; 7 –– regenerator; α to udział ekstrakcji pary

Ilość pobranej pary zostanie określona z równania bilans cieplny dla regeneratora

gdzie jest entalpia kondensatu przy skończonym ciśnieniu pary R 2; –– entalpia pary pobieranej z turbiny; –– entalpia kondensatu przy ciśnieniu ekstrakcji pary.

Pracę użyteczną 1 kg pary w turbinie określimy ze wzoru:

Ilość ciepła wydatkowanego na 1 kg pary wynosi

Potem sprawność cieplna w cyklu regeneracyjnym

.

Szczegółowe badanie cyklu regeneracyjnego pokazuje, że jego sprawność cieplna jest zawsze większa niż sprawność cieplna. Cykl Rankine’a z tymi samymi parametrami początkowymi i końcowymi. Zwiększona wydajność przy zastosowaniu regeneracji wynosi 10–15% i wzrasta wraz ze wzrostem ilości ekstrakcji pary.

7. Zastosowanie cyklu grzewczego. Cykl ogrzewania wykorzystuje ciepło oddawane przez parę do wody chłodzącej, która jest zwykle wykorzystywana systemy grzewcze, w systemach zaopatrzenia w ciepłą wodę i do innych celów. W takim przypadku ciepło q 1 dostarczone do płynu roboczego można w różnym stopniu rozprowadzić w celu uzyskania pracy technicznej i dostarczenia ciepła. W cyklu grzewczym (ryc. 17) część energii elektrycznej nie jest przetwarzana, ponieważ część ciepła pary pobranej z turbiny jest zużywana przez odbiorcę.

Ryż. 17. Schemat działającej elektrowni parowej

cykl grzewczy:

1 –– kocioł; 2 –– przegrzewacz pary; 3 –– turbina parowa; 4 –– generator elektryczny; 5 –– chłodnica-skraplacz; 6 –– pompa; 7 –– odbiorca ciepła

Ilość ciepła odbieranego przez płyn roboczy jest częściowo przekształcana w pracę użyteczną łopatek turbiny, a częściowo wydatkowana w celu dostarczenia ciepła do odbiorców. Ponieważ oba zadania są przydatne, sprawność cieplna traci swoje znaczenie.

Efektywność cykl grzewczy zostanie ustalony

.

Ponieważ w cyklu grzewczym powstają dwa rodzaje produktów (prąd i ciepło), konieczne jest rozróżnienie wewnętrznej efektywności produkcji ciepła od średniej ważonej efektywności produkcji energii elektrycznej i ciepła. Każdy z nich równy jeden, ponieważ w cyklu nie ma strat.

W rzeczywistości wydajność cykl grzewczy nie może być równy jedności, ponieważ zawsze występują straty mechaniczne w turbinie i straty hydrauliczne w systemach zaopatrzenia w ciepło.

Elektrownia parowa(PSU) to kompleks sprzęt energetyczny, w którym jako ciecz roboczą wykorzystuje się parę wodną. Znane są różne cykle zasilacza, w tym cykl Carnota, który, jak pokazano w rozdz. 4, najwyższa sprawność cieplna ze wszystkich możliwych cykli w danym zakresie temperatur. Zaletą pary wodnej jest właśnie to, że podczas procesu odparowywania można do niej dostarczyć ciepło wzdłuż izotermy, a ciepło można również odebrać wzdłuż izotermy podczas kondensacji. Jeżeli procesy dostarczania ciepła nie są związane z przemianami fazowymi, to technicznie bardzo trudno jest je prowadzić ściśle w stałych temperaturach. Można argumentować, że technicznie cykl Carnota jest możliwy tylko w obszarze pary mokrej.

W tym celu ciecz znajdującą się w stanie nasycenia (tom 7, ryc. 8.1) należy przesłać do wytwornicy pary, w której dostarczane jest do niej ciepło, na przykład z produktów spalania paliwa organicznego lub wydany w trakcie reakcja nuklearna. W obszarze pary mokrej izoterma i izobar pokrywają się, zatem zasadniczo izobaryczny proces wrzenia w wytwornicy pary zachodzi również w stałej temperaturze. Z wytwornicy pary należy wysuszyć parę nasyconą (tj. 2) wysłany do adiabatycznego rozprężenia do ciśnienia skraplacza

Ryż. 8.1.

(T. 3 ) w silniku parowym - silnik parowy tłokowy lub turbina parowa. W skraplaczu ciepło jest usuwane z pary wylotowej pod stałym ciśnieniem i stałą temperaturą, a para skrapla się, ale nie całkowicie (tj. 4). Kondensator - Ten wymiennik ciepła, w którym tzw woda obiegowa, który usuwa ciepło wytwarzane przez parę podczas kondensacji na zewnętrznej powierzchni rur. Mokra para po wejściu przez skraplacz do sprężarki tłokowej lub łopatkowej pary jest sprężana adiabatycznie do stanu wody nasyconej, w tym. 1.

Sprawność cieplna cyklu Carnota w obszarze pary mokrej

Sprawność ta jest najwyższą możliwą wartością dla dowolnych cykli realizowanych w danym zakresie temperatur T. (_2 i G 3_4.

Niestety, proporcji nie można dowolnie zmniejszać

w celu zwiększenia wydajności. Dla pary wodnej naturalna granica dla T. (_2 Jest T kr = 647 K, a dla temperatury skraplania dolną granicą jest temperatura otoczenia, do którego należy oddać ciepło - G 3 _ 4 > 300 K. Zatem

Rzeczywista efektywna wydajność rozważanego cyklu będzie znacznie mniejsza, ponieważ rozprężaniu, a zwłaszcza sprężaniu mokrej pary towarzyszą duże straty energii. Ponadto maszyna do adiabatycznego sprężania pary mokrej, która w pierwszej kolejności musi pracować jako sprężarka, sprężająca parę o stosunkowo wysoki stopień suchość, a potem jak pompa, też musi to mieć złożony projekt i nie może być niezawodny i tani.

Należy zauważyć, że zastosowanie temperatur zbliżonych do 7\_ 2 T kr, prowadzi do zmniejszenia pracy użytecznej wytworzonej przez 1 kg pary w cyklu. Aby to sprawdzić, wystarczy porównać obszary 1-2-3-4i G-2"-3"-4" na ryc. 8.1.

Zauważone wady cyklu Carnota są z nim organicznie nieodłączne i uniemożliwiają mu to praktyczne zastosowanie. Jednocześnie drobne ulepszenia rozważanego cyklu, zaproponowane przez Williama Johna McQuarne’a Rankine’a (1820-1872), zamieniają go w cykl, w którym ponad 80% całej energii elektrycznej produkowanej na Ziemi wytwarzane jest w elektrowniach cieplnych i jądrowych.

Bilans energetyczny elektrowni parowej z turbiną przedstawiono na rys. 519. Jest wzorowy; Sprawność elektrowni parowej może być jeszcze wyższa (do 27%). Straty energii powstające podczas pracy elektrowni parowej można podzielić na dwie części. Część strat wynika z niedoskonałej konstrukcji i można je zmniejszyć bez zmiany temperatury w kotle i skraplaczu. Przykładowo, stosując bardziej zaawansowaną izolację termiczną kotła, można ograniczyć straty ciepła w kotłowni. Druga, znacznie większa część, czyli utrata ciepła przekazywanego do wody chłodzącej skraplacz, okazuje się zupełnie nieunikniona przy danych temperaturach panujących w kotle i skraplaczu. Wskazywaliśmy już (§ 314), że warunkiem działania silnika cieplnego jest nie tylko odebranie określonej ilości ciepła z grzejnika, ale także przekazanie części tego ciepła do lodówki.

Bogate doświadczenie naukowo-techniczne w projektowaniu silników cieplnych oraz dogłębne badania teoretyczne dotyczące warunków pracy silników cieplnych wykazały, że sprawność silnika cieplnego zależy od różnicy temperatur pomiędzy grzejnikiem a lodówką. Im większa jest ta różnica, tym większa jest sprawność elektrowni parowej (oczywiście pod warunkiem wyeliminowania wszystkich niedoskonałości technicznych wspomnianej konstrukcji). Jeśli jednak ta różnica jest niewielka, to nawet najbardziej zaawansowana technicznie maszyna nie jest w stanie zapewnić znaczącej wydajności. Z obliczeń teoretycznych wynika, że ​​jeśli temperatura termodynamiczna grzejnika jest równa , a lodówki jest równa , to wydajność nie może być większa niż .

Ryż. 519. Przybliżony bilans energetyczny elektrowni parowej z turbiną

Na przykład w silniku parowym, którego wydajność nie może być większa, jeśli w bojlerze znajduje się para o temperaturze 100 (lub 373), a w lodówce 25 (lub 298). , czyli 20% (w praktyce ze względu na niedoskonałość urządzenia wydajność takiej instalacji będzie znacznie niższa). Zatem, aby poprawić sprawność silników cieplnych, konieczne jest przejście na wyższe temperatury w kotle, a co za tym idzie na wyższe ciśnienia pary. W przeciwieństwie do poprzednich elektrowni, które pracowały pod ciśnieniem 12-15 atm (co odpowiada temperaturze pary 200), w nowoczesnych elektrowniach parowych zaczęto instalować kotły o ciśnieniu 130 atm i wyższym (temperatura około 500).

Zamiast zwiększać temperaturę w kotle, można by obniżyć temperaturę w skraplaczu. Okazało się to jednak praktycznie niemożliwe. W bardzo niskie ciśnienia gęstość pary jest bardzo niska i wynosi ok duże ilości para przepływająca w ciągu jednej sekundy przez potężną turbinę, objętość turbiny i skraplacza musiałaby być zaporowo duża.

Oprócz zwiększenia wydajności silnika cieplnego można pójść drogą wykorzystania „odpadów termicznych”, czyli ciepła usuniętego w wyniku chłodzenia wodnego skraplacza.

Ryż. 520. Przybliżony bilans energetyczny elektrowni cieplnej

Zamiast odprowadzać wodę podgrzaną przez skraplacz do rzeki lub jeziora, można ją skierować rurami grzewczymi na ciepłą wodę lub wykorzystać do celów przemysłowych w przemyśle chemicznym lub tekstylnym. Możliwe jest również rozprężenie pary w turbinach tylko do ciśnienia 5-6 atm. Jednocześnie z turbiny wydobywa się bardzo gorąca para, którą można wykorzystać do szeregu celów przemysłowych.

Stacja wykorzystująca ciepło odpadowe zaopatruje nie tylko odbiorców energia elektryczna otrzymywany poprzez pracę mechaniczną, ale także poprzez ciepło. Nazywa się to elektrociepłownią (CHP). Przybliżony bilans energetyczny elektrowni cieplnej przedstawiono na rys. 520.