Тепловые схемы простейших КТЭУ
Для построения тепловой схемы простейшей котлотурбинной установки открытого цикла (рис. 71) достаточно трех элементов; главного котла, главной турбины и насоса. В такой тепловой схеме питательный насос подает забортную воду в паровой котел. Котел вырабатывает
О » /л
Перегретый пар заданных параметров с энтальпиеи г1 в количестве Ок. Весь выработанный котлом пар направляется в главную турбину (ОГ = Ок ). Совершивший в турбине полезную работу пар выбрасывается в атмосферу.
Такая тепловая схема в принципе работоспособна, но на практике применялась только на заре возникновения судовых паросиловых установок. Питание забортной водой современных высоконапряженных паровых котлов приводит к интенсивному накипеобразованию и выходу из строя трубных поверхностей нагрева. Выброс пара из турбины в атмосферу снижает КПД цикла и приводит к необходимости постоянного пополнения рабочего тела из внешнего источника. Для открытого цикла КТЭУ характерны следующие термодинамические процессы;
2 ‘ — 3 — сжатие воды в насосе;
3 — 4 — подогрев питательной воды до температуры кипения;
4 — 5 — испарение воды в котле;
5 -1 — перегрев пара в пароперегревателе;
1 — 2 — расширение пара в турбине до атмосферного давления;
2 — 2′ — условный замыкающий процесс охлаждения пара в
Атмосфере.
|
Забортная вода |
В тепловой схеме КТЭУ закрытого цикла (рис. 72) к прежним трем элементам добавляется четвертый — главный конденсатор. В такой тепловой схеме весь пар, выработанный котлом — Ок, с энтальпией 11 направляется в главную турбину (ОГ = Ок). Отработавший в главной турбине пар с энтальпией 1г поступает в главный конденсатор, где от него отводится теплота к забортной воде. При охлаждении пар конденсируется, образовавшийся конденсат с энтальпией ^ забирается насосом и подается в главный котел. В главном конденсаторе, за счет значительного уменьшения объема пара при его конденсации, образуется вакуум, в результате чего обеспечивается более полное расширение пара в главной турбине до давления ниже атмосферного — рк.
Так как при сжатии в насосе изменения термодинамического состояния конденсата не происходит, то считаем значения энтальпии конденсата после главного конденсатора, на выходе из насоса, и питательной воды на входе в котел, равными; г‘2 = г3 = 1ПВ. Рассмотренная простейшая тепловая схема КТЭУ закрытого цикла работает в полном соответствии с термодинамическим циклом Ренкина. Для закрытого цикла КТЭУ характерны следующие термодинамические процессы;
1 — 2 — расширение пара в главной турбине до давления в главном
Конденсаторе — рк;
2 — 2′ — конденсация пара в главном конденсаторе;
2′ — 3 — сжатие конденсата в насосе;
3 — 4 — подогрев питательной воды до температуры кипения в котле;
4 — 5 — испарение воды в котле;
5 -1 — перегрев пара в пароперегревателе котла.
|
Рис. 72. Тепловая схема и термодинамический цикл простейшей КТЭУ закрытого типа. Кр — главный конденсатор; Рк — давление в главном конденсаторе; ра — атмосферное давление. |
КПД любого теплового двигателя равен отношению полезной теплоты к затраченной. В тепловых схемах КТЭУ полезной теплотой считается теплота, отданная паром в главной турбине. Значение полезной теплоты равно произведению расхода пара в главной турбине на разность энтальпий пара на входе в турбину и на выходе из нее; 0ПОЛ — Ог(г1 — г2). Затраченной теплотой считается теплота, ушедшая на парообразование и перегрев пара в котле. Ее значение равно произведению паропроизводительности котла на разность энтальпий перегретого пара на выходе из котла и питательной воды на входе в него; 0ЗАТР = Ок(г1 — гпв).
Или, с учетом равенства *2 = *3 = 1ПВ ; Озатр = Ок (г1 -*2). На основании
Изложенного, выражение для КПД тепловой схемы будет иметь вид;
^ _ 0ПОЛ _ О Г ‘ (А ~ *2 ) _ О Г, ‘1\ ~ *2
0-ЗАТР ОК ‘ (г1 _ г2 ) ОК *1 _ г2
Учитывая, что для простейшей тепловой схемы КТЭУ весь пар, выработанный котлом направляется только на главную турбину (Ог = Ок ), выражение для КПД тепловой схемы, работающей по циклу Ренкина, примет вид;
|
Ля |
*1__ 1_2_
•Г
Ч ~ 12
В теории ПСУ с целью упрощения расчетов принимаются следующие допущения;
— полезная работа совершается только в главной турбине;
— КПД котла, главной турбины и ВМ равны 1,0 (100 %);
— отсутствуют гидравлические и тепловые потери в трубопроводах;
— площади теплообмена в теплообменных аппаратах (ТОА) равны бесконечности (идеальная теплопередача).
Тепловая схема КТЭУ со вспомогательными механизмами,
РАБОТАЮЩИМИ НА ВАКУУМ (СХЕМА «К»)
В любой котлотурбинной установке в состав обслуживающих систем входит достаточно большое количество вспомогательных механизмов, в большинстве своем имеющих турбопривод. Наиболее простым способом включения вспомогательных турбомеханизмов в тепловую схему является подача на их турбоприводы пара полных параметров, вырабатываемого главным котлом, и сброс отработавшего во вспомогательных механизмах пара в главный конденсатор (т. е. включение турбоприводов ВМ параллельно главной турбине). С точки зрения теплотехники работа тепловой схемы не зависит от количества турбоприводов, поэтому для
Упрощения схемы объединим все турбоприводы вспомогательных механизмов в один привод насоса питательной воды.
Тепловая схема КТЭУ со вспомогательными механизмами, работающими на вакуум, показана на рис. 73. Пар из котла с расходом Ок и энтальпией ^ поступает на главную турбину — Ог, и на турбоприводы вспомогательных механизмов — Овм. Из главной турбины и турбоприводов ВМ отработавший пар с энтальпией 1г сбрасывается в главный конденсатор. Конденсат с энтальпией 01 забирается насосом и подается в главный котел.
|
|
В этой тепловой схеме, благодаря наличию турбоприводов ВМ, появляется вспомогательный цикл КТЭУ. Но поскольку начальные параметры пара для главной турбины и турбоприводов ВМ одинаковы, как одинаковы и параметры отработавшего в них пара, то главный и вспомогательный циклы полностью совпадают, и ничем не отличаются от термодинамического цикла простейшей КТЭУ, работающей по циклу Ренкина.
Затраченная работа в такой установке равна QЗATp = Ок — 4) и
Соответствует теплоте, ушедшей на испарение воды и перегрев пара в паровом котле
Полезная работа цикла равна Qпoл = Ог (^ — /2) и соответствует работе, совершенной паром в главной паровой турбине.
TOC \o "1-5" \h \z!!{‘); От’р 1*1 ^2
Соответственно КПД схемы «К»; ^ — ~ ; ~
QЗATP ОК 11 ~ 12
Р — называется относительной паропроизводитель — ностъю котлов.
|
Отношение |
|
О г |
КПД идеального цикла Ренкина.
|
|
|
Учитывая вышеизложенное, КПД простейшей тепловой схемы ПСУ со вспомогательными механизмами, примет вид; |
 |
Относительная паропроизводительность котлов @ может принимать значения от 1.15 — на полных ходах, до 2.0 — на малых ходах.
Тепловая схема КТЭУ со вспомогательными механизмами,
РАБОТАЮЩИМИ НА ПРОТИВОДАВЛЕНИЕ (СХЕМА «П»)
Тепловая схема с работой вспомогательных механизмов на вакуум имеет свои недостатки. При включении ВМ в работу параллельно главной турбине в турбоприводах вспомогательных механизмов приходится срабатывать теплоперепады, равные теплоперепаду главной турбины. Это приводит к следующим явлениям;
— увеличению удельного объема пара при расширении в турбоприводах вспомогательных механизмов, и соответственно, к увеличению диаметров трубопроводов отработавшего пара и массогабаритных показателей как турбоприводов вспомогательных механизмов, так и всей КТЭУ в целом;
— снижению надежности установки из-за работы части паропроводов под давлением ниже атмосферного;
— определенным трудностям при проектировании экономичных турбин приводов вспомогательных механизмов малой мощности.
Снизить значение теплоперепадов, срабатываемых в турбинах ВМ, возможно, если заставить турбомеханизмы работать не на вакуум, а на давление выше атмосферного. С этой целью на трубопровод отработавшего пара вспомогательных механизмов устанавливают автоматический клапан, поддерживающий за турбинами приводов ВМ постоянное давление выше атмосферного — рОГР. При превышении давления в трубопроводе отработавшего пара выше заданного, клапан открывается и перепускает излишки отработавшего пара в главный конденсатор. При понижении давления клапан полностью закрывается, восстанавливая заданное значение давления. Трубопровод отработавшего пара от турбоприводов ВМ до автоматического клапана называют системой отработавшего пара вспомогательных механизмов, а сам
|
Тепловая схема и термодинамический цикл КТЭУ с ВМ, работающими на противодавление (схема «П»), |
КИ — клапан излишков; рОТР — давление в системе отработавшего пара ВМ;
Главный цикл КТЭУ: 1 — 2 — 2′- 3 — 4 — 5 — 1;
Вспомогательный цикл КТЭУ: 1 — 2вм — g — к — 2′ — 3 — 4 — 5 — 1,
Клапан — клапаном излишков отработавшего пара, При перепуске излишков пара в главный конденсатор через клапан излишков, в нем происходит процесс дросселирования пара от давления в системе отработавшего пара рОТР, до давления в главном конденсаторе — рк, В главном конденсаторе пар вспомогательных механизмов смешивается с паром главной турбины, охлаждается и конденсируется, Конденсат, образовавшийся из пара главной турбины и пара ВМ, забирается насосом и подается в главный котел, В итоге в турбоприводах ВМ срабатывается теплоперепад, соответствующий процессу 1 — 2 вм, а в главной турбине —
Соответствующий процессу 1 — 2,
|
Главный |
Цикл КТЭУ состоит из термодинамических процессов: |
|
1 — 2 — |
Расширение пара в главной турбине до давления в главном |
|
Конденсаторе — рк; |
|
|
2 — 2′ — |
Конденсация пара главной турбины в главном конденсаторе; |
|
— Т 1 |
Сжатие конденсата в насосе; |
|
— 1 Т |
Подогрев питательной воды до температуры кипения в котле; |
|
— 1 |
Испарение воды в котле; |
|
5 -1 — |
Перегрев пара в пароперегревателе котла; |
|
К вспомогательному циклу КТЭУ относятся следующие процессы:
|
Применение в тепловых схемах турбоприводов ВМ, работающих на вакуум или на противодавление, приводит к дополнительным потерям теплоты в цикле КТЭУ, и дополнительным затратам топлива в котле на генерирование пара для работы вспомогательных механизмов. По этой причине КПД любого цикла КТЭУ со вспомогательными механизмами всегда меньше КПД цикла Ренкина.
Работа вспомогательных механизмов на противодавление приводит к дополнительным потерям тепла во вспомогательном цикле:
= П + = О ВМ 0*2 ВМ ~ *2 ) + ОВМ {*2 ВМ ~ *2 )
Абп — потеря тепла по пару Абв — потеря тепла по воде
Вывод КПД цикла с ВМ, работающими на противодавление:
КПД цикла ПСУ: 77 = ^-, но в = — = °г + °вм = 1 +
Р Ог вг вг
|
*1 *2 ВМ |
Расход пара на вспом. механизмы: Овм =
Расход пара на главные механизмы: &г = [
*1 *2
Отсюда: Р = 1 + ^еВМ • ‘* , * = р = 1 + а—‘ *2
^е *1 *2 ВМ *1 *2 ВМ
ЕВМ
Где : а —— относительная мощность вспомогательных
Ne механизмов.
Рассмотрим дробь: —1 —
Ч *2 вм
Умножим числитель и знаменатель дроби на {і1 — Ґ2 )(/- — Ґ2вм )
*1 _ г2 (г1 _ *2 К*! _ г2ВМ ) _ ~ г2 *1 ~ г2 *1 ~ г2
2 ВМ
|
2 ВМ |
Г1 г2ВМ (/’і *2 К*! г2ВМ) г1 г2 г1 г2ВМ *1 *
В этой дроби: і
Где: Лявм
Кохл — коэффициент охлаждения, показывающий относительное
Увеличение затрат тепла в котле на 1 кг пара, работающего во вспомогательных механизмах;
‘Пв. вм — КПД цикла Ренкина для вспомогательных механизмов.
С учетом изложенного КПД ПСУ, выполненной по «Схеме П» выглядит:
1 + аКохл — Ъ — Лявм
Таким образом, появление в схеме клапана излишков КИ привело к
|
Л Появлению Кохл, связанного с потерей — AQB и ——, связанного с |
Лквм
|
П |
Потерей AQ