Схема и цикл простейшей паротурбинной установки.

Паротурбинные установки (ПТУ) работают по закрытому циклу. Их рабочим теплом является водяной пар и его конденсат. ПТУ открытого цикла в судовой энергетике не используются из-за высокого расхода питательной воды и низкого коэффициента полезного действия (КПД).

Рис. 1.1 – Принципиальная схема простейшей ПТУ.

В состав простейшей ПТУ (рис. 1.1) входят паровой котел 1, паровая турбина 2, конденсатор 3, конденсаторный насос 4, тепловой ящик 5, питательный насос 6. Судовые ПТУ работают на перегретом паре, поэтому к паровой турбине подводится перегретый пар 7. Для работы парового котла к нему подводятся питательная вода 8, топливо 9, воздух 10 и отводятся продукты сгорания топлива 11 и перегреты пар 7. В паровой турбине внутренняя энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора, которая через редуктор 12 передается судовому движителю.

Рис. 1.2 – Цикл простейшей ПТУ.

За идеальный цикл ПТУ принимают цикл Ренкина (рис. 1.2). В изоэнтропийном процессе расширения пара в турбине 1-2 давление понижается от Р₁ до Р₂. Отработавший в турбине пар, конденсируется в конденсаторе в изобарическом процессе 2-3 (для влажного пара изобарический процесс в то же время является изотермическим). Для подачи воды в котел используется питательный насос, который повышает давление воды от Р₂ до Р₁ - процесс 3-3' (для схемы, приведенной на рис. 1.1 указанное повышение давления осуществляется в питательном и конденсатном насосах). В паровом котле питательная вода изобарически при давлении Р₁ превращается в перегретый пар в результате подвода удельной теплоты q₁. Сначала вода нагревается до состояния кипения - процесс 3'-4, затем идет процесс кипения и парообразования 4-5, после чего пар перегревается в процессе 5-1.

Для получения 1кг пара в котле требуется теплота

,                          (1.1)

где  и  – энтальпия пара и воды в состояниях 1 и 3' цикла.

В процессе конденсации пара теплота отводится. Для конденсации 1кг пара требуется отвести теплоту в количестве:

,                                  (1.2)

где  – энтальпия пара и конденсата в состояниях 2 и 3 цикла.

Экономическая эффективность цикла оценивается термическим КПД

.      (1.3)

В выражении (1.3) принято . Это связано с тем, что удельная работа питательного насоса ничтожно мала по сравнению с подведенной в цикл теплотой или его работой.

Теоретическая  работа цикла, совершаемая 1 кг рабочего тела, находится по выражению

.                 (1.4)

Тогда выражение 1.3 можно представить в виде

 .                             (1.5)

Значение термического КПД цикла зависит от начальных параметров пара (Р₁ и Т₁) и конечных параметров (Р₂).

С учетом допустимой влажности пара в последних ступенях паровой турбины (x ≥ 0,88) для каждого значения начальной температуры Т₁ существует оптимальное значение начального давления Р₁. Такие параметры(Р₁ и Т₁) называются сопряженными. Для t ₁ = 510…520°С сопряженное давление Р₁ = 6…8Мпа, для t ₁ =450…480°С соответственно
Р₁ = 4…5Мпа.