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 перегретый пар заданных параметров с энтальпией в количестве. Весь выработанный котлом пар направляется в главную турбину (). 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:

 

		–	сжатие воды в насосе;
		–	подогрев питательной воды до температуры кипения;
		–	испарение воды в котле;
		–	перегрев пара в пароперегревателе;
		–	расширение пара в турбине до атмосферного давления;
		–	условный замыкающий процесс охлаждения пара в атмосфере.

Рис. 71. Тепловая схема и термодинамический цикл простейшей КТЭУ открытого типа.    – насос; – главный котел; – главная турбина; – атмосферное давление.

В тепловой схеме КТЭУ закрытого цикла (рис. 72) к прежним трем элементам добавляется четвертый – главный конденсатор. В такой тепловой схеме весь пар, выработанный котлом –, с энтальпией направляется в главную турбину (). Отработавший в главной турбине пар с энтальпией 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 –.

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:. Рассмотренная простейшая тепловая схема КТЭУ закрытого цикла работает в полном соответствии с термодинамическим циклом Ренкина. Для закрытого цикла КТЭУ характерны следующие термодинамические процессы:

 

		–	расширение пара в главной турбине до давления в главном конденсаторе –;
		–	конденсация пара в главном конденсаторе;
		–	сжатие конденсата в насосе;
		–	подогрев питательной воды до температуры кипения в котле;
		–	испарение воды в котле;
		–	перегрев пара в пароперегревателе котла.

Рис. 72. Тепловая схема и термодинамический цикл простейшей КТЭУ закрытого типа.    – главный конденсатор;    – давление в главном конденсаторе; – 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:. 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:. Или, с учетом равенства:. На основании изложенного, выражение для КПД тепловой схемы будет иметь вид:

 

 

Учитывая, что для простейшей тепловой схемы КТЭУ весь пар, выработанный котлом направляется только на главную турбину (), выражение для КПД тепловой схемы, работающей по циклу Ренкина, примет вид:

 

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 и энтальпией поступает на главную турбину –, и на турбоприводы вспомогательных механизмов –. Из главной турбины и турбоприводов ВМ отработавший пар с энтальпией сбрасывается в главный конденсатор. Конденсат с энтальпией  забирается насосом и подается в главный котел.

Рис. 73. Тепловая схема и термодинамический цикл КТЭУ с ВМ, работающими на вакуум (схема «К»)    – турбоприводы вспомогательных механизмов.

 

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 (рис. 72).

 

 

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.

 

Рис. 74. Тепловая схема и термодинамический цикл КТЭУ с ВМ, работающими на противодавление (схема «П»).    – клапан излишков; – давление в системе отработавшего пара ВМ;  Главный цикл КТЭУ:               ;  Вспомогательный цикл КТЭУ:.

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 – (рис. 74). 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 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, до давления в главном конденсаторе –. 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, а в главной турбине – соответствующий процессу.

Главный цикл КТЭУ состоит из термодинамических процессов:

 

		–	­расширение пара в главной турбине до давления в главном конденсаторе –;
		–	конденсация пара главной турбины в главном конденсаторе;
		–	сжатие конденсата в насосе;
		–	подогрев питательной воды до температуры кипения в котле;
		–	испарение воды в котле;
		–	перегрев пара в пароперегревателе котла;

 

К вспомогательному циклу КТЭУ относятся следующие процессы:

 

		–	расширение пара в турбоприводах ВМ до давления в системе отработавшего пара –;
		–	дросселирование отработавшего пара в клапане излишков до давления в главном конденсаторе (изоэнтальпный процесс);
		–	охлаждение отработавшего пара ВМ в главном конденсаторе до температуры насыщения;
		–	конденсация отработавшего пара ВМ в главном конденсаторе;
		–	сжатие конденсата в насосе;
		–	подогрев питательной воды до температуры кипения в котле;
		–	испарение воды в котле;
		–	перегрев пара в пароперегревателе котла.

 

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.