Раздельная выработка тепла и электроэнергии

Как известно из термодинамики раздельная выработка тепловой и электрической энергии осуществляется с помощью паросиловых уста- новок (ПСУ). На рис. 2.1.1 приведена условная схема ПСУ и теоретиче- ский цикл Ренкина в диаграмме pv.

Пар из парового котла ПК поступает в пароперегреватель ПП, от- куда он направляется в турбину Т и далее в конденсатор К. В конденса- торе с помощью охлаждающей воды, подаваемой циркуляционным на- сосом ЦН, от пара отводится тепло, и он конденсируется. Образовав- шийся конденсат питательным насосом ПН подается в котел, и цикл по- вторяется вновь.

 

Рис. 2.1.1. Условная схема и теоретический цикл ПСУ

 

Этот же цикл в диаграмме Ts показан на рис. 2.1.2.

Точка 3 характеризует состояние воды на выходе из конденсатора. Кривая 3-4 изображает нагревание воды в паровом котле. Точка 4 соот- ветствует температуре кипящей воды при давлении р ₁ в котле. Площадь, лежащая под кривой 3-4, измеряет количество тепла, подведенного к воде при ее нагреве до точки кипения. Прямая 4-5 изображает процесс парообразования в паровом котле. Точка 5 соответствует состоянию су- хого насыщенного пара. Площадь 4-5-8-7-4 соответствует теплоте паро- образования r. Кривая 5-1 изображает процесс перегрева пара в паропе- регревателе, а точка 1 – состояние перегретого пара после пароперегре-

вателя. Площадь 5-1-9-8-5, лежащая под кривой 5-1, соответствует теп- лоте перегрева.

 

Рис. 2.1.2. Цикл ПСУ в диаграмме Ts

Для получения 1 кг пара в котле затрачивается h ₁ – h ₂ ' единиц тепла

(площадь 3-4-5-1-9-6-3).

Прямая 1-2 изображает адиабатное расширение пара в турбине.

Точка 2 соответствует состоянию отработавшего пара при давлении р ₂. Прямая 2-3 изображает процесс конденсации пара, причем площадь 2-3- 6-9-2, лежащая под прямой 2-3, соответствует количеству тепла, отни- маемого от 1 кг пара в конденсаторе, т. е. площадь 2-3-6-9-2 = h ₂ – h ₂ '.

Таким образом, количество тепла, подведенного к 1 кг пара в этом цикле, равно h ₁ – h ₂ '.

Количество же тепла, отведенного от 1 кг пара, равно h ₂ – h ₂ ' сле- довательно, количество тепла, затраченного на производство работы и отнесенного к 1 кг пара, составляет h ₁ – h ₂ =l ₀ и изображается площадью 3-4-5-1-2-3.

Термический КПД цикла Ренкина есть отношение полезно исполь- зованного тепла ко всему затраченному, т. е.:

h t =  h 1 - h 2,

h 1 - h 2¢

(2.1.1)

где h ₁ и h ₂ – начальное и конечное значения энтальпии пара в адиабат- ном процессе расширения его в турбине;

h ₂ ' – энтальпия кипящей жидкости (конденсата) при давлении р ₂.

Величины, входящие в формулу (2.1.1), могут быть определены при помощи диаграммы hs. Для перегретого пара начальное состояние находится в пересечении изобары р ₁ и изотермы t ₁ (рис. 2.1.3): для

влажного – в пересечении изобары р ₁ и линии сухости x ₁; для сухого на- сыщенного – в пересечении изобары р ₁ и верхней пограничной кривой.

Рис. 2.1.3. Процесс в hs – диаграмме

 

Проектируя точку 1, изображающую начальное состояние пара, на ось ординат, находим энтальпию пара h   ₁, а проведя из нее адиабату расширения (прямую, параллельную оси ординат) до конечной изобары, получаем точку 2, характеризующую состояние отработавшего пара. По этой точке находим энтальпию пара в конечном состоянии h ₂. Отрезок 1-2 в определенном масштабе дает значение величины h ₁ – h ₂.

Энтальпию конденсата h ₂ ' находят по температуре t _Н, соответст- вующей конечному давлению р ₂. Для этого по изобаре р ₂ надо поднять- ся до верхней пограничной кривой.

По значению изотермы, проходящей через точку пересечения изо- бары р ₂ с верхней пограничной кривой, получим t   ₂ ≈ h ₂ '. Более точно значение h ₂ ' определяют по таблицам насыщенного пара.

Подробное исследование термического КПД цикла Ренкина при изменении параметров начального и конечного состояния рабочего тела приводит к выводу, что термический КПД этого цикла повышается с увеличением начального давления и начальной температуры и с умень- шением давления р ₂ в конденсаторе.

Удельный расход пара и тепла при осуществлении идеального цик- ла Ренкина определяется следующим образом:

d 0 =

3600

h 1 - h 2

= 3600,кг/(кВт ×ч),

h 0

(2.1.2)

если значения h взяты в кДж/кг;

d 0 =

860

h 1 - h 2

= 860,кг/(кВт ×ч),

h 0

(2.1.3)

если значения h взяты в ккал/кг.

Величину h ₀ =h ₁ – h ₂ называют располагаемым теплоперепадом.

Так как на 1 кг пара в цикле Ренкина расходуется тепла h ₁ – h ₂ ′, то удельный расход тепла на 1 кВт·ч:

q   =  d 0 × (h 1 -  h 2¢ ),кДж/к(Вт ч× и)ли ккал/кВт(ч. ×)   (2.1.4)

Формулы (2.1.1)–(2.1.4) определяют термический КПД и удельные расходы пара и тепла в идеальном цикле паросиловой установки. Дей- ствительный цикл сопровождается неизбежными потерями, вследствие чего удельные расходы пара и тепла увеличиваются. Так, в паровой тур- бине процесс расширения, пара сопровождается потерями, связанными главным образом с трением.

Работа трения превращается в тепло, повышающее энтальпию пара в конечном состоянии. Поэтому в действительном процессе, протекаю- щем необратимо, а, следовательно, с увеличением энтропии, кривая процесса отклонится вправо (рис. 2.1.4).

Рис. 2.1.4. Процесс в hs – диаграмме

 

Конечное состояние пара изобразится уже не точкой 2, лежащей на пересечении адиабаты 1-2 и изобары р ₂, а точкой, лежащей на той же изобаре, но расположенной правее. Условно действительный процесс расширения изображают линией 1-2 д.

Очевидно, полезная работа в действительном цикле (внутренняя работа):

l h 1

h 2= iд

-                               (2.1.5)

будет меньше работы (l ₀) идеального цикла.

Отношение

 

l 1 h 1

 

h 2 д

 

= h0 i

 

(2.1.6)

l 0  h 1 - h 2

называют относительным внутренним КПД. Этот коэффициент харак- теризует степень совершенства действительного процесса в сравнении с идеальным.

Абсолютный внутренний КПД представляет собой отношение по- лезно использованного тепла в действительном процессе к затраченно- му теплу:

h0 =  h 1 - h 2 д.

h 1 - h 2¢

Из сопоставления формул (2.1.1), (2.1.6) и (2.1.7) получаем

h i = h t × h0 i.

Из формулы (2.1.6) получаем:

(2.1.7)

 

(2.1.8)

h 2 дi

h 1 - (h 1 - h 2 )h0

= h 1 - h 0 × h0 i.

(2.1.9)

Это уравнение позволяет по заданному η_{0 i} найти точку 2д.

Для этого нужно (рис. 2.1.6) из начальной точки 1 провести адиаба- ту 1-2, затем от точки 2 отложить вверх отрезок 2-А и через точку А провести горизонталь. Пересечение ее с конечной изобарой р ₂ даст точ- ку 2д.

Внутренняя работа, произведенная турбиной, не может быть пол- ностью использована. Часть ее расходуется на механические потери в трущихся частях двигателя. Поэтому работа, полученная на валу турби- ны, или эффективная работа l_e меньше внутренней работы l_i.

Отношение

le hм

li

есть механический КПД турбины.

(2.1.10)

Так как преобразование механической энергии в электрическую связано с потерями в генераторе, то вводят еще понятие КПД генерато- ра:

hг = l э,

lе

(2.1.11)

где l _э – работа 1 кг пара, превращенная в электрическую энергию.

Для оценки экономичности ПСУ в целом необходимо еще знать КПД котельной установки η _к.у. , представляющий собой отношение по- лезно использованного тепла топлива к теплоте сгорания топлива, а так же КПД паропровода η _п, учитывающий потери, обусловленные тепло- обменом паpa с окружающей средой.

Таким образом, экономический КПД электростанции:

hст =ηк.у.п×0ηм

× ηг t   × η

i × η

× η.

(2.1.12)

Для повышения КПД можно применять схемы с регенерацией теп- лоты.