Материал: Термодинамические основы производства тепловой и электрической энергии на ТЭЦ, КЭС и в районных котельных. Китаев Д.Н., Мартыненко Г.Н
Как видно из рис. 2.1, пар из сопла 4 поступает на лопатки турбины 3, насаженные на диск 5. Этот диск плотно, с натягом, посажен на вал 6. В канале между лопатками пар совершает криволинейное движение, в результате которого возникает центробежная сила, приложенная к лопаткам, приводя их вместе с валом в движение. Таким образом, большая часть кинетической энергии пара превращается в механическую энергию вращения вала турбины. Сопла могут располагаться по всей окружности (или занимать часть ее), они размещены в диафрагме и образуют сопловой аппарат, а диск с лопатками составляют рабочее колесо. Диафрагма с соплами и рабочее колесо образуют рабочую ступень турбины. Как показано на рис. 1.1, паровая турбина ТЭЦ имеет не одну, а несколько ступеней. В одной ступени сложно выработать всю потенциальную энергию пара (перепад давлений) и получить большую мощность при сравнительно небольшой скорости вращения. Поэтому, для уменьшения скорости вращения вала турбину разделяют на ступени, в каждой из которых происходит частичное падение давления. Скорость после каждой ступени остается одной и той же; развиваемая же каждой ступенью мощность передается на вал турбины и на нем суммируется. Обычно скорость вращения вала многоступенчатых турбин на ТЭЦ составляет n = 3000 об/мин, что позволяет получить на применяемых электрогенераторах частоту тока 50 Гц.
По мере последовательного прохождения пара через ступени турбины его давление падает, объем увеличивается, и соответственно должны увеличиваться сечения для прохода пара; растут диаметры колес и длины лопаток (до определенного предела, вызванного механическим напряжением).
Расчет термодинамических процессов турбины ведется с помощью i-S диаграммы. Расширение в каждой ступени без учета внутреннего трения происходит адиабатически, так как турбина хорошо изолирована и внешние тепловые потери практически исключаются.
Совершив работу в турбине, пар поступает в конденсатор.
Чем ниже конечное давление пара, тем большую работу при данных начальных параметрах совершает пар. Для понижения давления пара ниже атмосферного его нужно направлять из турбины в особое герметически изолированное устройство, называемое конденсатором, где путем охлаждения пар конденсируют. При этом температура конденсата равна температуре пара, из которого получен конденсат. Отнятие тепла от пара происходит в процессе при постоянном давлении (p = const).
Для паровых турбин применяют только поверхностные конденсаторы. Такой конденсатор приведен на рис. 2.2, он состоит из цилиндрического барабанакорпуса 1 с двумя крышками 4 по торцам; в оба конца барабана вделаны две металлические трубные доски 2, в которых закреплено большое число трубок 3.
6
Рис. 2.2. Разрез конденсатора паровой турбины
Пар из турбины поступает в конденсатор через патрубок 8 и окружает трубки, по которым движется вода. Через патрубок 6 в пространство 5 поступает вода, забираемая из реки или какого-либо другого источника водоснабжения; по нижним трубкам она движется в сторону правой крышки, а по выходе из них по трубкам верхней половины конденсатора движется влево. Охлаждая трубки, вода отнимает через их поверхность тепло от пара, который конденсируется, т. е. превращается в воду, которая называется конденсатом. Конденсат стекает в нижнюю часть конденсатора, и отсюда через патрубок 9 его откачивают насосом. Подогретая теплом, отнятым от пара, вода выходит из патрубка 7 и возвращается в источник водоснабжения. Вода, используемая для охлаждения пара
вконденсаторе, называется циркуляционной водой, а насос, который подает ее
вконденсатор, – циркуляционным насосом.
Возможно применение таких конденсаторов, в которых пар и охлаждающая вода смешиваются. Такие конденсаторы называются смешивающими.
Воздух, неизбежно проникающий в конденсатор с паром и через неплотности, необходимо отсасывать. Отсос воздуха с незначительным количеством пара производится через патрубок 10 с помощью пароструйного насоса, называемого эжектором.
Если вблизи электростанции нет проточной воды, циркуляционную воду из конденсатора направляют в охладительные устройства (градирни, пруды, брызгальные бассейны) и потом возвращают ее в конденсатор через патрубок 6.
В конденсаторах паровых турбин поддерживают давление 2,9 – 4,9 кПа (0,03 – 0,05 кгс/см2). Из таблиц насыщенного пара видно, что при этих давлениях температура пара, а следовательно, и конденсата составляет 24 – 33 °С.
Тепловой баланс конденсатора можно выразить уравнением [3]
D |
= (i |
− i |
K |
) = W |
(iB − iB ), |
(2.1) |
K |
2 |
|
K |
2 1 |
|
где DK и WK – соответственно количество пара и количество циркуляционной воды, поступающих в конденсатор; i2 – iK – разность энтальпий пара и
7
конденсата; i2B – i1B – разность энтальпий циркуляционной воды, выходящей из конденсатора и входящей в него. Значения i2B и i1B определяют по таблицам водяного пара по соответствующим температурам воды; iK – по таблицам водяного пара при P2; i2 – по тепловому расчету процесса расширения пара в турбине.
Уравнение теплового баланса конденсатора позволяет определить количество циркуляционной воды, требующейся для конденсации 1 кг пара и поступающей в конденсатор.
Отношение масс пара и циркуляционной воды называют кратностью охлаждения и обозначают буквой m:
m = WK |
|
DK . |
(2.2) |
Выполняют конденсаторы одно-, двух-, трех- и четырех ходовые. Значения m могут изменяются в пределах от 40 до 120, но обычно составляют 50-60.
2.2.Схема производства тепловой и электрической энергии на ТЭЦ
стурбинами с регулируемыми отборами
На современных тепловых электрических станциях применяются различные методы повышения их экономичности: повышают давление P1 и температуру пара t1 перед турбиной, снижают давление P2 за турбиной, а также применяется промежуточный перегрев пара. На всех видах конденсационных турбин применяется регенерация, дающая экономию топлива 5–12 %. Но самую большую экономию энергии, как будет показано ниже, дает теплофикация [2].
На рис. 2.3 дана схема ТЭЦ с одним отопительным регулируемым отбором пара (промышленный отбор не совмещается с отопительным из-за больших давлений в нем (до 1,5 МПа) и в данной методике не рассматривается). В отопительном отборе давление не превышает 0,25 МПа.
Перегретый пар, вырабатываемый в котле 1 с перегревателем, поступает в турбину 2, состоящую из двух цилиндров: цилиндра высокого давления (ЦВД - эквивалент ЧВД) и цилиндра низкого давления (ЦНД - эквивалент ЧНД). Между ЦВД и ЦНД имеется патрубок для регулируемого отбора пара. Все количество пара DВ после прохождения через ЦВД разделяется на два потока. Один поток (его будем обозначать Dотб) через патрубок регулируемого отбора поступает в устройство 8, которое условно изображает внешний тепловой потребитель (теплофикационный пароводяной поверхностный подогреватель), и в регенеративный подогреватель 7. Другой поток, его будем обозначать DК, следует в ЦНД и затем в конденсатор 3.
8
Рис. 2.3. Тепловая схема паротурбинной установки с одним регулируемым отбором
Таким образом,
DВ = Dотб + DК , |
(2.3) |
Если количество пара, идущее к внешнему потребителю, равно DТ , а в систему регенерации поступает DР , то
Dотб = DТ + DР . |
(2.4) |
Подставляя в (2.3) значение Dотб из (2.4), получаем: |
|
DВ = DТ + DР + DК . |
(2.5) |
Уравнение (2.5) отражает материальный баланс установки.
Пар в количестве DК поступает в ЦНД и выходит из него с параметрами P6 и i6, а затем следует конденсатор 3. Из последнего выходит конденсат в количестве DК с энтальпией i′6 и конденсатным насосом 4 направляется в пита-
тельный бак (деаэратор) 5, из которого насосом 6 подается в регенеративный подогреватель 7, куда поступает и пар из отбора с энтальпией i4 (действительное состояние пара в отборе). Количество пара DР должно быть таким, чтобы весь конденсат был нагрет до tотб – температуры насыщения при давлении отбора Pотб. Пар из отбора при этом конденсируется, и общее количество конден-
9
сата, покидающего регенеративный подогреватель при энтальпии i′4 , составля-
ет DК + DР. Пар, поступивший к тепловому потребителю, вследствие отдачи тепла конденсируется, и конденсат с энтальпией i′4 при выходе из теплового по-
требителя смешивается с конденсатом такой же энтальпии, поступающим из регенеративного подогревателя. Суммарное количество конденсата составляет DК + DР + DТ и согласно формуле (2.5) равно DВ. Это количество конденсата, равное количеству пара DВ, которое возвратилось в котел.
На схеме также рассмотрена водяная система теплоснабжения. Сетевая вода после теплофикационного пароводяного подогревателя (теплопотребитель 8) с максимальной температурой порядка 120 °С ( в зависимости от температурного графика) по тепловой сети поступает к абонентам 8' и расходуется на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. При необходимости получения более высокой температуры вода догревается в пиковом водогрейном котле 11. Обратная сетевая вода (система теплоснабжения обычно выполняется двухтрубная), имеющая в различные периоды температуру 40 – 70 °С, подогревается дополнительно в теплофикационном пучке 13 конденсатора, что обеспечивает наиболее полное использование тепла отработавшего пара низкого давления. Для этого требуется повышенное давление пара в конденсаторе. Наибольшие давления в конденсаторе устанавливаются, главным образом, в зимний период, когда турбина развивает полную электрическую мощность на базе теплофикационного отбора пара. В связи с этим подогрев сетевой воды в теплофикационном пучке выгоднее производить в холодное время года, в остальное время – использовать теплофикационный пучок для подогрева холодной воды. Если теплофикационный пучок постоянно используется для подогрева сетевой воды, давление в конденсаторе должно выдерживаться от 0,012 до 0,045 МПа. Циркуляция воды в сетях и подогревателях обеспечивается сетевым 10 и вспомогательным 14 насосами. Утечка воды в тепловых сетях восполняется системой подпитки 12.
2.3. Термодинамический расчет комбинированной схемы производства тепловой и электрической энергии на ТЭЦ
2.3.1. Построение i-S- диаграммы
Получим выражения, позволяющие определять значения энтальпий пара после ЦВД и ЦНД.
Отношение
i1 |
− i4 |
=η |
|
′ |
(2.6) |
|
i1 |
− i3 |
oi |
||||
|
|
|
||||
|
|
|
|
измеряет внутренний относительный КПД ЦВД.
10