Проектирование установки парогазового цикла

2.3. Циклы паротурбинных установок:

В современной стационарной теплоэнергетике  в основном используются паровые  теплосиловые установки. Теплосиловые установки, в которых в качестве рабочего тела применяется пар, имеют  некоторые особенности и преимущества, существенно отличающие их от  теплосиловых установок с газообразным рабочим  телом.

Преобразование энергии органического  или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (п. с. у.), которые являются базой современной крупной энергетики. Принципиальная схема простейшей паросиловой установки показана на рис. 13.

В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p1, t1, i1, который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p2 с совершением технической работы, приводящей во вращательное движение ротор электрического генератора 3. Затем пар поступает в конденсатор 4, который представляет собой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркулирующей водой.

 

Рис.15. Принципиальная тепловая схема паросиловой установки

 В конденсаторе при помощи  охлаждающей воды от пара отнимается  теплота парообразования и пар  переходит при постоянных давлении р2 и температуре t2 в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется

2.3.1. Цикл Ренкина

В паросиловых установках применяют  цикл Ренкина. В цикле Ренкина охлаждение влажного пара в конденсаторе производится до превращения его в воду.Доведя фазовый переход до левой линии насыщения. В этом случае для замыкания цикла нужно сжимать не влажный пар, а жидкость, воду. Удельный объем воды по сравнению с объёмом пара весьма мал, жидкость практически несжимаема и появляется возможность использовать вместо неэффективного компрессора насос для перекачивания воды. Водяные насосы весьма просты  в эксплуатации, компактны и для своего привода потребляют намного меньшую энергию, чем компрессоры.

 

 

Цикл с полной конденсацией пара предложил шотландский инженер  У. Ренкин в 50-х годах XIX века. Схема теплосиловой установки, работающей по циклу Ренкина, подобно схеме, изображенный на рис., только компрессор должен быть заменён на водяной насос, т.к. в конденсаторе осуществляется полная конденсация пара в жидкую фазу.

 

Т,s- диаграмма цикла Ренкина показана на рис насыщенный пар после парового котла из состояния 6 поступает в турбину, где в адиабатном процессе 6-7 совершает располагаемую работу. После турбины отработанный пар с параметрами 7 поступает в конденсатор, где, в отличие от цикла Карно, он полностью конденсируется в изобарно-изотермическом процессе , 7-3. Из состояния 3 вода сжимается насосом по адиабате 3-5 до исходного давления p6 в паровом котле. Длина отрезка 3-5 весьма мала по сравнению с адиабатой основного процесса 6-7. Что соответствует малой работе на привод насоса.

Малая работа сжатия воды по сравнению  с работой сжатия влажного пара и  технической работой потока пара является важным преимуществом цикла  Ренкина .

Из насоса вода под давлением  р6 (точка 5 расположена на изобаре воды, пересекающей точку 4, определяющую давление фазового перехода при кипении воды) подаётся в котёл, где в изобарном процессе 5-4 подогревается до стадии кипения. Происходит процесс парообразования в изобарно-изотермическом фазовом переходе 4-6. Сухой насыщенный пар с параметрами 6 поступает в турбину, цикл замыкается.

В отношении термического КПД цикл Ренкина уступает циклу Карно, т.к. средняя температура подвода теплоты в процессах 5-4-6 оказывается ниже, а степень заполнения цикла меньше, чем в цикле Карно с максимальной температурой Т1=const ( цикл показан штриховой линией 5-4к-4). Однако с учётом реальных условий перехода от компрессорного сжатия пара к перекачке воды насосом экономичность цикла Ренкина оказывается выше, чем соответствующего цикла Карно.

Следующим шагом на пути повышения  эффективности цикла на парах  воды является перегрев пара в специальном  элементе котла – пароперегревателе. Здесь пар нагревается в изобарном  процессе 6-1 до температуры Т1, превышающей температуру насыщения Т6 при давлении р6=р1. Процесс расширения перегретого пара в турбине 1-2 до давления р2 совершает при более высокой степени сухости, чем без перегрева пара. Благодаря этому эффективность теплосиловой установки возрастает, условия работы турбины улучшаются.

Цикл Ренкина с перегревом пара – основной цикл теплосиловых установок, применяемых в современной теплоэнергетике. 

С точки зрения термического к. п. д. цикл Ренкина представляете менее выгодным, чем цикл Карно, изображенный выше (рисунок 5) поскольку степень заполнения цикла (равно как и средняя температур подвода тепла) для цикла Ренкина оказывается меньше, чем в случае цикла Карно. Однако с учетом реальных условий осуществления экономичность цикла Ренкина выше экономичности соответствующего цикла Карно во влажном паре.

2.4. Парогазовый цикл.

Проведенное рассмотрение термодинамических  циклов паротурбинных и газотурбинных  установок показывает, что оба  эти типа основных энергетических машин  имеют существенно более низкую экономичность, чем та, которая теоретически может быть достигнута при применяющихся  в этих установках источниках теплоты. Другими словами, эксергия топлива используется в этих установках далеко не полностью и эксергетический КПД их невысок. Рассматривая перспективы повышения экономичности энергетических установок, в качестве очевидного можно назвать путь повышения параметров (прежде всего начальной температуры) рабочего вещества, используемого в циклах этих установок. Прогресс в этом направлении зависит от успехов в создании новых жаростойких материалов и в конструировании основных агрегатов установок. В то же время, рассмотрев область температур, освоенную промышленностью, можно указать способ повышения полноты использования топлива. Он состоит в том, чтобы в заданном интервале температур использовать не просто один из этих циклов, а совокупность двух связанных между собой общим тепловым потоком циклов. В таких комбинированных циклах существует возможность сочетать разные виды циклов или разные рабочие вещества, используя преимущества каждого из них в своей области температур.

2.4.1. Схема и цикл парогазовой установки.

Рис.17. T-S диаграмма для парогазового цикла.

На Т-S диаграмме: площади 1-б-д-5 теплота,подводимая  в цикл ГТУ, 1-2-3-4-5 полезная работа, 6-е-и-8-9-10 кол-во подводимой теплоты в цикл ПТУ, полезная работа 6-7-8-9-10,теплота отработавших газов в турбине 2-б-д-4, теплота выделяющаяся при охдаждении газов 2-б-а-3, теплота затрачивая на образование пара в котле 9-г-в-8.

Описание установки

 

/ — забор воздуха; 2 — компрессор; 3 — топливо; 4 — камера сгорания; 5 —газо¬вая турбина; 6 — выхлоп отработавших газов; 7 — электрогенератор; 8 — котел; 9 — паровая турбина; 10 — конденсатор; // — насос; 12 — подогреватель высокого давления; 13 — регенеративный подогреватель на отходящих газах (экономайзер)

 На рис. 18 показана схема парогазовой установки (ПГУ) с высоконапорным котлом. Сжигание топлива в топке такого котла происходит под давлением до 0,6—0,7 МПа, что приводит к значительному сокращению затрат металла на тепловоспринимающие поверхности. После котла продукты сгорания поступают в газовую турбину, на валу которой находятся воздушный компрессор и электрогенератор. Пар из котла поступает в турбину с другим электрогенератором. Термодинамическая эффективность комбинированного парогазового цикла с высоконапорным котлом, газовой и пароводяной турбинами показана на рис. 15.2.. Газовая ступень частично надстраивается над паро¬вой ступенью, что приводит к значительному увеличению термического КПД установки.

Эксплуатационные издержки мощной современной ПГУ вдвое ниже по сравнению с издержками на пылеугольной ТЭС. Сроки строительства ПГУ, в особенности при поэтапном вводе в эксплуатацию, намного короче, чем сроки строительства мощных тепловых электростанций других типов.

Одной из главных причин перспективности  ПГУ является использование природного газа – топлива, мировые запасы которого очень велики. Газ – это лучшее топливо для энергетических ГТУ – основного элемента установки. Природный газ хорошо транспортируется на дальние расстояния по магистральным газопроводам. Его можно поставлять и в жидком виде, как сжиженный природный газ. Таким топливом, например, пользуются для ПГУ в Японии и Южной Корее.

Парогазовые установки могут также  работать при использовании в  ГТУ тяжелого нефтяного топлива, сырой нефти, побочных продуктов  переработки нефти, синтетического газа, получаемого при газификации  углей.

Комбинирование установок, в которых  различные рабочие тела используются в оптимальных для каждого  из них температурных интервалах, позволяет существенно повысить термический КПД цикла и эффективный  КПД суммарной установки. Именно на ПГУ достигнута самая высокая  из всех тепловых машин эффективность  преобразования теплоты в работу. Применение парогазовых установок  с различными вариантами схем для  строительства новых энергетических установок и модернизации существующих ПГУ является одним из основных направлений развития энергетики

2.4.2. Роль парогазовых циклов в современной энергетике:

Парогазовый цикл как более эффективный (по сравнению с чисто газовым или паровым) используется и на транспортных установках с дизельными двигателями, в частности на судах морского флота. В Японии уже в 1980–х гг. было построено несколько сотен судов с дизельными двигателями, оборудованными котлами–утилизаторами и паротурбинными агрегатами для выработки дополнительной мощности. По существу, это и есть применение парогазового цикла. На английском судне «Куин Элизабет» эффективность использования топлива (с учетом выработки электроэнергии, отопления и кондиционирования помещений судна) достигла более 70% (110 г/кВт*ч в расчете на жидкое нефтяное топливо). На морских судах реализация парогазового цикла получила развитие, так как для охлаждения конденсаторов используется забортная вода.

Эксперименты по применению бинарного  цикла проводились также на тракторных и автомобильных двигателях. Они  показали, что эффективность силового агрегата возрастает на 15–20 %. Следовательно, парогазовый цикл вполне можно реализовать  и на автомобильном транспорте.

Применение паротурбинного привода  на автомобильном транспорте ограничено в связи с большими габаритами конденсатора, обусловленными низким коэффициентом теплопередачи со стороны воздуха. Для паровых  утилизаторов это ограничение снижается, так как в них преобразуется  только часть энергии, которая не переработана в механическую мощность в первичном двигателе. Расчеты  показывают, что для легкового  автомобиля, предназначенного в основном для эксплуатации в городе, габариты конденсатора парового утилизатора (при  оптимизации мощности и повышении  эффективности поршневой части  двигателя) могут быть соизмеримы с  габаритами традиционного радиатора  системы охлаждения.

Бинарный парогазовый цикл для  автомобильного силового агрегата полностью  имитирует в малом масштабе парогазовый  цикл крупных энергетических агрегатов. Для реализации его на поршневом  блоке монтируется водяной насос  высокого (среднего) давления, например шестеренчатого типа. При этом осуществляется жесткая связь подачи воды в теплообменник–парогенератор парового утилизатора в соответствии с вырабатываемой двигателем мощностью и количеством газов, поступающих в парогенератор. Паровой утилизационный блок представляет собой последовательно включенные теплообменник–парогенератор трубчатого типа, паровую турбину и конденсатор пара. Мощность, вырабатываемая паровой турбиной, может передаваться непосредственно на вал двигателя при помощи гидравлической или электрической связи [6], а также использоваться для привода вспомогательных механизмов.

Если рассматривать типовой  тепловой баланс дизельного двигателя (преобразование в механическую работу — 45%, отвод тепла в систему  охлаждения — 25%, тепло отработавших газов — 30%), учитывать кпд парового цикла средних параметров равным 20% и кпд паровой турбины и системы передачи мощности от нее на вал 90%, эффективный кпд парогазового агрегата, использующего тепло охлаждения цилиндров и тепло отработавших газов, будет иметь значение 55%.

Необходимо отметить, что при  средних параметрах пара в качестве рабочего тела в паровом утилизаторе  можно применять антифриз обычного типа, используемый в системах жидкостного  охлаждения автомобильных двигателей, например тосол А40 [6].

Применение системы глубокой утилизации на основе парового цикла не исключает  возможность и необходимость  турбокомпаундирования поршневых двигателей при помощи турбины, преобразующей в полезную мощность недоиспользованную потенциальную энергию отработавших газов двигателя (избыточное давление).

Особенно перспективно применение глубокой утилизации тепловой энергии  отработавших газов на основе паротурбинного блока для систем гибридного привода  автомобилей, в которых основной поршневой двигатель выдает необходимую  мощность без резких изменений.

Глава 3. Расчет параметров циклов энергогенерирующих установок.

3.1.Термодинамический расчет цикла газотурбинной установки.

   Для удобства расчетов  примем индексацию точек для  всех установок одинаковой.

Точка 1.

Точка 4.

Точка 3.                                                                                                                                                                   

Точка 2.

   Количество теплоты подведенного  к 1 кг рабочего тела в ГТУ:

  По молекулярно-кинетической теории:

     i – число степеней свободы молекул.

   Для двухатомного газа (воздух) i = 5

   Количество теплоты отведенной  от 1 кг рабочего тела ГТУ:

   Рассчитаем термический  КПД цикла ГТУ:

   Абсолютный электрический  КПД цикла ГТУ:

 

   Работа цикла ГТУ:

3.2. Расчет цикла паротурбинной установки.

  

ПГУ имеет 2 регенеративных отбора, давление пара в отборах:

   Термический КПД регенеративного  цикла с двумя отборами:

где α₁ и α₂ – доля пара в соответствующем отборе, определяется из уравнения теплового баланса регенеративного подогревателя (принимаем смесительные подогреватели).