Паротурбинные установки

Паротурбинные установки

Паротурбинные установки

Термодинамический цикл ПТУ

Паротурбинная установка является основой современных тепловых и атомных электростанций. Рабочим телом в таких установках является пар какой-либо жидкости (водяной пар). Основным циклом в паротурбинной установке является цикл Ренкина.

Принципиальная схема ПТУ показана на рис.1. Процесс получения работы происходит в следующим образом. В паровом котле (1) и в перегревателе (2) теплота горения топлива передается воде. Полученный пар поступает в турбину (3), где происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе (4).

Рис.1. Схема ПТУ.

Отработанный пар поступает в конденсатор (5), где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат насосом (6) отправляется в питательный бак (7), откуда питательным насосом (8) сжимается до давления, равного в котле, и подается через подогреватель (10) в паровой котел (1). Рассмотрим цикл Ренкина на перегретом паре. На рис.2 изображен цикл Ренкина в T-S-диаграмме и P-v диаграмме.

Процессы, происходящие в ходе ее работы

а) в диаграмме T-S

-1 - подвод теплоты от источника к воде и пару q₁ состоит из трёх процессов: 3-3^/ - вода нагревается до кипения, 3-4 превращается в пар в котле; полученный сухой пар перегревается (4-1) в пароперегревателе (все три процесса изобарные);

-2 - в турбине пар расширяется адиабатически, без подвода (отвода) теплоты;

-2^´ - пар конденсируется и отдает тепло q₂ охлаждающей воде;

^’-3 - конденсат изохорно сжимается; так как теплота этого процесса незначительна,

процесс можно считать и адиабатным.

Рис. 2. Цикл Ренкина на перегретом паре (T-s и P-v диаграммы).

б) В диаграмме P-v: 2^’-3 изохорное сжатие воды, 3-4, 4-1 изобарный подвод теплоты q₁ на нагревание воды до кипения, превращение воды в пар и перегрев пара; 1- 2-адиабатное расширение пара в турбине; 2- 2^’- изобарное превращение влажного пара в воду (конденсат) с отводом теплоты q₂

Термический к.п.д. цикла Ренкина определяется по уравнению:

η_t = (q₁ - q₂)/q₁ (1);

так как: q₁ = i₁ - i₃; q₂ = i₂ - i₂^’ (i - удельная энтальпия ) то

Полезная работа цикла равна разности работ турбины и насоса:

l = l_т - l_н, где: l_т = i₁ - i₂, l_н = i₃ - i₂^’.

В основном l_т >> l_н, тогда считая i₃ = i₂^’, можно записать:

η_t = (i₁ - i₂)/( i₁ - i₃) = (i₁ - i₂)/( i₁ - i₂^’). (3)

Теоретическую мощность турбины рассчитывают по формуле:

N_т = l_т •М = (i₁ - i₂)· М, [Вт] (4)

где М - секундный расход пара, [кг/с]

Цикл Ренкина на перегретом паре применяется для увеличения термического к.п.д. цикла ПТУ. Для этого перед турбиной ставят перегреватель 2 (Рис.1), который увеличивает температуру и давление пара. При этом возрастает средняя температура подвода теплоты в цикле.

Классификация паровых турбин. Устройство, принцип действия. Паровые турбины имеют ряд преимуществ перед другими типами двигателей: компактность, возможность получения больших мощностей в одном агрегате, непрерывный рабочий процесс и высокая экономичность эксплуатации. Работа паровой турбины основана на истечении водяного пара и использовании его кинетической энергии. Преобразование теплоты пара в механическую работу может осуществляться по активному и реактивному принципу. Турбины, у которых расширение пара происходит только в соплах, а на рабочих лопатках используется кинетическая энергия пара при постоянном давлении, называют активными. Рабочий процесс такой турбины представлен на рис. 3. Свежий пар с давлением Р₀ и скоростью С₀ поступает в сопло 4 и расширяется в нём до давления Р. Скорость пара возрастает до С₁. С этой скоростью пар поступает в каналы, образованные рабочими лопатками 3. На рабочих лопатках направление скорости пара меняется, вследствие чего возникают силы давления на лопатки, которые и совершают полезную работу. Отработанный пар уходит из турбины через выпускной патрубок 6. Уплотнение в местах прохода вала 1 через корпус 5 достигается лабиринтным уплотнением 7.

Анализ показывает, что кинетическая энергия пара используется полностью, если скорость струи пара на выходе из сопла

С₁ = 2U, где U = π·d·n.

Здесь U - окружная скорость рабочего колеса, d - диаметр рабочего колеса, n - число оборотов рабочего колеса.

При высоких давлениях пара скорость истечения его из сопла, а следовательно, и окружные скорости должны быть очень большими, что может привести к разрыву рабочего колеса. Увеличение числа ступеней в турбине до Z уменьшает эти скорости в √Z раз и скорости в каждой ступени получаются небольшими. В реактивных турбинах пар лишь частично расширяется в соплах, а окончательное расширение пара происходит на рабочих лопатках. На рис.4, а. показана схема реактивной многоступенчатой турбины. Пар под давлением Р₀ через сопло 1 подводится к рабочим лопаткам 2 и 3. В сопле пар частично расширяется, скорость его возрастает до С₁. В канале, образованном рабочими лопатками, струя пара меняет своё направление. В результате этого под действием центробежных сил лопатка испытывает суммарное усилие Р_акт. Направление силы зависит от формы лопатки. Так как сечение канала между лопатками уменьшается в направлении движения струи, то пар расширяется, давление его падает до конечного для данной ступени значения Р_2; относительная скорость пара возрастает, а абсолютная уменьшается до С₂ вследствие уменьшения кинетической энергии, преобразованной в работу. В результате ускорения струи пара в канале между лопатками возникают реактивные силы, которые дадут равнодействующую Р_реакт, направление которой также зависит от формы лопатки. Сложив активную и реактивную силы, получим общую равнодействующую силу Р. На рис.4, б рассмотрен процесс изменения энтальпии i в реактивной турбине. Точка 0 (пересечение изотермы Т₀ и изобары р₀) характеризует начальное состояние пара с энтальпией i₀. При адиабатном расширении пара в сопле его энтальпия понижается до i₁. За счёт этого возрастает кинетическая энергия пара на выходе из сопла. Из-за потерь энергии на трение частиц о стенки сопла и о друг друга конечное значение энтальпии будет не i₁ (точка К), а i₂ (точка А).

Кривая ОА приближённо изображает процесс расширения пара в сопле. Отрезок h₀ = i₀ - i₁ называют теоретическим теплоперепадом, а отрезок h = i₀ - i₂ называют действительным теплоперепадом в сопле. Кроме потерь энергии (изменение энтальпии) пара в соплах, возникают потери энергии в каналах рабочих лопаток; потери от влажности пара в последних ступенях турбины (частицы влажного пара движутся медленнее сухого пара); потери, связанные с утечками пара через зазоры между диафрагмами и валом или рабочими лопатками и корпусом (у реактивных турбин); выходные потери (на выходе пар обладает остаточной кинетической энергией). Эти потери считаются внутренними. К внешним потерям относятся механические потери (затраты энергии на преодоление трения в подшипниках и привод вспомогательных механизмов) и и потери от утечки пара через концевые уплотнения.

Внутренние потери приводят к тому, что полный внутренний теплоперепад (изменение энтальпии) h_i оказывается ещё меньше h₂. В многоступенчатых турбинах полный теплоперепад равен сумме теплоперепадов всех ступеней: Н_i = ∑ h_i; (полный теоретический теплоперепад Н₀ = ∑ h₀). С учётом сказанного относительный внутренний КПД многоступенчатой турбины

η_0i = Η_i / Η₀. (5)

Внутреннюю мощность турбины определяем, как :

= (1/3600) ·Η₀·М·η_0i (кВт). (6).

Примечание: 1/3600 -коэффициент перевода час в сек.Если удельная энтальпия выражена в кДж/кг, а массовый расход М в кг/с, то коэффициент перевода час в сек 1/3600 в расчётах не используется.

Величину М (кг/час) называют массовым расходом пара. Механические потери турбины учитываются механическим КПД

где N_{е -} эффективная мощность на валу турбины. Для крупных турбин η_м = 0,98-0,99, для турбин небольшой мощности η_м = 0,94-0,95

Назовём теоретической мощностью турбины

т = (1/3600) ·Η₀·М. (8)

Турбинный зал

Рис.3. Одноступенчатая активная паровая турбина:

-вал; 2-диск; 3-рабочие лопатки; 4-сопло; 5-корпус; 6-пропускной патрубок; 7-лабиринтные уплотнения.

а) б)

Рис. 4. Схема реактивной многоступенчатой турбины: 1 и 5 - направляющие лопатки; 2 и 6-рабочие лопатки; 3-соединительный трубопровод; 4-корпус; 7-ротор; 8-разгрузочный поршень.

Относительный эффективный КПД в этом случае будет равен

η_0е = N_е/ N_т. (9)

Для крупных турбин η_0е = 0,84-0,86, для турбин средней мощности η_0е = 0,75-0,8.

Если известна мощность на клеммах генератора Nэ, то КПД турбогенератора, называемый относительным электрическим КПД, определяется соотношением:

η_0э = N_э/ N_т; (10)

или η_0э = η_0е η_г; η_г = 0,94-0,99 -КПД генератора. Характеристикой экономичности турбины является также удельный эффективный расход пара (кг/кВт ч)

_е = M/ N_e. (11)

Расход пара на выработку 1 квт ч электроэнергии называют удельным электрическим расходом пара (кг/кВт ч) m_э = M/ N_э. (12) Для турбин средней мощности удельный расход пара составляет 5-6 кг/кВт ч. Этот расход снижается при увеличении мощности турбины, а также при высоких начальных параметрах пара до 3,8-4,5 кг/кВт ч. Приведенные формулы справедливы для турбин, у которых пар расширяется до давления в конденсаторе и вся теплота используется для выработки электроэнергии. Такие турбины называют конденсационными.

Перспективы паротурбостроения в России

До сих пор в силу сложившейся еще в СССР специализации ЛМЗ производил турбины быстроходного типа (скорость вращения ротора 3000 оборотов в минуту). На сегодняшний день быстроходные турбины мощностью 1000 МВт производства ЛМЗ установлены на Калининской АЭС (Россия), Хмельницкой, Ровенской, Южно-Украинской АЭС (Украина), АЭС «Бушер» (Иран), АЭС «Тяньвань» (Китай) и АЭС «Куданкулам» (Индия). Кроме того, согласована поставка турбин-«миллионников» для расширения АЭС «Тяньвань» и АЭС «Куданкулам», строительства АЭС «Белене» (Болгария), а также поставка быстроходных турбин мощностью 1200 МВт для оснащения строящихся Нововоронежской АЭС-2 и Ленинградской АЭС-2. Благодаря опыту создания более сложных по технологии мощных быстроходных паровых турбин «Силовые машины» располагают необходимыми проектными решениями, конструкторскими наработками для проектирования и изготовления тихоходных турбин мощностью 1200 МВт для перспективных блоков АЭС с реакторами типа ВВЭР. По словам генерального директора ОАО «Силовые машины» Игоря Костина, «создание тихоходной турбины направлено на расширение спектра выпускаемой компанией продукции в соответствии с тенденциями развития атомной отрасли и обеспечение универсальности ОАО «Силовые машины», как поставщика турбинного оборудования».

Литература

паротурбинная установка термодинамический цикл

1. Теплотехника - Баскаков А.П. 1991г.

. Теплотехника - Крутов В.И. 1986г.

. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция - Тихомиров К.В. 1981г.57.

. Теплотехнические измерения и приборы - Преображенский В.П.1978г.