Бинарный состав паросиловой установки

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 11Следующая ⇒

На рис.1.37 представлены для сравнения циклы Ренкина и Карно при одинаковых значениях Т₁, Т₂ и отводимой теплоты q₂.

Рис.1.37 Циклы Ренкина и Карно в одинаковом температурном диапазоне и равных значениях отводимой теплоты:

                цикл Ренкина;

_ _ _ _ _ цикл Карно.

Полезной работе цикла Карно А_ц^карно соответствует площадь 1-2-3-4-1, а работе цикла Ренкина А_ц^ренк – площадь 1-2-3-5-6-1. Как следует из сравнения этих площадей, при одинаковых Т₁, Т₂ и q₂ работа цикла Ренкина значительно меньше работы цикла Карно. Чем больше значение температуры насыщения Т_Н1 у рабочего тела при заданном давлении Р₁, тем ближе А_ц^ренк к А_ц^карно.

Термодинамическое совершенство цикла характеризуется коэффициентом заполняемости

                                  (1.56)

У разных веществ различная зависимость температуры насыщения Т_Н от давления. Казалось бы, что используя в качестве рабочего тела не воду, а другое вещество с более высокой температурой насыщения при том же давлении Р₁, можно существенно повысить А_ц^ренк и η_tренк.

В качестве альтернативы воде рассматривались ртуть и дефинил.

К рабочему телу паросиловых установок предъявляются следующие требования:

1. Высокая критическая температура Т_кр при достаточно широком критическом давлении Р_кр.

2. Низкая температура насыщения Т_Н при низких давлениях, близкая к температуре охлаждающей воды (10…15^о С).

3. Малая теплоемкость в жидкой фазе.

4. Высокая теплоемкость перегретого пара.

Вода удовлетворяет лишь второму требованию, так как при Р=3…6 кПа температура насыщения t_н = 25…35^о С.

Недостатком водяного пара как рабочего тела является сравнительно невысокая критическая температура t_к=374,14^оС при высоком критическом давлении Р_к=22,129 МПа.

 Учетом всех требований к рабочему телу осуществить цикл Ренкина только в ртути или в дефиниле нельзя, поэтому реализуются так называемые бинарные циклы.

Бинарные циклы – это циклы с двумя рабочими телами.

В области высоких температур в бинарном цикле используется первое рабочее тело, имеющее высокую критическую температуру t_кр при достаточно низком критическом давлении Р_кр, то есть соответствующее лишь первому требованию к рабочим телам.

Второе рабочее тело должно соответствовать второму требованию, то есть иметь при низких давлениях низкие температуры насыщения, превышающие температуру окружающей среды(охлаждающей воды) на 15…20 градусов. В качестве первого рабочего тепла используют ртуть, и в качестве второго – воду.

На рис 1.38 представлена принципиальная схема бинарной ртутно-водяной паросиловой установки.

Рис 1.38 Схема бинарной ртутно-водяной паросиловой установки:

РПК – ртутный паровой котел; РЭ – ртутный экономайзер; РПН – ртутный питательный насос; РПТ – ртутная паровая турбина; К-И – конденсатор-испаритель; ВПТ – пароводяная турбина; ВПП – водяной пароперегреватель; ЦН – циркуляционный насос охлаждающей воды; ЭГ – электрогенератор.

На рис 1.39 представлен цикл бинарной установки в диаграмме .

Зависимость между давлением и температурой насыщения воды и ртути представлена на рис 1.40.

Рис 1.39 Цикл бинарной ртутно-водяной установки в диаграмме :

                    Ртутный цикл

                        Пароводяной цикл

Рис 1.40 Зависимость между давлением и температурой насыщения воды и ртути.

Процессы ртутного цикла:

1Р-2Р – адиабатное расширение ртутного пара на лопатках ртутной турбины РПТ; 2Р-3Р – конденсация ртутного пара в конденсаторе-испарителе К-И при  и  с передачей теплоты  на испарение воды;

3Р-4Р – сжатие жидкой ртути насосом РПН с повышением давления от  до ;

4Р-5Р – подогрев жидкой ртути при  до температуры кипения  в ртутном экономайзере РЭ;

5Р-1Р – парообразование ртути в ртутном котле РПК.

Процессы пароводяного цикла:

1-2 – адиабатное расширение водяного пара на лопатках пароводяной турбины ВПТ с понижением давления от   до  и температуры от  до ;

2-3 – конденсация водяного пара при  и  в конденсаторе водяного пара ВК;

3-4 – сжатие воды в насосе ВПН от  до ;

4-5 – подогрев воды при  до температуры кипения  теплотой конденсации ртутного пара  в конденсаторе-испарителе К-И;

5-6 – парообразование воды в конденсаторе-испарителе К-И при  и ;

6-1 – перегрев водяного пара при  от  до  в водяном пароперегревателе ВПП за счет теплоты, получаемой от продуктов сгорания топлива в котле ртутного котла РПК.

Температура насыщенного ртутного пара  выбирается исходя из допустимых значений температуры для материалов установки (540…600 градусов) и допустимых значений давления для ее конструкции. (Для справки: температуре насыщения ртутного пара  соответствует давление )

Конечное давление для ртути  выбирают в зависимости от начального давления для воды  из условия

Так при  и

и соответственно .

Энтальпия насыщенного ртутного пара от до  в 10…12 раз меньше энтальпии воды из водяного конденсатора ВК () и ее сухого насыщенного пара (  и2). Для стационарной теплопередачи от ртутного пара к воде из конденсатора ВК и ее насыщенному пару в конденсаторе-испарителе К-И массовый расход ртути (циркуляционная масса ртути) в ртутном цикле  должен быть в М раз больше массового расхода воды в пароводяном цикле .

Обозначим                                                                                                    (1.57)

(1.57) – кратность циркуляции ртути.

Из теплового баланса конденсатор-испаритель К-И

                                                                                                   (1.58)

При  и, соответственно,  окончательно получим

                                                                                                               (1.59)

или                                                                                                            (1.60)

Термический КПД бинарного цикла

                                                                                                        (1.61)

                                                                                        (1.62)

где                                                                                    (1.63)

 - теплота, подведенная в ртутном котле РПК при  к М кг ртути в процессах 4Р-5Р и 5Р-1Р, а также к 1 кг водяного пара при в процессе его перегрева 6-1 от  до .

При одинаковых температурных пределах Т₁…Т₂ и с учетом потерь теплоты в реальных процессах

Так, при Т₁ = Т_Н1Р  = 500^о С, Т_Н2 = 30^о С и Р₁ = 2,4 МПа получено

, а

В зависимости от выбранных параметров бинарного цикла кратность циркуляции ртути М = 10…12, то есть на 1 кг водяного пара требуется 10…12 кг ртути.

Справка:

Для ртути Т_кр = 1400^о С, Р_кр = 98 МПа.

При Р=0,00405МПа температура насыщения ртути составляет 217^оС. (Для сравнения, у воды при том же давлении Р=0,00405МПа температура насыщения Т_н=27^о С).

С целью предотвращения замерзания жидкости, охлаждающий конденсатор второго (нижнего) теплоносителя, в северных районах в холодное время года применяют в качестве второго теплоносителя низкокипящие жидкости, в частности, фреон-12. Пример такой ПСУ представлен на рис.1.41 и 1.42.

Рис.1.41 Схема паросиловой установки с бинарным циклом вода-фреон-12.

Рис.1.42 Бинарный цикл вода-фреон-12 в T-S диаграмме

ВПК – водяной паровой котел;

ВПП – водяной пароперегреватель;

ВПТ – водяная паровая турбина;

ВПН – водяной питательный насос;

К-И – конденсатор-испаритель;

ФПТ – фреоновая паровая турбина;

ФК – конденсатор фреона;

ФПН – фреоновый питательный насос.

Циклы парогазовых установок

Парогазовый цикл – это бинарный цикл, в котором первым рабочим телом в области высоких температур являются продукты сгорания топлива, а вторым в области низких температур – водяной пар.

Парогазовые установки (ПГУ) – это последовательно соединенные газовая и паровая тепловые установки.

Температура газов на входе в паровую турбину газотурбинной установки (ГТУ) составляет 900…1000^о С, а на выходе – более 350^о С.

Температура перегретого водяного пара на входе в паровую турбину паросиловой установки (ПСУ) достигает 600…650 ^о С, а температура влажного насыщенного пара в конденсаторе ПСУ – лишь 25…30 ^о С.

Организация бинарного цикла с этими рабочими телами позволяет получить температурный перепад от 900…1000 ^о С до 25…30 ^о С, и за счет этого значительно повысить термический КПД всей установки до значений 0,40…0,45.

Идеальный паровой цикл представлен на рис.1.43.

Рис.1.43 Идеальный цикл парогазовой установки:

_ _ _ _ - газовый цикл;

          - пароводяной цикл.

Газовый цикл:

1г-2г – адиабатное расширение газа;

2г-3г – изобарный отвод теплоты от газа;

3г-4г – адиабатное сжатие газа;

4г-1г – изотермический подвод теплоты к газу.

Пароводяной цикл:

1-2 – адиабатное расширение пара;

2-3 – изотермический отвод теплоты от пара;

3-4 – адиабатное сжатие воды;

4-1 – изобарный подвод теплоты к пару.

Передача теплоты от газа в изобарном Р_2Г = const процессе 2г-3г к пароводяному рабочему телу, совершающему изобарный Р₁ = const процесс 4-1, происходит в теплообменном аппарате.

Изотермический подвод теплоты к газу 4г-1г практически можно осуществить лишь приближенно, за счет многоступенчатого подвода теплоты при расширении газа.

Изотермический отвод теплоты 2-3 в пароводяном цикле можно осуществить в конденсаторе водяного пара при Р₂ = const.

Газовый цикл в парогазовом цикле является открытым, поскольку продукты сгорания топлива (первое рабочее тело) выбрасываются в окружающую среду после теплообмена с водяным рабочим телом.

Пароводяной цикл – закрытый, поэтому в нем могут использоваться не только вода, но и другие вещества, например, углекислый газ (СО₂).

Так как реализация изотермического подвода теплоты в паровом цикле сопряжена с серьезными техническими проблемами, то используется изобарный Р_1Г = const подвод теплоты, входящий в цикл газотурбинной установки. В идеальном цикле ПГУ с газовым циклом ГТУ на рис.1.44 подвод теплоты происходит в изобарном процессе расширения газа 4г-1г. Коэффициент заполнения такого цикла приближается к единице.

Рис.1.44 Идеальный цикл парогазовой установки с газовым циклом, совершаемым газотурбинной установкой:

_ _ _ _ - цикл ГТУ (газовый цикл);

          - пароводяной цикл.

Комбинированные турбинные установки на органическом топливе делятся на 2 типа:

1. Парогазовые установки (ПГУ);

2. Газопаровые установки (ГПУ).

В ПГУ основная доля теплоты подводится с топливом в паротурбинную часть, а в ГПУ – в камеру сгорания газотурбинной установки.

По взаимодействию рабочих тел ПГУ и ГПУ делятся на 2 группы:

1. С разделенными контурами, в которых пароводяное рабочее тело и продукты сгорания топлива движутся по самостоятельным трактам в газовую и паровую части установок и передают теплоту в теплообменных аппаратах поверхностного типа, то есть без смешивания;

2. Контактного типа, когда пароводяное рабочее тело и продукты сгорания топлива смешиваются перед поступлением в газопаровую турбину.

В дальнейшем рассматриваются только парогазовые установки с разделенными контурами (потоками), которые в свою очередь подразделяются по схемам на:

а) параллельные с высоконапорными парогенераторами (ВПГ);

б) последовательные с низконапорными парогенераторами (НПГ), называемые также ПГУ со сбросом теплоты, или ПГУ сбросного типа.

В ПГУ с НПГ продукты сгорания топлива в газотурбинной установке поступают либо в топку котла для дожигания и газоводяной подогреватель питательной воды (экономайзер), либо сразу в подогреватель питательной воды, называемый газовым подогревателем. Схема ПГУ в НПГ и газовым подогревателем представлена на рис.1.45.

Рис.1.45 принципиальная схема парогазовой установки со сбросом теплоты и газовым подогревателем питательной воды:

ТН – топливный насос;

КС – камера сгорания;

ВК – воздушный компрессор;

ТБ – топливный бак;

ГТ – газовая турбина;

ЭГ – электрогенератор;

КА – котлоагрегат;

ПП – пароперегреватель;

ПК – паровой котел;

ГП – газовый подогреватель;

ПН – питательный насос;

ПТ – паровая турбина;

К – конденсатор;

ЦН – циркуляционный насос.

Воздух сжимается компрессором ВК и подается в камеру сгорания, где образует с топливом смесь, сгорающую при постоянном давлении (Р_1Г = const) в камере сгорания КС. Продукты сгорания топлива поступают в газовую турбину ГТ, где расширяются, совершая работу , передаваемую электрогенератору ЭГ.

Газы, отработавшие в газовой турбине ГТ, подаются в газовый подогреватель ГП для подогрева питательной воды паросиловой установки, а затем удаляются в атмосферу.

Большое количество утилизируемой теплоты продуктов сгорания топлива в этом случае позволяет полностью отключить регенеративные подогреватели питательной воды ПСУ, что приводит к увеличению термического КПД и мощности установки. Экономия топлива за счет утилизации теплоты отходящих газов газотурбинной установки достигает 15%. Эффективность ПГУ выше, чем у ПСУ и ГТУ по отдельности.

В парогазовой установке с параллельной схемой и высоконапорным парогенератором (ВПГ) камера сгорания и парогенератор обычно совмещены. Топливная смесь сгорает в камере сгорания при высоком давлении, при этом часть теплоты сгорания сразу идет на парообразование и перегрев пара, после чего продукты сгорания с пониженной температурой поступают на вход газовой турбины. Температурный напор при теплопередаче в ВПГ значительно выше, чем в НПГ, что объясняет название парогенераторов «высоконапорный» и «низконапорный». НА рис.1.46 представлена схема ПГУ с ВНП и газоводяным подогревателем питательной воды.

Рис.1.46 Схема парогазовой установки с высоконапорным парогенератором и газоводяным подогревателем:

ВК – воздушный компрессор;

ВПГ – высоконапорный парогенератор;

ПП – пароперегреватель;

ГТ – газовая турбина;

ЭГ – электрогенератор;

ПГВ – газоводяной подогреватель;

ПН – питательный насос;

К – конденсатор;

ПТ – паровая турбина;

ЦН – циркуляционный насос.

Газоводяной подогреватель питательной воды (экономайзер) ПГВ позволяет увеличить термический КПД за счет частичного отказа от регенеративных подогревателей.

Воздух (окислитель) сжигается в компрессоре ВК и подается в высоконапорный парогенератор ВПГ, где смешивается с жидким или газообразным топливом. Продукты сгорания этой смеси (топливной смеси), отдав часть теплоты водяному пару в самом ВПГ, направляются в газовую турбину ГТ, с которой соединен электрогенератор ЭГ. Отработав в ГТ, продукты сгорания с пониженной энтальпией и давлением направляются в газовый подогреватель ПГВ, где подогревают питательную воду, подаваемую в парогенератор ВПГ. Отдав теплоту питательной воде, в ПГВ, продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. В схеме ПГУ с ВПГ отсутствует паровой котел, функции которого выполняет испарительная поверхность в ВПГ.

Рис.1.47 Цикл парогазовой установки с высоконапорным парогенератором и газоводяным подогревателем

Процессы в газовом цикле:

4г-1г’ - изобарное расширение при Р_1Г = const продуктов сгорания топливной смеси с подводом теплоты сгорания (теплоты химических реакций горения), изображаемой площадью а-4г-1г’-е-а и выделяемой в камере сгорания ВПГ;

1г’-1г – изобарная передача теплоты при Р_1Г = const от продуктов сгорания к пароводяному рабочему телу через испарительные поверхности и пароперегреватель ПП высоконапорного парогенератор с понижением температуры от Т’_Г1 до Т_Г1 (площадь с-1г-1г’-е-с);

1г-2г – адиабатное расширение продуктов сгорания с начальной температурой Т_Г1 и давлением Р_1Г до давления Р_2Г и температуры Т_Г2 в газовой турбине ГТ;

2г-3г – изобарная передача теплоты при Р_2Г = const от продуктов сгорания, отработавших в газовой турбине, к питательной воде в газоводяном подогревателе ПГВ (площадь а-3г-2г-с-а). В точке 3г продукты сгорания, охладившиеся в ПГВ до температуры Т_Г3, выбрасываются в атмосферу;

3г-4г – адиабатное сжатие свежей порции воздуха в воздушном компрессоре ВК от давления Р_2Г до Р_1Г с повышением температуры топливной смеси до Т_Г4;

Процессы в пароводяном цикле:

4-Р – регенеративный подогрев питательной воды в газоводяном подогревателе ПГВ при Р₁ = const теплотой газового процесса 2г-3г;

Р-5 – подогрев в ВПГ питательной воды из ПГВ до температуры кипения при Р₁ = const;

5-6 – парообразование в ВПГ за счет части теплоты газового процесса 1г’-1г;

6-1 – перегрев пара в пароперегревателе ПП за счет части теплоты газового процесса 1г’-1г;

1-2 – адиабатное расширение пара в паровой турбине ПТ от Р₁ до Р₂ с повышением температуры от Т₁ до Т₂;

2-3 – конденсация водяного пара в конденсаторе К при Р₂ = const и Т₂ = const;

3-4 – адиабатное сжатие воды от Р₂ до Р₁ в питательном насосе ПН с повышением температуры от Т₃ до Т₄.

Полезная работа пароводяного цикла

                                                                                                                (1.64)

Полезная работа газового цикла:

                                                                                                                (1.65)

Полезная работа обоих циклов:

                                                                                                                                           (1.66)

Или

(1.67)

Подведенная теплота к обоим рабочим телам в теоретическом цикле парогазовой установки с ВПГ

Термический КПД парогазовой установки с ВПГ

(1.68)

Парогазовые установки с высоконапорными парогенераторами более эффективны, чем ПГУ с НПГ.

Познавательные статьи:



Алгоритмические операторы Matlab

Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды

Исследования учёных: почему помогают молитвы?

Почему терпят неудачу многие предприниматели?