Паротурбинные установки
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
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:
?t = (q1 - q2)/q1 (1);
так как: q1 = i1 - i3; q2 = i2 - i2 (i - удельная энтальпия ) то
?t = [(i1 - i2) - (i3 - i2)] /( i1 - i3) = l / q1. (2)
Полезная работа цикла равна разности работ турбины и насоса:
l = lт - lн, где: lт = i1 - i2, lн = i3 - i2.
В основном lт >> lн, тогда считая i3 = i2, можно записать:
?t = (i1 - i2)/( i1 - i3) = (i1 - i2)/( i1 - i2). (3)
Теоретическую мощность турбины рассчитывают по формуле:
Nт = lт 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 = ?dn.
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 vZ 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 Ракт. 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 Р2; относительная скорость пара возрастает, а а