Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

5. Цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара

Начать хотелось с того, чтобы еще раз обозначить важный аспект: если в турбине течет пар, имеющий значительную влажность, то гидродинамический режим проточной части турбины резко ухудшается, и вследствие этого снижается внутренний относительный КПД турбины. [Другими словами, содержащиеся во влажном паре капельки воды на огромной скорости как пулеметные снаряды обстреливают турбину]; это в свою очередь приводит к снижению эффективности КПД всей установки в целом. Для современных турбин допустимое значение сухости пара на выходе из турбины должно быть не ниже $x = 0.86 - 0.88$ .

Одним из способов, позволяющих это реализовать, является перегрев пара. Перегрев пара приводит к увеличению термического КПД и одновременно сдвигает в $T$-$s$ диаграмме точку, соответствующую состоянию пара на выходе из турбины, вправо, в область более высоких степеней сухости. Конечно, можно заявить, что мы можем дальше увеличивать термический КПД за счет повышения температуры перегрева, однако надо понимать, что дальнейшее повышение температуры ограничивается свойствами конструкционных материалов; экономическая целесообразность этого мероприятия должна сообразовываться также с увеличивающимися капиталовложениями на сооружение такой установки.

В соответствии с выше сказанным одним из путей снижения конечной влажности пара является так называемый промежуточный перегрев пара, сущность которого состоит в следующем: после того как поток пара совершил работу в турбине, расширившись до некоторого давления (обозначим $p*$, причем $p* > p_2$ , где $p_2$ - это давление на входе в конденсатор), он выводится из турбины и направляется в дополнительный пароперегреватель, размещенный, например, в газоходе котла. Там температура пара повышается до величины $T*$ , после чего пар вновь поступает в турбину, где расширяется до давления $p_2$. Конечная влажность пара снижается.

Схема установки с промежуточным перегревом пара представлена на рисунке ниже (ДПП - доп. пароперегреватель). В случае применения промежуточного перегрева турбина выполняется в виде двухцилиндрического агрегата, состоящего по существу из двух отдельных турбин - высокого и низкого давлений. При этом обе турбины могут быть размещены на одном валу, соединенном с электрогенератором.

Схема установки с промежуточным перегревом пара
Схема установки с промежуточным перегревом пара.
Цикл Ренкина с вторичным перегревом в $T$,$s$ диаграмме
Цикл Ренкина с вторичным перегревом в $T$-$s$ диаграмме.

На верхнем правом рисунке представлена $T$-$s$ диаграмма цикла паросиловой установки с промежуточным перегревом пара. Коротко о каждом отдельном участке цикла:

  • 6 - 7 - 8 - 1 : изобарный процесс подвода тепла $q_1$ , причем 6 - 7 : изобарный процесс подвода тепла до состояния кипения, 7 - 8 : изобарно-изотермический процесс подвода тепла до состояния насыщенного пара, 8 - 1 : изобарный процесс подвода тепла до состояния перегретого пара
  • 1 - 2 : адиабатный процесс расширения до давления $p*$ (видно, что в точке 2 пар по-прежнему остается перегретым).
  • 2 - 3 : изобарный процесс подвода тепла (как раз таки промежуточный перегрев), где $p* = const$ . Также условимся обозначать подведенное тепло $q*$
  • 3 - 4 : адиабатный процесс расширения
  • 4 - 5 : изобарно-изотермический процесс отвода тепла $q_2$
  • 5 - 6 : адиабатный процесс сжатия воды в насосе.

После того как к воде подвели тепло $q_1$ до состояния перегретого пара (точка 1 на верхней $T$-$s$ диаграмме), этот пар расширился не сразу до давления в конденсаторе $p_2$ , а до некоторого давления $p*$ (точка 2), причем эта точка лежит в области перегретого пара. Далее мы снова подводим тепло к нашему пару $q*$ до некоторого состояния в точке 3, и пар вновь совершает работу до состояния точки 4.

Теперь о КПД. Напомним о том, что общая формула для термического КПД выглядит так:

$$\eta_Т=\frac{q_1-q_2}{q_1}.$$

где под $q_1$ подразумевается все подведенное в цикле тепло, а под $q_2$ соответственно все отведенное. В нашем случае сначала подвели $q_1 = h_1 - h_6$ , а после вторичного $q* = h_3 - h_2$ . Отвели $q_2 = h_4 - h_5$ . В итоге получаем

$$\eta_Т=\frac{q_1+q*-q_2}{q_1+q*}.$$

или

$$\eta_Т=\frac{h_1-h_6+h_3-h_2-(h_4-h_5)}{h_1-h_6+h_3-h_2}$$

если раскроем скобки и перегруппируем:

$$\eta_Т=\frac{h_1-h_2+h_3-h_4-(h_6-h_5)}{h_1-h_6+h_3-h_2}$$

Также следует обратить ваше внимание на то, что обычно после первичного расширения пара в турбине, вторичный перегрев совершают таким образом, чтобы нагреть пар до первоначальной температуры, как показано на рисунке ниже, то есть $T_1 = T_3$.

Цикл Ренкина с вторичным перегревом в $T$,$s$ диаграмме
Цикл Ренкина с вторичным перегревом в $T$-$s$ диаграмме.

Промежуточный перегрев пара, который в свое время вошел в энергетику главным образом как средство борьбы с высокой влажностью пара в последних ступенях турбины, является средством повышения термического КПД цикла. В современных паросиловых установках обычно применяется не только однократный, но и двухкратных промежуточный перегрев пара.