Тепловые схемы простейших КТЭУ

Для построения тепловой схемы простейшей котлотурбинной установки открытого цикла (рис. 71) достаточно трех элементов; главного котла, главной турбины и насоса. В такой тепловой схеме питательный насос подает забортную воду в паровой котел. Котел вырабатывает

О » /л

Перегретый пар заданных параметров с энтальпиеи г1 в количестве Ок. Весь выработанный котлом пар направляется в главную турбину (ОГ = Ок ). Совершивший в турбине полезную работу пар выбрасывается в атмосферу.

Такая тепловая схема в принципе работоспособна, но на практике применялась только на заре возникновения судовых паросиловых установок. Питание забортной водой современных высоконапряженных паровых котлов приводит к интенсивному накипеобразованию и выходу из строя трубных поверхностей нагрева. Выброс пара из турбины в атмосферу снижает КПД цикла и приводит к необходимости постоянного пополнения рабочего тела из внешнего источника. Для открытого цикла КТЭУ характерны следующие термодинамические процессы;

2 ' - 3 - сжатие воды в насосе;

3 - 4 - подогрев питательной воды до температуры кипения;

4 - 5 - испарение воды в котле;

5 -1 - перегрев пара в пароперегревателе;

1 - 2 - расширение пара в турбине до атмосферного давления;

2 - 2' - условный замыкающий процесс охлаждения пара в

Атмосфере.

Забортная вода

В тепловой схеме КТЭУ закрытого цикла (рис. 72) к прежним трем элементам добавляется четвертый - главный конденсатор. В такой тепловой схеме весь пар, выработанный котлом - Ок, с энтальпией 11 направляется в главную турбину (ОГ = Ок). Отработавший в главной турбине пар с энтальпией 1г поступает в главный конденсатор, где от него отводится теплота к забортной воде. При охлаждении пар конденсируется, образовавшийся конденсат с энтальпией ^ забирается насосом и подается в главный котел. В главном конденсаторе, за счет значительного уменьшения объема пара при его конденсации, образуется вакуум, в результате чего обеспечивается более полное расширение пара в главной турбине до давления ниже атмосферного - рк.

Так как при сжатии в насосе изменения термодинамического состояния конденсата не происходит, то считаем значения энтальпии конденсата после главного конденсатора, на выходе из насоса, и питательной воды на входе в котел, равными; г‘2 = г3 = 1ПВ. Рассмотренная простейшая тепловая схема КТЭУ закрытого цикла работает в полном соответствии с термодинамическим циклом Ренкина. Для закрытого цикла КТЭУ характерны следующие термодинамические процессы;

1 - 2 - расширение пара в главной турбине до давления в главном

Конденсаторе - рк;

2 - 2' - конденсация пара в главном конденсаторе;

2' - 3 - сжатие конденсата в насосе;

3 - 4 - подогрев питательной воды до температуры кипения в котле;

4 - 5 - испарение воды в котле;

5 -1 - перегрев пара в пароперегревателе котла.

Рис. 72. Тепловая схема и термодинамический цикл простейшей КТЭУ закрытого типа. Кр - главный конденсатор; Рк - давление в главном конденсаторе; ра - атмосферное давление.

КПД любого теплового двигателя равен отношению полезной теплоты к затраченной. В тепловых схемах КТЭУ полезной теплотой считается теплота, отданная паром в главной турбине. Значение полезной теплоты равно произведению расхода пара в главной турбине на разность энтальпий пара на входе в турбину и на выходе из нее; 0ПОЛ - Ог(г1 - г2). Затраченной теплотой считается теплота, ушедшая на парообразование и перегрев пара в котле. Ее значение равно произведению паропроизводительности котла на разность энтальпий перегретого пара на выходе из котла и питательной воды на входе в него; 0ЗАТР = Ок(г1 - гпв).

Или, с учетом равенства *2 = *3 = 1ПВ ; Озатр = Ок (г1 -*2). На основании

Изложенного, выражение для КПД тепловой схемы будет иметь вид;

^ _ 0ПОЛ _ О Г ' (А ~ *2 ) _ О Г, '1 ~ *2

0-ЗАТР ОК ' (г1 _ г2 ) ОК *1 _ г2

Учитывая, что для простейшей тепловой схемы КТЭУ весь пар, выработанный котлом направляется только на главную турбину (Ог = Ок ), выражение для КПД тепловой схемы, работающей по циклу Ренкина, примет вид;

Ля

*1__ 1_2_

•Г

Ч ~ 12

В теории ПСУ с целью упрощения расчетов принимаются следующие допущения;

- полезная работа совершается только в главной турбине;

- КПД котла, главной турбины и ВМ равны 1,0 (100 %);

- отсутствуют гидравлические и тепловые потери в трубопроводах;

- площади теплообмена в теплообменных аппаратах (ТОА) равны бесконечности (идеальная теплопередача).

Тепловая схема КТЭУ со вспомогательными механизмами,

РАБОТАЮЩИМИ НА ВАКУУМ (СХЕМА «К»)

В любой котлотурбинной установке в состав обслуживающих систем входит достаточно большое количество вспомогательных механизмов, в большинстве своем имеющих турбопривод. Наиболее простым способом включения вспомогательных турбомеханизмов в тепловую схему является подача на их турбоприводы пара полных параметров, вырабатываемого главным котлом, и сброс отработавшего во вспомогательных механизмах пара в главный конденсатор (т. е. включение турбоприводов ВМ параллельно главной турбине). С точки зрения теплотехники работа тепловой схемы не зависит от количества турбоприводов, поэтому для

Упрощения схемы объединим все турбоприводы вспомогательных механизмов в один привод насоса питательной воды.

Тепловая схема КТЭУ со вспомогательными механизмами, работающими на вакуум, показана на рис. 73. Пар из котла с расходом Ок и энтальпией ^ поступает на главную турбину - Ог, и на турбоприводы вспомогательных механизмов - Овм. Из главной турбины и турбоприводов ВМ отработавший пар с энтальпией 1г сбрасывается в главный конденсатор. Конденсат с энтальпией 01 забирается насосом и подается в главный котел.

В этой тепловой схеме, благодаря наличию турбоприводов ВМ, появляется вспомогательный цикл КТЭУ. Но поскольку начальные параметры пара для главной турбины и турбоприводов ВМ одинаковы, как одинаковы и параметры отработавшего в них пара, то главный и вспомогательный циклы полностью совпадают, и ничем не отличаются от термодинамического цикла простейшей КТЭУ, работающей по циклу Ренкина.

Затраченная работа в такой установке равна QЗATp = Ок — 4) и

Соответствует теплоте, ушедшей на испарение воды и перегрев пара в паровом котле

Полезная работа цикла равна Qпoл = Ог (^ — /2) и соответствует работе, совершенной паром в главной паровой турбине.

TOC o "1-5" h z!!{'); От'р 1*1 ^2

Соответственно КПД схемы «К»; ^ — ~ ; ~

QЗATP ОК 11 ~ 12

Р - называется относительной паропроизводитель - ностъю котлов.

Отношение

О г

КПД идеального цикла Ренкина.

Учитывая вышеизложенное, КПД простейшей тепловой схемы ПСУ со вспомогательными механизмами, примет вид;

Относительная паропроизводительность котлов @ может принимать значения от 1.15 - на полных ходах, до 2.0 - на малых ходах.

Тепловая схема КТЭУ со вспомогательными механизмами,

РАБОТАЮЩИМИ НА ПРОТИВОДАВЛЕНИЕ (СХЕМА «П»)

Тепловая схема с работой вспомогательных механизмов на вакуум имеет свои недостатки. При включении ВМ в работу параллельно главной турбине в турбоприводах вспомогательных механизмов приходится срабатывать теплоперепады, равные теплоперепаду главной турбины. Это приводит к следующим явлениям;

- увеличению удельного объема пара при расширении в турбоприводах вспомогательных механизмов, и соответственно, к увеличению диаметров трубопроводов отработавшего пара и массогабаритных показателей как турбоприводов вспомогательных механизмов, так и всей КТЭУ в целом;

- снижению надежности установки из-за работы части паропроводов под давлением ниже атмосферного;

- определенным трудностям при проектировании экономичных турбин приводов вспомогательных механизмов малой мощности.

Снизить значение теплоперепадов, срабатываемых в турбинах ВМ, возможно, если заставить турбомеханизмы работать не на вакуум, а на давление выше атмосферного. С этой целью на трубопровод отработавшего пара вспомогательных механизмов устанавливают автоматический клапан, поддерживающий за турбинами приводов ВМ постоянное давление выше атмосферного - рОГР. При превышении давления в трубопроводе отработавшего пара выше заданного, клапан открывается и перепускает излишки отработавшего пара в главный конденсатор. При понижении давления клапан полностью закрывается, восстанавливая заданное значение давления. Трубопровод отработавшего пара от турбоприводов ВМ до автоматического клапана называют системой отработавшего пара вспомогательных механизмов, а сам

Тепловая схема и термодинамический цикл КТЭУ с ВМ, работающими на противодавление (схема «П»),

КИ - клапан излишков; рОТР - давление в системе отработавшего пара ВМ;

Главный цикл КТЭУ: 1 - 2 - 2'- 3 - 4 - 5 - 1;

Вспомогательный цикл КТЭУ: 1 - 2вм - g - к - 2' - 3 - 4 - 5 - 1,

Клапан - клапаном излишков отработавшего пара, При перепуске излишков пара в главный конденсатор через клапан излишков, в нем происходит процесс дросселирования пара от давления в системе отработавшего пара рОТР, до давления в главном конденсаторе - рк, В главном конденсаторе пар вспомогательных механизмов смешивается с паром главной турбины, охлаждается и конденсируется, Конденсат, образовавшийся из пара главной турбины и пара ВМ, забирается насосом и подается в главный котел, В итоге в турбоприводах ВМ срабатывается теплоперепад, соответствующий процессу 1 - 2 вм, а в главной турбине -

Соответствующий процессу 1 - 2,

Главный	Цикл КТЭУ состоит из термодинамических процессов:
1 - 2 -	Расширение пара в главной турбине до давления в главном
	Конденсаторе - рк;
2 - 2' -	Конденсация пара главной турбины в главном конденсаторе;
- Т 1	Сжатие конденсата в насосе;
- 1 Т	Подогрев питательной воды до температуры кипения в котле;
- 1	Испарение воды в котле;
5 -1 -	Перегрев пара в пароперегревателе котла;

К вспомогательному циклу КТЭУ относятся следующие процессы: 1 - 2 - 1 2 ВМ Расширение пара в турбоприводах ВМ до давления в Системе отработавшего пара - рОТР; 2 ВМ ~ § — Дросселирование отработавшего пара в клапане излишков до Давления в главном конденсаторе (изоэнтальпный процесс); § - к - Охлаждение отработавшего пара ВМ в главном конденсаторе До температуры насыщения; К - 2' - Конденсация отработавшего пара ВМ в главном Конденсаторе; 2З - Сжатие конденсата в насосе; З - 4 - Подогрев питательной воды до температуры кипения в Котле; 4 - 5 - Испарение воды в котле; 5 -1 - Перегрев пара в пароперегревателе котла.

Применение в тепловых схемах турбоприводов ВМ, работающих на вакуум или на противодавление, приводит к дополнительным потерям теплоты в цикле КТЭУ, и дополнительным затратам топлива в котле на генерирование пара для работы вспомогательных механизмов. По этой причине КПД любого цикла КТЭУ со вспомогательными механизмами всегда меньше КПД цикла Ренкина.

Работа вспомогательных механизмов на противодавление приводит к дополнительным потерям тепла во вспомогательном цикле:

= П + = О ВМ 0*2 ВМ ~ *2 ) + ОВМ {*2 ВМ ~ *2 )

Абп - потеря тепла по пару Абв - потеря тепла по воде

Вывод КПД цикла с ВМ, работающими на противодавление:

КПД цикла ПСУ: 77 = ^-, но в = — = °г + °вм = 1 +

Р Ог вг вг

ЗбООЕ#.

*1 *2 ВМ

Расход пара на вспом. механизмы: Овм =

^ ЗбОО#

Расход пара на главные механизмы: &г = [

*1 *2

Отсюда: Р = 1 + ^еВМ • '* , * = р = 1 + а--' *2

^е *1 *2 ВМ *1 *2 ВМ

N

ЕВМ

Где : а —--- относительная мощность вспомогательных

Ne механизмов.

Рассмотрим дробь: —1 —

Ч *2 вм

Умножим числитель и знаменатель дроби на {і1 — Ґ2 )(/- — Ґ2вм )

*1 _ г2 (г1 _ *2 К*! _ г2ВМ ) _ ~ г2 *1 ~ г2 *1 ~ г2

2 ВМ

2 ВМ

Г1 г2ВМ (/'і *2 К*! г2ВМ) г1 г2 г1 г2ВМ *1 *

В этой дроби: і

Кохл

Где: Лявм

Кохл - коэффициент охлаждения, показывающий относительное

Увеличение затрат тепла в котле на 1 кг пара, работающего во вспомогательных механизмах;

'Пв. вм - КПД цикла Ренкина для вспомогательных механизмов.

С учетом изложенного КПД ПСУ, выполненной по «Схеме П» выглядит:

Чп =------------ ^-----------

1 + аКохл - Ъ - Лявм

Таким образом, появление в схеме клапана излишков КИ привело к

Л Появлению Кохл, связанного с потерей - AQB и ——, связанного с

_Лж_

Лквм

П

Потерей AQ