Цикл Ренкина паросиловой установки: состав, диаграмма, термический КПД

Работа паротурбинной установки (ПТУ), как и любого другого теплового двигателя, основана на преобразовании энергии в соответствии с тепловым циклом. По циклу Ренкина работают паросиловые установки (ПСУ). В статье рассмотрена схема паросиловой установки, из каких процессов состоит цикл Ренкина в ts и hs диаграммах и их разновидности.

Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина

Простейшая схема паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, изображена на рисунке ниже.

Схема состоит из:

Парового котла (на ТЭС) или парогенератора (на АЭС), предназначенного для подогрева, испарения воды и перегрева пара. Котел состоит из трёх компонентов:

• Экономайзер ЭК – для подогрева воды;
• Парогенератор ПГ – для испарения воды;
• Пароперегреватель ПП – для перегрева пара выше температуры насыщения (кипения).

Важно заметить:

• На ТЭС используется пар в перегретом относительно температуры насыщения состоянии.
• На АЭС используется насыщенный водяной пар.

Паровая турбина Т – предназначена для получения полезной работы в цикле за счет расширения пара на лопатках.

Конденсатор К – служит для преобразования отработавшего в турбине пара обратно в жидкое состояние – воду.

Питательный насос ПН – повышает давление воды, затрачивая работу. Испарение воды с повышенным давлением позволяет получить водяной пар высокой работоспособности.

Из каких процессов состоит цикл Ренкина

Цикл Ренкина состоит из следующих процессов:

1. Адиабатный процесс расширения пара в паровой турбине Т (процесс e-f). Как видно из t-s диаграммы, адиабатный процесс протекает без увеличения энтропии s, это означает, что данный процесс идеальный, без теплообмена с окружающей средой. Рабочее тело в точке f находится в состоянии влажного насыщенного пара, о чем свидетельствует ее расположение ниже кривой насыщения x=1.
2. Процесс конденсации водяного пара в конденсаторе К (процесс f-а′). Данный процесс представляет собой изотермический процесс отвода теплоты конденсации q₂ отработавшего водяного пара в окружающую среду. Количество отведенной теплоты равняется площади фигуры 1a′f2. Заканчивается процесс в точке а′, расположенной на кривой насыщения х=0 (жидкость в состоянии насыщения).
3. Процесс сжатия (подъема давления) воды в питательном насосе ПН котла. Данный процесс а′-а адиабатный. На подъем давления воды затрачивается работа L_н.
4. Процесс нагрева питательной воды а-b в экономайзере парогенератора ЭК до состояния насыщения.
5. Изотермический процесс b-c испарения котловой воды в экранных трубах парогенератора ПГ (котла). В результате данного процесса не происходит изменения температуры рабочего тела, а лишь осуществляется подвод теплоты на преобразование воды в пар. При этом, количество затрачиваемой теплоты будет зависеть от давления в ПГ. Заканчивается процесс в точке с, расположенной на кривой насыщения х=1, где рабочее тело находится в состоянии сухого насыщенного пара.
6. Процесс перегрева водяного пара c-e относительно температуры насыщения. Данный процесс протекает при постоянном давлении в пароперегревателе ПП парогенератора.

Термический КПД цикла Ренкина

Теплота подводится в течение процессов abce. Количество теплоты, подведённое в цикле:

где h_e,h₀ – энтальпия пара в точке e, или энтальпия свежего (острого) пара, кДж/кг;

h_a,h_пв  – энтальпия воды в точке а процесса, или энтальпия питательной воды, кДж/кг.

Отвод теплоты осуществляется в процессе f-а′. Количество отводимой теплоты определяется по формуле:

где h_f,h_a’ – энтальпия пара в точке е, или энтальпия отработавшего в турбине пара, кДж/кг;

h«_к,h”_к – энтальпия воды в точке а, или энтальпия основного конденсата на выходе из конденсатора, кДж/кг.

Полезная теоретическая работа определяется как разность подведенного и отведенного количества теплоты:

При этом:

L_т=h₀-h”_к– работа пара в турбине;

L_пн=h_пв—h’_к – работа на повышение давления воды в питательном насосе.

Энергетическая эффективность цикла оценивается его термическим КПД:

Силовым агрегатом в данной схеме является паровая турбина.

Паровая турбина – это двигатель, в котором происходит преобразование потенциальной энергии пара в механическую работу вращающегося ротора. Это работа по преодолению силы сопротивления приводимой машины, в случае паровых турбин ТЭС и АЭС – электрогенератора.

Цикл Ренкина в ts диаграмме

Наиболее частое представление термодинамических циклов реализовано в ts координатах. Циклы, в этих координатах, удобны для понимания процессов и их анализа. Например, цикл Карно, состоящий из двух адиабат и двух изотерм, выглядит в ts диаграмме в виде прямоугольника.

Цикл Ренкина в ts диаграмме показан на рисунке ниже.

Цикл Ренкина в hs диаграмме

Второй вариант представления термодинамических циклов – изображение в hs координатах.

h – энтальпия, кДж/кг

s – энтропия, кДж/(кг*К)

t – температура, °С

На практике в hs диаграмме изображают не весь цикл Ренкина, а только его одну часть. Наиболее важным и интересным в представлении в hs координатах является процесс расширения пара, протекающий в паровой турбине ТЭС и АЭС.

Процесс расширения пара в hs диаграмме дает полное представление о процессе, его энергетической эффективности и состоянии рабочего тела в любой точке.

Разновидности цикла Ренкина

Выше были рассмотрен классический цикл Ренкина на перегретом водяном паре и входящие в него процессы. Однако, в современных тепловых и атомных электростанциях цикл Ренкина применяется с некоторыми изменениями, такими как:

• Промежуточный перегрев
• Сверхкритические параметры пара
• Регенерация
• Комбинация с циклом Брайтона для газотурбинных установок

С промежуточным перегревом пара

Увеличить термический КПД цикла возможно с помощью промежуточного перегрева пара. Перегретый пар после котла поступает в цилиндр высокого давления (ЦВД) паровой турбины. В нем пар расширяется и совершает работу. После ЦВД основная часть пара направляется в промежуточный пароперегреватель парового котла. В промежуточном пароперегревателе водяной пар снова перегревается до высокой температуры. Затем, вторично перегретый пар направляется снова в турбину в цилиндр среднего и низкого давления (ЦСД и ЦНД).

Кроме повышения КПД цикла, промежуточный перегрев позволяет уменьшить влажность пара, то есть долю капелек воды, в конце процесса расширения на последних ступенях паровой турбины. Это повышает экономичность и надежность электростанции.

На сверхкритических параметрах пара

Следующим способом повышения мощности и КПД паросиловой установки является переход на сверхкритические параметры пара. Давление воды в питательном насосе увеличивают, превышая критическое для воды 22,064 МПа, 221,15 бар, 217,75 атм. Испарение воды при таком давлении протекает без изотермического процесса кипения. Вода превращается в пар минуя процесс кипения в прямоточных котлах сверхкритического давления. Цикл Ренкина на сверхкритических параметрах с промежуточным перегревом пара выглядит следующим образом.

Читайте также: Тепловой насос: виды, схема и принцип работы

С регенерацией

Следующий способ повышения КПД паросиловой установки заключается в применении регенерации – нагрева питательной воды за счет частичного использования тепла пара из турбины. Термический КПД повышается вследствие двух причин:

1. Увеличивается средняя температура подвода тепла
2. Уменьшается доля теплоты отводимая в окружающую среду в конденсаторе

Цикл Брайтона-Ренкина

Одним из недостатков классического цикла Ренкина является относительно низкая температура подвода тепла. В современных паросиловых установках она достигает 650°С. Повысить среднюю температуру подвода тепла и термический КПД можно путем дополнения циклом Брайтона для газотурбинных установок. В цикле Брайтона температура подвода тепла достигает 1000-1100°С. В итоге образуется комбинированный цикл Брайтона-Ренкина. Основные процессы:

• 1-2 — сжатие воздуха в компрессоре;
• 2-3 — подвод тепла к рабочему телу (сжигание газа в камере сгорания);
• 3-4 — расширение газов в газовой турбине, совершение работы;
• 4-5 — охлаждение газов в котле утилизаторе.

Последние научные разработки в области термодинамических циклов посвящены Органическому циклу Ренкина