Конденсационные паротурбинные установки.

Схема работы конденсационной турбины показана на рис. 4.1. Свежий пар вырабатывается в котельном агрегате 1, там же перегревается и по паропроводу 2 подаётся на турбину 3. В турбине кинетическая энергия пара превращается в механическую работу вращения ротора, который расположен на одном валу с электрогенератором 4. Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор 5, в котором охлаждается до жидкого состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой, взятой из пруда-охладителя градирни 6 или из специального водоёма. Циркуляционная вода прокачивается по трубам конденсатора пара специальным водяным насосом. Конденсат по трубопроводу при помощи насоса 7 направляется обратно в котельный агрегат 1 через специальный подогреватель воды.

Часть энергии, полученной паром в котле от сгорающего топлива, используется в турбине для генерации электрического тока, подаваемого через подстанцию в энергосистему. Оставшаяся часть энергии пара отводится во внешнюю среду циркуляционной водой, охлаждающей конденсат в конденсаторе пара. Как показывают расчёты и практика, при этом теряется около 60% теплоты сгорания топлива, что, собственно, и определяет термодинамическую эффективность ПТУ.

Для заполнения рабочего контура ПТУ водой и для компенсации её утечек из системы служит узел подготовки воды 8, включающий установки для её механической очистки и удаления солей, снижающих эффективность работы ПТУ.

Электроэнергия, вырабатываемая генератором 4, через подстанцию подаётся в сеть глобальной системы электроснабжения.

Перегрев пара перед турбиной и подогрев питательной воды перед подачей её в котёл повышают термодинамическую эффективность паротурбинной установки.

Принципиальное содержание или схему термодинамического цикла ПТУ принято анализировать с использованием T,s – диаграммы процессов преобразования теплоты пара в работу с использованием паровой турбины [1,4]. Цикл турбины с полной конденсацией отработанного пара предложил шотландский инженер У. Ренкин в 50-х годах XIX века.

T,s – диаграмма цикла Ренкина показана на рис. 4.2. Диаграмма построена на основе пограничной кривой фазового перехода воды, изображённой на схеме тонкой линией. Здесь левая ветвь пограничной кривой является кривой кипения, правая – кривой конденсации. Ветви имеют общую точку К в максимуме температуры, в которой реализуются критические параметры состояния вещества, для воды Т_к = 374,15 ⁰С и р_к = 22,5 МПа. Штриховой линией, исходящей из точки К, показана кривая постоянной степени сухости пара x = const, характеризующая наличие конденсированной фазы воды в состоянии влажного пара. Соответственно x = 0 на линии кипения, т.е. агрегатное состояние воды при этих параметрах насыщения Т_н(р_н) жидкое, на кривой конденсации x = 1, состояние воды соответствует сухому (без жидкости) насыщенному пару. В промежуточных состояниях воды между кривыми кипения и конденсации её состояние двухфазное, состоящее из различных долей жидкости и пара.

Параметры пара перед турбиной (или на выходе из пароперегревателя) соответствуют точке 1, пар имеет температуру перегрева Т₁, которая больше температуры насыщения, соответствующей давлению р₁, т.е. Т₁ > Т_н(р₁). Это состояние соответствует его максимальному теплосодержанию h₀, определяющему теплоперепад на турбине. Рабочий процесс пара в идеальной турбине показан адиабатой 1-2, что соответствует располагаемому (или адиабатному) теплоперепаду на турбине h_тs = h₀ – h_2s (глава 3). Отработанный пар с параметрами 2 направляется из турбины в конденсатор, в специальный теплообменник, где при температуре Т₂ в изобарно-изотермическом процессе 2-3 от него отводится теплота до состояния полной конденсации. Холодным теплоносителем является циркуляционная вода, прокачиваемая через трубы конденсатора специальным насосом.

Из состояния 3 конденсат подаётся водяным насосом с повышением его давления от давления в конденсаторе р₂ до давления в котле р₁. Поверхность на диаграмме левее адиабаты 3-3^/ характеризует работу, затрачиваемую питательным насосом на повышение давления конденсата. Так как эта работа мала по сравнению с работой турбины, а на диаграмме изобары жидкости практически сливаются в линию, совпадающую с линией кипения 3-4, то точки 3 и 3^/ на диаграмме практически совпадают [4].

В котле питательная вода в процессе 3-4 при постоянном давлении р₁ = const подогревается до кипения, и при дальнейшем подводе теплоты происходит процесс парообразования в изобарно-изотермическом процессе фазового перехода 4-5. Сухой насыщенный пар с параметрами 5 поступает в теплообменник-пароперегреватель, в котором в изобарном процессе нагрева его температура повышается до заданного значения Т₁. Тем самым цикл рабочего тела с фазовым переходом воды, осуществляющийся в ПТУ, замыкается.

В ходе цикла ПТУ к её рабочему телу подводится теплота подогрева в процессе 3-4, теплота фазового перехода (теплота испарения) в процессе 4-5, теплота перегрева пара в процессе 5-1. От цикла отводится теплота фазового перехода (теплота конденсации равна теплоте испарения) в процессе 2-3, и цикл совершает работу адиабатного расширения пара в процессе 1-2. Термодинамическая эффективность цикла определяется, как и для любой тепловой машины, отношением произведённой работы к теплоте, подведённой к циклу [1].

Циклы энергетических систем для удобства их понимания принято изображать в виде условных схем. Условная схема паросиловой установки с перегревом пара, работающая по циклу, изображённому на рис. 4.2, приведена на рис. 4.3. Поток перегретого пара совершает в турбине 1 механическую работу, направленную на привод потребителя П. Отработанный пар из турбины подаётся в конденсатор 2, где конденсируется, отдавая свою теплоту охлаждающей воде, подаваемой из внешней среды. Образовавшийся конденсат питательным насосом 3 подаётся в котёл 4, из которого сухой насыщенный пар поступает в пароперегреватель 5, где его температура существенно повышается вне зависимости от давления. Из пароперегревателя пар вновь направляется в турбину 1.

Циклы конденсационных турбин осуществляются при минимальном давлении в её конденсаторе (р₂ < 0,05 ата). Практически полное использование энергии пара, полученной им в паровом котле с перегревателем (переработка максимального теплоперепада) и малая работа сжатия воды (тысячные доли по сравнению с работой турбины) является важным преимуществом цикла конденсационной ТЭС – основного цикла энергетических ПТУ, применяемых в современной теплоэнергетике [4].

При одном и том же значении начальных параметров пара (р₁ и Т₁) снижение давления р₂ в конденсаторе будет приводить к увеличению кпд цикла. Так как давление в двухфазной области однозначно связано с температурой, уменьшение р₂ означает уменьшение температуры Т₂ отвода теплоты в цикле; следовательно, температурный интервал цикла расширяется и термический кпд повышается [1,4].

В современных установках давление в конденсаторе р₂ определяется температурой охлаждающей воды и равно 3,5 – 4 кПа; давлению 4 кПа соответствует температура насыщения Т₂ = 28,6 ⁰С [4]. Дальнейшее снижение давления нецелесообразно, во-первых, потому, что при более глубоком разрежении возрастает удельный объем пара, поступающего из турбины в конденсатор, вследствие чего размеры конденсатора и последних ступеней турбины существенно увеличиваются (глава 2). Во-вторых, при более глубоком разрежении температура влажного пара в конденсаторе получается более низкой, из-за чего разность температур конденсирующего пара и омывающей конденсатор охлаждающей воды становится слишком малой, что ведет к увеличению размеров конденсатора [3].

Циклы теплофикационных турбин отличаются повышенным давлением пара на выходе из турбины (р₂ > 1,0 ата). Такой режим работы турбины называют работой с противодавлением.

Таким образом, в многоступенчатой схеме преобразования энергии сгорания топлива в электроэнергию паровая турбина занимает промежуточное положение, преобразуя тепловую энергию пара, приобретённую им в паровом котле, в механическую работу на привод электрогенератора.

Работа турбины по мощности и частоте вращения вала жёстко связана с параметрами электрогенератора. Частота f вырабатываемого электрического тока и частота вращения п ротора турбины связаны соотношением

f = (m/2)/(n/60), Гц,

где т – число магнитных полюсов электрогенератора.

В России принята частота переменного тока f = 50 Гц, поэтому при использовании 2х-полюсных генераторов необходимая частота вращения вала турбины составляет п = 3000 об/мин. На АЭС применяют также турбины при п = 1500 об/мин, что требует применение специальных 4х-полюсных электрогенераторов.

 

Теплофикационные паротурбинные установки.

Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с противодавлением (давление пара на выходе из турбины, в отличие от конденсационных турбин, повышенное, порядка атмосферного), с регулируемым отбором пара из ступеней турбины, а также с отбором и противодавлением.

В конденсационных установках, которые вырабатывают только электрическую энергию, пар, поступающий из котла, отрабатывает всю свою энергию на турбине. Отработавший пар затем конденсируется охлаждающей (циркуляционной) водой, которая при этом нагревается до 20..30 ⁰С и уносит с собой огромное количество теплоты. Однако эта теплота не может быть использована как источник энергии вследствие низкой температуры циркуляционной воды. Эти потери теплоты с охлаждающей водой составляют в конденсационных установках до 60% теплоты, выделяющейся при сгорании топлива.

Если использовать в качестве генераторов пара установки раздельной выработки теплоты (например, сугубо отопительные котельные установки), как правило, реализуются сравнительно невысокие параметры, как по давлению, так и по температуре рабочего тела. Так как термодинамическая эффективность установок при этом невысока, топливо расходуется весьма неэффективно.

Энергетические установки, в которых осуществляется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии, называются теплофикационными или электроцентралями (ТЭЦ).

В теплофикационных ТЭЦ реализуется стремление к максимальному использованию теплоты сгорания топлива. В отличие от конденсационных ТЭС, в теплофикационных циклах паровых турбин на выработку электроэнергии направляется лишь часть теплоперепада пара, так как пар в турбине расширяется не полностью, не до минимального давления на выходе из турбины, а только до заданного значения. Оставшаяся часть тепловой энергии пара направляется на нужды теплофикации, т.е. на снабжение потребителей теплотой (отопительные системы и технологическое использование мятого пара с незначительными параметрами состояния).

Если использовать в качестве генераторов пара установки раздельной выработки теплоты (например, сугубо отопительные котельные установки), как правило, реализуются сравнительно невысокие параметры, как по давлению, так и по температуре рабочего тела. Так как термодинамическая эффективность установок при этом невысока, топливо расходуется весьма неэффективно.

Физическая схема работы теплофикационной турбины показана на рис. 4.1 совместно с конденсационным циклом добавкой штриховой линии отбора пара из цилиндров среднего давления 9 на нужды теплофикации. Технологический пар направляется в теплофикационный узел 10 для подогрева сетевой воды 11, откуда возвращается в котёл специальным насосом.. Отработанный оставшийся в турбине пар из её последней ступени попадает в конденсатор 5, конденсат по трубопроводу направляется обратно в котельный агрегат при помощи насоса 7. В этом случае большая часть теплоты, полученной паром в котле, используется для подогрева сетевой воды.

Конструктивно турбина с противодавлением отличается от конденсационной турбины только отсутствием ступеней, работающих в области низких давлений.

Как правило, для турбин теплофикационных схем нет нужды перегревать пар до максимально высокой температуры, тем более использовать методы повышения их термодинамической эффективности. Их цель – производство большого количества теплоты для нужд теплофикации, получение электроэнергии является сопутствующей, вторичной задачей.

Выигрыш экономичности ТЭЦ пропорционален объёму электроэнергии, выработанной турбиной с противодавлением.

 

2.2.3. Паротурбинные установки атомных электростанций

 

Атомная электростанция (АЭС) – установка для производства электроэнергии с использованием ядерной энергии, выделяющейся в специальном реакторе (существенным также может быть использование тепловой энергии для нужд теплофикации производства и быта) [4].