Тепловые и атомные электрические станции

Глава четвертая. ПАРАМЕТРЫ ПАРОВОГО ЦИКЛА ЭЛЕК-
ТРОСТАНЦИЙ. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ НА ТЕПЛОВУЮ
ЭКОНОМИЧНОСТЬ УСТАНОВКИ

4.1. ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ТЕПЛОВУЮ
ЭКОНОМИЧНОСТЬ ЦИКЛА

При увеличении начальной температуры пара перед турбиной

(при прочих равных условиях) средний температурный уровень подвода
теплоты в цикле увеличивается и, следовательно, термический КПД не-
прерывно возрастает.

Электростанции на органическом топливе всегда работают на пе-

регретом паре; на АЭС применяется как перегретый пар, так и насы-
щенный.

Температура перегретого пара

может изменяться при постоян-

ном давлении

, и при этом представляется возможным проследить

влияние этого параметра в чистом виде; для насыщенного пара, очевид-
но, можно говорить только о совместном влиянии температуры и давле-
ния.

На рис. 4.1 приведена зависимость термического КПД

, идеаль-

ного парового цикла Ренкина от

t для насыщенного и перегретого па-

ра. Для перегретого пара зависимости

( )

f t

построены для различ-

ных значений

P . Как и следовало ожидать, с возрастанием температу-

ры перегрева (при

const

) КПД непрерывно растет. Для насыщенно-

го пара увеличение

, происходит только до давления пара, равного

примерно 16,5 МПа (до 350

≈

°С). При дальнейшем росте параметров

насыщенного пара КПД даже падает. Это связано с тем, что (как будет
показано ниже) влияние давления на термический КПД цикла неодно-
значно.

Повышение начальной температуры приводит также к уменьше-

нию влажности пара на выходе из турбины. Вследствие этого снижают-
ся  потери  в  проточной  части  турбины  и  улучшаются  условия  работы
лопаток.  Содержащаяся  в  паровом  потоке  влага  вызывает  эрозийный
износ  лопаток.  Для  предотвращения  заметного  износа  и  обеспечения
нормального срока службы проточной части турбины (не менее 10 лет)
влажность пара должна быть не выше 14 %.

Покидающий проточную часть турбины пар должен быть непере-

гретым; когда в конденсатор поступает перегретый пар, потери теплоты
в нем увеличиваются, а полезная работа цикла уменьшается (по сравне-
нию с циклом Ренкина, при котором для тех же значений начальных и
конечных параметров в конденсатор поступает сухой насыщенный или
влажный пар).

Рис. 4.1. Зависимость

, иде-

ального теплового цикла Рен-
кина от начальной темпера-
туры пара

Из сказанного следует, что при работе на перегретом паре жела-

тельно повышать начальную температуру

. Однако максимальное до-

пустимое значение

зависит от свойств металлов теплопередающих

поверхностей оборудования. Для сталей перлитного класса наивысшая
температура (

, которая может быть достигнута без появления разру-

шений в условиях длительной эксплуатации, равна примерно 540 °С,
для сталей аустенитного класса – 600÷650 °С.

Как уже отмечалось ранее, влияние начального давления

на

неоднозначно. При одном и том же значении первоначально с ростом

адиабатический (располагаемый) перепад

увеличивается, а затем

после определенного значения

0 max

начинает уменьшаться (рис. 4.2).

Так как

(

)

H q

то очевидно, что, до тех пор пока

H с ростом

P увеличивается,

растет, так как потери теплоты

в конденсаторе непрерывно сни-

жаются. Однако с дальнейшим увеличением

P , когда

H начинает

уменьшаться, изменение

, зависит от того, как меняется отношение

q H

Рис. 4.2. К установлению
зависимости адиабатиче-
ского перепада энтальпии

от начального давле-

ния

(

const

)

Как видно из выражения

(

)

1/ 1

q H

максимальное значение термического КПД устанавливается, когда

отношение

q H

достигает наименьшего значения. В этих условиях

(

)

(

)

(

)

d H q

q dH ds

H dq ds

−

или

dH H

dq dq

т.е. с изменением начального давления

P при постоянной темпе-

ратуре

наибольшее значение

устанавливается в условиях, когда

относительное уменьшение располагаемого теплоперепада становится
равным относительному уменьшению потерь в конденсаторе. Как видно
из рис. 4.3, для

= 400 °С увеличение давления начиная с 20 МПа уже

не дает заметного положительного эффекта; для давлений выше 30 МПа

, понижается. При более высоких значениях

переход через макси-

мум на кривых

( )

f P наступает при больших начальных давлениях.

Тепловая экономичность установки зависит не только от

, но и

от коэффициентов, оценивающих потери в турбине, генераторе, трубо-
проводах и др. В свою очередь, внутренний относительный КПД

за-

висит от параметров установки и конечной влажности пара. С возраста-

нием начальной температуры

увеличивается, а с ростом давления,

наоборот, уменьшается. Это приводит к тому, что давление

P , при ко-

тором устанавливается наибольшее значение внутреннего абсолютного
КПД

, ниже определяемого по рис. 4.3 (по максимуму

). Влияние

на

проявляется сильнее при меньших пропусках пара через

турбину, вследствие чего при прочих равных условиях предельные зна-
чения

P для турбин большей мощности выше.

Рис. 4.3. Зависимость терми-
ческого КПД

от начально-

го давления

при различ-

ных начальных температу-
рах

(

0,004

МПа)

С увеличением давления при одном и том же значении

конеч-

ная влажность пара возрастает (см. рис. 4.2). Поэтому другим фактором,
ограничивающим увеличение начального давления пара при выбранной
начальной температуре

t (для циклов без промежуточного перегрева),

является допустимая влажность пара на выходе из турбины, которая,
как уже отмечалось, должна быть не выше 14 %. Так как увеличение
температуры

t приводит к уменьшению влажности пара

, а увеличе-

ние давления – к ее повышению, то очевидно, что возможно такое со-
вместное изменение этих величин, при котором конечная влажность па-
ра будет оставаться одной и той же (рис. 4.4, а).

Рис. 4.4. К определению сопряженных начальных параметров пара:
а – рабочий процесс пара в турбине при различных сопряженных начальных пара-
метрах пара;
б – зависимость между

при постоянной конечной влажности

(

0,004

МПа)

Начальные давление и температура, обеспечивающие одно и то же

значение конечной влажности пара, называют

сопряженными началь-

ными параметрами

. Обычно рассматривают сопряженные начальные

параметры, обеспечивающие одну и ту же конечную влажность для
принятого конечного давления и значений

, характерных для турбин

рассматриваемых типа и мощности. Типичная кривая, устанавливающая
изменение сопряженных параметров, приведена на рис. 3.4, б (для

%). При применении перегретого пара с начальной температу-

рой не выше 540 °С в циклах без промежуточного перегрева пара пре-
дельно допустимая конечная влажность пара достигается при давлениях

P = 13÷14 МПа.

В нашей стране на конденсационных электростанциях, работаю-

щих на органическом топливе, при давлениях до 8,8 МПа и температу-
рах до 535 °С, промежуточный перегрев не применяется. Максимальная
мощность турбоагрегатов на таких станциях достигает 100 МВт. По
циклу без промежуточного перегрева на близких к этим значениям на-
чальных параметрах работают также первые два блока Белоярской АЭС
им. И.В. Курчатова. Мощность одного из них составляет 100, другого
200 МВт. Однако в обоих случаях применены турбины мощностью 100

МВт, но на первой установке реактор работает в блоке с одним турбоаг-
регатом, на второй – с двумя.

На ТЭЦ цикл без промежуточного перегрева применяется на уста-

новках с начальным давлением 12,7 МПа и начальной температурой 540
°С и при более низких начальных параметрах. Наибольшая номинальная
мощность таких установок с регулируемыми теплофикационными от-
борами составляет 175 МВт, с промышленными и теплофикационными
отборами – 135 МВт.

4.2. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ПЕРЕГРЕВ В ЦИКЛАХ ПЕРЕГРЕТОГО
ПАРА

В процессе расширения пара в турбине его параметры понижают-

ся. Рассматривая цикл простейшей паротурбинной конденсационной ус-
тановки, легко заметить, что ее термический КПД возрастет, если в на-
чале процесса адиабатического расширения температуру пара периоди-
чески повышать. Действительно, когда температура пара восстанавли-
вается до первоначального значения после того, как в турбине исполь-
зован небольшой перепад

, к первоначальному циклу Ренкина до-

бавляется цикл, КПД которого близок КПД цикла Карно для температу-
ры подвода теплоты

′ (близкой к

) и температуры в конденсаторе

(рис. 4.5). Термический КПД дополнительного цикла в этих условиях
выше КПД исходного цикла, и тепловая экономичность установки
должна возрасти.

Рис. 4.5.

T s

-диаграмма

для  идеального  цикла  с
периодическим  (ступенча-
тым)  перегревом  пара  в
начале  процесса  расшире-
ния

Для осуществления процесса, изображенного на рис. 4.5, необхо-

димо паровой поток неоднократно выводить из турбины и после повы-
шения  его  температуры  вновь  вводить  в  турбину.  Осуществить  такой
процесс в чистом виде практически невозможно. В промышленных ус-
тановках  пар  перегревается  после  расширения  в  нескольких  ступенях.
Такой промежуточный перегрев осуществляется обычно один раз. Про-
межуточный  перегрев  усложняет  установку  и  требует  дополнительных
капитальных затрат, которые при двукратном перегреве, конечно, выше,
чем при однократном. Поэтому двойной промежуточный перегрев пара
в настоящее время на отечественных ТЭС не применяется.

Промежуточный перегрев может осуществляться различными ме-

тодами. Однако на электростанциях с органическим топливом применя-
ется исключительно газовый промежуточный перегрев, при котором пар
после части высокого давления (ЧВД) турбины получает перегрев в па-
роперегревателе, расположенном в газоходах котла.

Промежуточный перегрев понижает конечную влажность пара

Первоначально  при  высоком  давлении  промежуточный  перегрев  при-
менялся  только  в  этих  целях.  В  настоящее  время  основное  назначение
промежуточного  перегрева – повышение  тепловой  и  общей  экономич-
ности установки. Однако следует иметь в виду, что для значений

t , до-

пустимых для сталей перлитного класса (до 540 °С), когда

P > 13÷14

МПа, в схемах без промежуточного перегрева

выше допустимых

значений (если не предусмотрены другие методы снижения влажности
пара в турбине).

Однократный промежуточный перегрев повышает показатели те-

пловой экономичности цикла на 6÷8 %. Применение двойного проме-
жуточного перегрева при сверхкритических параметрах пара повышает
тепловую экономичность еще на 1,5÷2 %.

При проектировании установок с промежуточным перегревом па-

ра необходимо предотвратить возможность разгона турбины паром кон-
тура  промежуточного  пароперегревателя  при  полном  отключении  на-
грузки. В этих условиях прекращается подача на турбину свежего пара
(стопорный  клапан  перед  турбиной  закрывается),  но  пар  из  промежу-
точного перегревателя продолжает поступать и (из-за отключения элек-
трической  нагрузки)  турбина  может  разгоняться.  Чтобы  устранить
опасность возникновения такого режима, на линии от промежуточного
пароперегревателя  до  турбины  устанавливают  отсечно-перепускное
устройство, которое перепускает поток пара в конденсатор, когда часто-
та вращения ротора становится выше допустимой. Для того чтобы пре-
дотвратить чрезмерный разогрев корпуса конденсатора при сбросе в не-
го пара из линий промежуточного перегрева, в поток пара впрыскивает-
ся конденсат.

Температуру пара после промежуточного перегревателя

п п

t обыч-

но выбирают близкой к начальной температуре пара или равной ей.
Давление

п п

, при котором пар отводится в промежуточный перегрева-

тель, выбирают на основе анализа цикла и схемы установки.

Рассмотрим, как влияет давление

п п

на тепловую экономичность

установки при выбранных начальных и конечных условиях.

На рис. 4.7 приведен рабочий процесс пара в турбине для про-

стейшей паротурбинной установки (когда нет отборов пара на регенера-
тивный подогрев питательной воды или для теплового потребителя),
работающей по циклу с промежуточным перегревом пара и без него.
Внутренний абсолютный КПД в обоих случаях определяется по форму-
ле:

где

H – общий (используемый) теплоперепад, рассчитанный на 1

кг пара, подведенного к турбине;

– общее количество теплоты, за-

траченное на образование этого пара.

Тепловые и атомные электрические станции - часть 9