Цикла Ранкина

При идеальном протекании всех процессов, как показано на рис. 2.4, энергетические показатели цикла на 1 кг перегретого пара определяются следующими соотношениями.

Из диаграммы (T,s) следует, что теплота подводится к рабочему телу в процессах (4–5–1), у которых энтропия возрастает (ds > 0) при постоянстве давления P₁ = const.

Подводимая к рабочему телу теплота, как это следует из диаграммы (h,s) на рис. 2.4,

Q₁ = h₁ – h₄ , Дж .

Теплота отводится от рабочего тела в процессе (2–3), когда энтропия падает (ds < 0) при постоянстве давления P₂ = const. Отсюда

Q₂ = h₂ – h₃ , Дж_.

Работа сжатия воды в насосе

, Дж.

Разность между подведенной Q₁ и отведенной Q₂ теплотой представляет собой теплоту цикла, превращенного в работу:

Как следует из диаграммы (h,s) на рис. 2.4, разность энтальпии на участке (3–4) работы насоса (работа A₃₄) ничтожно мала, и при расчете работы (теплоты) цикла ею можно пренебречь.

Теоретический КПД турбины и термический КПД цикла Ранкина определяется отношением полезной работы к затраченной теплоте:

.

Для цикла на насыщенном паре используются аналогичные соотношения, в которых точка 1 диаграммы (h,s) заменена точкой 5 с координатами s₅, h₅, а точка 2 заменена точкой пересечения равновесной прямой s₅ = const с изобарой (2–3) P₂ = const. Граница насыщенного и перегретого пара, соответствующая области кипения рабочего тела, обозначена на диаграммах рис. 2.4 буквой K.

Реальный КПД цикла Ранкина с насыщенным паром составляет 0,29–0,36, а с перегретым паром – 0,34–0,46. Низкий КПД паросиловой установки, работающей по циклу Ранкина, обусловлен тем, что вода в отличие от газа и пара является менее совершенным носителем тепла. Отсюда цикл Ранкина слабо заполняет площадь внутри цикла Карно (см. рис. 2.2 и 2.4).

Кроме того, фактический КПД турбины и термический КПД цикла Ранкина будут меньше теоретического, определенного по выражению(2.11), по ряду причин. Во–первых, в реальных турбинах работа, совершаемая паром, равна действительному теплоперепаду, который меньше адиабатного из–за необратимости процесса расширения. Во–вторых, имеют место потери в пароводяном тракте, что требует энергетических затрат на восполнение питательной воды. В–третьих, КПД насоса, котельного агрегата, паровой турбины, генератора и трубопроводов отличны от 100 %. Внутренний относительный КПД турбины 0,8–0,9, механический КПД турбины 0,98–0,99, КПД электрического генератора 0,98–0,99, КПД трубопроводов пара и воды 0,97–0,99, КПД котлоагрегата 0,9–0,94. Общий КПД современной КЭС – 35–42 %.

Увеличение КПД КЭС достигается главным образом повышением начальных параметров (начальных давления и температуры) водяного пара, совершенствованием термодинамического цикла, а именно – применением промежуточного перегрева пара и регенеративного подогрева конденсата и питательной воды паром из отборов турбины.

На КЭС по технико–экономическим основаниям применяют начальное давление пара докритическое 13–17 МПа или сверхкритическое 23–25МПа. Начальную температуру свежего пара, а также температуру после промежуточного перегрева принимают равной 540–570 °С. В России и за рубежом созданы опытно–промышленные установки с начальными параметрами пара 30–35 МПа при 600–650 °С. Промежуточный перегрев пара обычно одноступенчатый, на некоторых зарубежных КЭС сверхкритического давления – двухступенчатый. Число регенеративных отборов пара 7–9. Конечная температура подогрева питательной воды 260–300 °С. Конечное давление отработавшего пара в конденсаторе турбины 0,003–0,005 МПа (0,03 – 0,05 атм.).

Часть вырабатываемой электроэнергии потребляется вспомогательным оборудованием КЭС (насосами, вентиляторами, угольными мельницами, осветительными установками и т.д.). Расход электроэнергии на собственные нужды пылеугольной КЭС составляет до 7 %, газомазутной – до 5 %. Значительная часть энергии (около половины энергии, затрачиваемой на собственные нужды) расходуется на привод питательных насосов. На крупных КЭС применяют паротурбинный привод питательных насосов; при этом расход электроэнергии на собственные нужды снижается.

Различают КПД КЭС брутто (без учета расхода на собственные нужды) и КПД КЭС нетто (с учетом расходов на собственные нужды). Энергетическими показателями, равноценными КПД, служат также удельные (на единицу электроэнергии) расходы тепла и условного топлива с теплотой сгорания 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг), равные для КЭС соответственно 8,8 – 10,2 МДж/кВт∙ч (2100 – 2450 ккал/кВт∙ч) и 300–350 г/кВт∙ч.

Повышение КПД, экономия топлива и уменьшение топливной составляющей эксплуатационных расходов обычно сопровождаются удорожанием оборудования и увеличением капиталовложений. Выбор оборудования КЭС, параметров пара и воды, температуры уходящих газов котлоагрегатов и т.д. производится на основе технико–экономических расчетов, учитывающих одновременно капиталовложения и эксплуатационные расходы (расчетные затраты).