Файл: Васильев В.К. Термодинамические основы исследовательского проектирования судовых энергетических установок.pdf

§ 9. ВЫБОР НАЧАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ РАСШИРЕНИЯ И СЖАТИЯ

Выбор начальных параметров процессов расширения и сжатия идеального цикла ПТУ является ответственным этапом построения цикла и оказывает влияние не только на эти процессы, но и на выбор оборудования энергетической установки. В реальном цикле выбран­ ные параметры остаются такими же, как в идеальном. Принципиально возможно осуществить этот выбор на основе анализа идеального цикла. Однако термодинамических характеристик рабочего агента, конечно, недостаточно, чтобы выбрать параметры характерных точек идеального цикла ПТУ (в первую очередь начальных точек процессов расширения и сжатия). Для этого необходимо использование экспе­ риментальных данных, полученных на основе лабораторных и натур­ ных исследований энергетических установок. Эти данные (таблицы и графики) пригодны для быстрого выбора параметров (в дополнение к термодинамическйм зависимостям).

Параметры начальной точки процесса расширения являются наиболее существенной характеристикой идеального цикла. Они связаны с параметрами начальной точки конденсации отработав­ шего пара р г и Т х (точка 4 на рис. 7) изоэнтропой 3—4, и поэтому нельзя выбирать параметры точки 3 безотносительно к точке 4. Удобство анализа идеального цикла связывается с идеализацией процессов. В частности, в качестве нижней изотермы цикла ПТУ обычно выбирается изотерма с температурой Т г холодного источ­ ника, представляющего собой циркуляционную охлаждающую воду главного конденсатора. По одному из условий идеализации про­ цесса конденсации предполагается, что температура циркуляционной воды, текущей по трубкам конденсатора, остается постоянной, рав­ ной ее температуре на входе в трубки (бесконечно большой расход охлаждающей воды, постоянство температуры холодного источника). По другому условию идеализации процесса конденсации предпола­ гается, что теплопередача от конденсирующегося пара циркуля­ ционной воде происходит без температурного скачка, т. е. температура конденсации равна температуре воды на входе в трубки. При этом в процессе конденсации давление однозначно определяется этой температурой и остается постоянным. Это же давление будет конеч­ ным давлением изоэнтропийного процесса расширения.

При выборе параметров точек 3 и 4 учитывается, что изоэнтропа процесса расширения связывает между собой не только параметры точек 3 и 4, но и давление р 2 с температурой ts точки 3. Если бы можно было выбрать значение энтропии s3 в начале процесса расши­ рения, то двухпараметрическая зависимость энтропии от давления и температуры позволила бы задаться одним из указанных парамет­ ров и по значению энтропии получить другой. В точке 4 при изоэнтропийном процессе расширения известна энтропия s4 = s3. Тогда:

69

и устанавливается связь между степенью сухости пара х4 в конце изоэнтропийного процесса расширения в точке 4 и энтропией s4

вестную прямолинейную зависимость s4 от х4. Из формулы (31) по­ лучим

Одним из требований к выбору параметров точки начала процесса расширения является ограничение конечной степени влажности

1 — х4 в точке 4. Задаваясь этой величиной по данным практики, можно по уравнению (32) подсчитать соответствующее значение s4 = = s3, т. е. однозначно получить желательную изоэнтропу расширения. Следуя по этой изоэнтропе, в точке 3 получаем температуру Т 3 и давление р 2.

Выбор оптимального из таких сочетаний лучше производить, за­ даваясь температурой Т 3и получая соответствующее этой температуре давление р 2. Удобно делать это, пользуясь диаграммой рис. 9, где по оси абсцисс отложены значения энтропии, а по оси ординат — давления. На диаграмме нанесены линии постоянной температуры (изотермы). Получив значение энтропии s4, проводим соответствующую этому значению вертикаль и в точке пересечения ее с выбранной изо­ термой находим давление р 2.

Для удобства пользования диаграммой на ней справа нанесена по вертикали шкала степени влажности 1 — х и штриховая прямая,

70

связывающая значения энтропии (по оси абсцисс) и значения сте­ пени влажности (по оси ординат на правой шкале). Задавшись же­ лаемой степенью влажности и нанеся соответствующую точку на пра­ вую вертикальную шкалу, идем по горизонтали от этой точки до пересечения со штриховой прямой. Через точку пересечения проводим вертикаль, которая представит собой изоэнтропу расширения. Точки пересечения этой изоэнтропы с изотермами дадут любые ком­ бинации параметров точки 3 и позволят оценить применимость их с других точек зрения, причем требование по влажности в конце про­ цесса расширения будет удовлетворено.

Вопрос о степени влажности водяного пара в конце процесса изоэнтропийного расширения для ПТУ является весьма существенным.

особенно важно повышение давления. Что касается повышения тем­ пературы, то оно производит обратный эффект, увеличивая энтропию и таким образом снижая влажность. Однако взаимной компенсации влияния повышения давления и повышения температуры на влаж­ ность не достигается. Одновременное повышение давления и темпе­ ратуры приводит в результате к повышению конечной влажности пара при изоэнтропийном расширении. Например, современные кру­ пноблочные ПТУ при р 2 = 240 бар и температуре 550° С (точка А на рис. 9) работают при изоэнтропийном процессе расширения с эн­ тропией = s3,= 6,220 кДж/(кг -К) и имеют в конце расширения влажность 0,286 (точка В). Снижение давления до 200 бар при той же температуре 550° С переводит точку А в положение А х и увели­ чивает энтропию до 6,351 кДж/(кг - К). В точке В х влажность состав­ ляет 0,271. При сохранении давления 240 бар, но при уменьшении температуры до 500° С точка А перемещается в положение А', сдви­ гая изоэнтропу расширения до значения энтропии 6,210 кДж/(кг -К) влево. Точка В переходит в положение В', и степень влажности по­ лучается равной 0,311.

Как видно, современная тенденция к повышению начальных параметров процесса расширения требует принятия мер, способст­ вующих снижению степени влажности в конце изоэнтропийного про­ цесса расширения. Наиболее эффективным является двухили даже трехступенчатый перегрев пара. Процесс расширения пара с началь­ ными параметрами р %бар и Т 3 К прерывается на некоторой проме­ жуточной изобаре, и при постоянном давлении р' пар из турбины отводится в парогенератор, где в перегревателе второй ступени подо­ гревается топочными газами до температуры Т 3 или близкой к ней Т3. Из парогенератора перегретый пар возвращается в турбину, где про­ должается его изоэнтропийное расширение с параметров р' бар

и Тз К.

Вторичный газовый перегрев сдвигает начальную точку и изо­ энтропу процесса расширения на диаграмме рис. 9 вправо, в область повышенных значений энтропии и пониженных значений степени влажности. Используя в данном случае диаграмму рис. 9, можно не

71

Интересоваться первым этапом процесса расширения до вторичного газового перегрева, а рассчитать конечную влажность пара по изоэнтропе с начальной точкой, имеющей параметры р' бар и Тз К после вторичного перегрева. Теперь при расчетах нет оснований снижать температуру пара после вторичного перегрева из соображений проч­ ности и надежности. Можно принять ее настолько высокой, насколько позволяют указанные соображения. Что касается давления р ' , то его можно оценить, пользуясь диаграммой рис. 9. Задавшись пре­ дельной влажностью (1 — х4)' и отложив ее на шкале влажности в правой части диаграммы, можно на пересечении горизонтали влаж­ ности со штриховой прямой найти точку В 0. Следуя по вертикали от этой точки до изотермы Тз вторичного перегрева, найдем изоэнтропу данной стадии расширения Л 0В 0 и по горизонтали, проходя­ щей через точку А 0 и пересекающей шкалу давлений в левой части диаграммы, получим значение давления р '. Мы знаем, что крупно­ блочные паротурбинные установки электростанций, работающие на сверхкритических параметрах пара, имеют давление начала изоэнтропийного расширения пара, прошедшего вторичный перегрев до температуры, несколько превышающей температуру первичного перегрева, около 40 бар (при давлении р 2 — 240 бар). Следовательно, на практике выбирают это давление на основе не только заранее на­ меченного значения степени влажности конца изоэнтропийного рас­ ширения, но еще и по другим предпосылкам.

Эти предпосылки прежде всего надо искать в конструктивном оформлении турбоагрегата и парогенератора. Для турбоагрегата существенна разбивка агрегата на отдельные корпуса высокого, среднего и низкого давления. Нельзя допустить, чтобы пар, отобран­ ный для промежуточного перегрева, отводился от промежуточных ступеней цилиндра высокого давления и после перегрева возвра­ щался к месту отбора в ЦВД. Поэтому обычно на вторичный перегрев идет пар, отработавший в ЦВД, по так называемой «холодной нитке» трубопровода в парогенератор, откуда по «горячей нитке» возвра­ щается в турбогенератор, в первую ступень цилиндра среднего давления (ЦСД) *, Говоря об идеальном цикле, будем считать, что давление р' имеет место не только перед соплами первой ступени ЦСД, но и в обоих линиях паропровода и в элементах вторичного паропе­ регревателя. Температура пара в холодной нитке паропровода равна температуре конца процесса расширения в ЦВД, а горячей нитке она составляет Тз. Принимаем в идеальном цикле вторичный перегрев пара изобарным при давлении р ', равном давлению конца процесса расширения в ЦВД **.

*В судовых ПТУ отбор на промежуточный перегрев иногда делают из ТВД.

**Очевидно, что конструктор парогенератора ■не должен возражать против любого давления в нитках паропровода промежуточного перегрева, поскольку это давление отразится на работе парогенератора только через энтальпию пара, входя­ щего в элементы пароперегревателя и выходящего из них. Учет всех сопровождаю­ щих течение парового потока потерь (тепловых и механических) может вызвать лишь небольшую корректировку давления в различных поперечных сечениях труб

иаппаратов.

72