Паросиловые циклы с адиабатическим парообразованием Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО _ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА_

Том 150 ,1968 г.

ПАРОСИЛОВЫЕ ЦИКЛЫ С АДИАБАТИЧЕСКИМ ПАРООБРАЗОВАНИЕМ

С. В. ПОЛОЖИЙ

(Представлена проф. докт. техн. наук И. Н. Бутаковым)

Энергетика и ©едущая ее отрасль — теплоэнергетика — являются основой электрификации страны. Более 80% электроэнергии вырабатывается в нашей стране на тепловых электростанциях. Это придает исключительное значение техническому прогрессу в теплоэнергетике, требует технических решений, обеспечивающих наиболее рациональное развитие тепловых электростанций: снижение удельных капиталовложений и эксплуатационных расходов, сокращение сроков строительства и освоения новых мощностей, достижение высокой тепловой экономичности и надежности энергоснабжения страны. Современная практика решения этой задачи в рамках существующего цикла по пути внедрения сверхвысоких к закритических давлений пара не может быть признана удачной. Такой вывод подтверждается большими трудностями внедрения сверхвысоких и закритических давлений пара, связанными с необходимостью решения многочисленных и сложных проблем, вызванных высокими требованиями к металлу, воде и пару, с необходимостью применения сложных циклов и тепловых схем, наличием специальных условий и т. п. Трудности освоения подобных установок привели к тому, что в капиталистических странах, особенно в США, ставших на путь внедрения сверхвысоких и закритических параметров пара раньше нашей страны, произошел отход от закритических параметров пара [1—4]. В этих странах параметры перегретого пара снижены для вновь строящихся сверхмощных ТЭС: давление с 350—300 бар до 230 бар, температура с 665—600°С до 530°С. Основная вводимая мощность в США имеет температуру перегрева всего лишь 535—540°С. Установки с температурой в 565—658°С снижены почти в 12 раз. В ФРГ основной вводимой мощностью, являются установки с температурой 525°С и ниже — 65%, около 25% установок имеют температуру 535—540°С и только 6% — более 540°С. Внедрение закритических параметров пара в блочных установках огромной мощности за рубежом, по существу, оказалось огромным промышленным экспериментом, на основании которого практически убедились в нецелесообразности повышения тепловой экономичности ТЭС за счет применения закритических давлений и сверхвысоких температур пара. Ожидаемый технико-экономический эффект от закритических параметров пара не был полностью достигнут ни в одной крупной установке. Практическая, достигнутая в эксплуатации экономия топлива (В результате »применения сверхкритического давления пара с двойным

промежуточным перегревом после 3—4 лет эксплуатации в большинстве случаев составляет лишь 30—50% расчетной величины при исключительно высокой стоимости оборудования таких станций. Еще в более тяжелом состоянии находятся промышленные ТЭС и другие типы паросиловых установок невысокой мощности. Такие установки, в силу особенностей современного паросилового цикла, имеют невысокие параметры пара и связанную с ними низкую тепловую экономичность, находятся на низком техническом уровне развития и не имеют перспектив в повышении экономичности. Длительное существование такого типа паросиловых установок и большое их количество приводят в настоящее время к огромному перерасходу топлива, металла и других материальных ценностей [5]. В 1961 г. такие ТЭС перерасходовали около Змлн.г условного топлива. Ежегодный относительный ущерб народному хозяйству от эксплуатации всех мелких электростанций, по сравнению с эксплуатационными расходами крупных станций, составляет не менее 1,5—2 млрд. рублей. • ,

Такое состояние и развитие современной теплоэнергетики обусловлено существующим паросиловым циклом, применением изобарического парообразования, физическими и термодинамическими свойствами пара и возникающими противоречиями между термодинамической эффективностью цикла г\( и степенью использования рабочего тела в паровой турбине т\ы, а также технико-экономическими противоречиями в достижении целесообразного уровня использования энергии топлива. При этом каждому уровню начальных параметров современного паросилового цикла присущи как положительные, так и отрицательные свойства и невозможность сочетания в одной установке положительных сторон низких и сверхвысоких давлений пара.

Положительным свойством паросиловых установок невысокого давления пара является высокая эффективность работы паровых турбин малой мощности, вследствие небольшого давления, значительных объемных расходов пара, малой влажности в конце расширения. Этим же объясняется тонкостенное оформление энергетического оборудования, низкие требования к качеству металла, воды и пара, сравнительная однотипность и дешевизна металла во всех элементах паросиловой установки, несложность тепловых схем, энергетического оборудования и т. п. Но, с другой стороны, низкие давления пара приводят к малой термодинамической эффективности цикла т], , к невысоким значениям результирующей эффективности I установки т] , • к большим удельным расходам топлива, пара и воды, обусловливают по причине низкой работоспособности кг пара малую агрегатную мощность паровых турбин и связанную с ней деюонцентрацию производства электроэнергии на станциях небольшой мощности. Этим же объясняется высокая себестоимость производства электроэнергии, большие начальные и текущие капиталовложения, низкий технический уровень развития таких паросиловых установок. Применение сверхвысоких и закритических давлений пара, наоборот, позволяет иметь высокую термодинамическую эффективность паросилового цикла г\е, большую работоспособность кг пара, создавать турбины огромной мощности, производить концентрацию и централизацию производства электрической энергии и в установках огромной мощности получать высокую результирующую эффективность Ъ • ^01- Но, с другой стороны, резко ухудшаются физические и термодинамические свойства пара при сверхвысоких и закритических давлениях, ухудшаются условия работы пара в паровой турбине вплоть до невозможности работы паровых турбин при сверхвысоком давлении ввиду чрезмерной влажности пара и больших тепловых потерь в про-

точной частя. Только применением промежуточных перегревов пара и турбин огромной мощности удается добиться надежной и эффективной работы турбин сверхвысокого давления. Резко возрастают требования к качеству металла. Приходится конструировать энергетическое оборудование из высоколегированных сталей с большой толщиной стенок и расходом металла. Чрезвычайно усложняется тепловая схема и снижается надежность работы станции. Требуется значительное время для освоения и внедрения такого оборудования, организация больших научно-исследовательских работ и т. п.

Рациональная паросиловая установка и циклы таких установок не должны иметь основных недостатков современных паросиловых установок как низких, так, и сверхвысоких давлений пара,, сочетать в себе преимущества таких установок, преодолеть трудности развития мощных

блочных ГРЭС сверхвысоких давлений, а также застой в развитии паросиловых установок небольшой мощности. Такая паросиловая установка должна сохранить благоприятные свойства' пара низкого и сверхвысокого давления, обеспечить высокую тепловую экономичность цикла и эффективность работы пара в турбине как большой, так и малой мощности. Решение этой задачи возможно при применении в паросиловых установках адиабатического парообразования, предложенного и разработанного в Томском политехническом институте[6] (Удостоверение о регистрации и приоритете Комитета по делам изобретений и открытий СССР № 19405 за 1960г. и № 29529 за 1962г.).

Паросиловая установка с адиабатическим парообразованием состоит из водогрейного котла сверхвысокого давления, испарителя-генератора, конструктивно выполненного в виде однодисковой турбины, в испарительных элементах которой производится пар и кинетическая энергия потока, пароперегревателя и паровой турбины низкого давления, питательного и циркуляционного насоса водогрейного котла и регенеративных подогревателей питательной воды [6]. Термодинамический цикл паросиловых установок с адиабатическим парообразованием в 1—б диаграмме приведен на рис. 1.

Расчет циклов с адиабатическим парообразованием производится по формулам табл. 1. Расчет тепловой схемы станции и определение тепловых показателей, расход пара, топлива и т. п. производится гак же,

I

Ьп

?

Рис. I. Теоретический цикл паросиловой установки с адиабатическим парообразованием в i—5 диаграмме с учетом работы циркуляционного и питательного насоса водогрейного котла.

Ну

работа циркуляционного насоса на 1 кг

воды, в цикле участвует О кг воды. Л„ — работа питательного насоса на кг пара в цикле.

Расчетные формулы циклов ПСУ с адиабатическим парообразованием

Таблица 1

Наименование величин

Количество насыщенного пара на кг воды ...............

Количество высокосжатой воды на кг пара........... ...

Работа кг воды в испарителе-генераторе ИГ . . . . -........

Работа ИГ на кг пара в цикле . . . •

Работа пара в цикле .........

Полная работа цикла .........

Расход тепла на нагрев кг конденсата паровой турбины до ¿Н1 ......

Расход тепла на нагрев высокосжатой воды до ¿но............

Полный расход тепла на нагрев воды

Тепло перегрева кг пара .......

Суммарный расход тепла в цикле

Термический к. п. д. „брутто" ....

Термический к. п. д. „нетто" с учетом работы насосов котла ........

Удельный расход пара установкой

Удельный расход тепла . •.....

Теоретическое

(50 — £1)' Тт

П

Ос = - =

Г\

(£0 — ¿>1) • ?!

Н1

^ — Ч) 1\ ~~ (50 " ^1) '

/с = I

Ь3= • 13 Аш = Н — 12

¿0 = Н"

<?1 = /

<?2 = 03 (/0 — 1Х) 0В = <?1+<?2

7}Бр„ Ь.

Ъ " о

ч* =

к

<? —Ан 1

а« = Г

¿о

д0 = а0 • с?

С учетом потерь

х — х о +

С?1

а = —

X

Ь™ = О * I

1—1 . гпт I = ¿иг + 1П

с! — 4)

'¡ку

<?2 =

О • (г0 - /г>

Чку -<?В = <?1 + <?2

С. - '¡)

<?п =

1ку

<7 = <?в+$п

т1Бр_ L ^ ~ О'

Ь - ЙНД

О'-Ан 1

¿•^м'^ген

(1с, =

Наименование величин

То же при регенеративном подогреве питательной воды..........

Доля выработки энергии ИГ

Работа циркуляционного насоса на кг пара ............

Работа питательного насоса .....

Суммарный расход энергии на насосы

Удельный расход пара установкой

Удельный расход тепла........

Удельный расход пара при регенеративном подогреве питательной воды

Удельный расход тепла при регенеративном подогреве питательной воды

Доля выработки энергии в турбине ис-

парителя-генератора.........

Работа циркуляционного насоса на кг пара в цикле ...........

Работа питательного насоса .....

Теоретическое

4

п I 1— Ъа

¿ОТ-¿2

к—к.

Ну =

Нп = кп- Н

Йн = Щ +

¿0

<70 =

1

18+1.

¿Т1

1 — Ъа •

и —

Ну

1Н — Ч

НЦ — кн — К

Суммарный расход энергии на насосы

+ Ап

Продолжение таблицы 1

С учетом потерь

¿иг +/

1+ Ъа-/ иг

*'п ~ к 1

— к ]

* ^ген

Н =

11н —

К = К + К

йе

1

¿иг +/д

1 — 2а •

/от - ¿2

Ч — *2 .

^м * "'¡ген

Я9.

Р

^ку • ^пот

¿ИГ

1н~ М

лп

как и для обычных паросиловых установок. На рис. 2 приведены тепловые и энергетические характеристики теоретического цикла с адиабатическим парообразованием в зависимости от давления паровой фазы цикла. Термический к.п.д. цикла при неизменном давлении нагретой воды, конечном давлении и температуре перегретого пара мало зависит от начального давления пара (рис. 2—отношение данных кривой Зкб). Например, при давлении пара

в испарителе-генераторе в кд*

40 бар термический к.п.д. такого цикла равен 46%, а при давлении пара в ИГ в 160 бар при той же температуре перегрева термический к.п.д. составляет 46,5 % • Высокое значение термического к. п. д. циклов с адиабатическим парообразованием при низком давлении пара является большим преимуществом таких паросиловых установок.

В действительных циклах с адиабатическим парообразованием полезная работа, количество образующегося пара, термический к.п.д. и другие характеристики зависят от внутреннего относительного к.п.д. турбины испарителя-генератора. Наличие внутренних потерь в турбине испарителя-генератора снижает полезную работу и увеличивает количество пара, полученного с кг жидкости. Затрата энергии на циркуляционный насос водогрейного котла также зависит от относительного внутреннего к.п.д. турбины ИГ (табл. 1). С повышением давления паровой фазы цикла общий расход энергии на насосы водогрейного котла несколько падает. На рис. 3 приведено значение к.п.д. «нетто» паросиловых установок с адиабатическим парообразованием в зависимости от к. п. д. турбины испарителей-генераторов. Реальное значение к.п.д. турбин испарителей-генераторов по теоретическим и проектным разработкам составляет 0,64—0,79.

Иная организация технологического процесса производства пара и энергии в паросиловых установках с адиабатическим парообразованием: наличие двух давлений рабочего тела, получение насыщенного пара и работы в испарителе-генераторе, отсутствие парообразования в обогреваемых поверхностях нагрева, сверхвысокое давление воды при

Рис. 2. Тепло и работа цикла с адиабатическим парообразованием в зависимости от давления в испарителе-генераторе: 1 — работа в испарителе - генераторе, 2 — работа пара в цикле, 3 — полная работа цикла, 4 — тепло нагрева жидкости, 5 — тепло перегрева пара, 6 — полный подвод тепла в цикле. Начальное давление воды Ро=220 бар, давление пара в конденсаторе Р2— 0,039 бар, температура перегрева пара ^=600°С.

низкой температуре, низкое давление пара при высокой температуре^ высокое значение термического к.п.д. при низком давлении пара — позволяет сочетать положительные свойства современных паросиловых установок низкого и сверхвысокого давления в одной установке, устранить недостатки установок как низких, так и сверхвысоких давлений пара. Кроме того, появляется возможность применять очень высокую температуру пара в цикле, сопоставимую с температурой в газотурбинных установках, а также экономически целесообразно использовать

Рис. 3. Влияние относительного внутреннего к.п.д. турбины испарителя-генератора на к.п.д. станции «нетто» с учетом расхода энергии на циркуляционный и питательный насосы водогрейного котла и сравнение их с к.п.д. современных паросиловых установок. 1—5 — установки с адиабатическим парообразованием (Ро = 220 бар>

Р2—0,039 бар).

1—давление пара 35 бар, температура — 440°С, 2 — давление пара 35 бар, температура — 550°С, 3 — давление пара 35 бар, температура 600°С, 4 — давление пара 80 бар, температура — 550°С, 5 — давление пара 80 бар, температура — 600°С, 6—8 — современные установки, б — давление пара 35 бар, температура — 440°С, 7 — давление пара 90 бар, температура — 500°С, 8—давление пара 180 бар, температура — 550°С. Принято: относительный внутренний к.п.д. паровых турбин — 0,85, к.п.д. механический и генератора — 0,96, к.п.д. котла — 0,85.

глубокий вакуум в конденсаторах паровых турбин и строить водогрейные котлы с низкой температурой уходящих газов и на этой основе еще выше поднимать тепловую экономичность паросиловых установок с адиабатическим парообразованием. #

Применение адиабатического парообразования является также прогрессивным для атомных и парогазовых энергетических установок.

ЛИТЕРАТУРА

1. К. Ф. Роддатис. Параметры пара на блочных и крупных установках зарубежных тепловых электростанций. Теплоэнергетика, № 1, 1962.

2. К. Шредер. Насущные проблемы строительства электростанций. Теплоэнергетика, № 3, 1962.

3. Л. С. П о п ы р и н. Практика выбора начальных параметров пара за рубежом. Теплоэнергетика, № 2, 1963.

4. С. Л. Зильберштейк. Зарубежные турбоагрегаты крупной мощности (500 мгвт и выше) и тенденции паротурбостроения за рубежом. Энергомашиностроение* № 9, 1964.

5. В. Н. Ю р е н е в. Повышение экономичности промышленных электростанций. Теплоэнергетика, № 4, 1958. Промышленные электростанции. ГЭИ, 1963.

6. С. В. Положий. Паросиловые установки с адиабатическим парообразованием. Изв. вузов СССР — Энергетика, № 1, 1965.