Регенеративный подогрев основного конденсата и
питательной воды осуществляют отработавшим в турбине паром, теплота которого
возвращается в котел (регенерируется). Регенеративный подогрев применяют на
всех ТЭС. Турбины выполняют с 7¸9 регенеративными отборами пара.
Увеличение КПД цикла Ренкина с регенерацией происходит
за счет увеличения средней температуры подвода теплоты пара при одинаковой
конечной температуре отвода теплоты. Регенеративный подогрев питательной воды
приводит:
1) к увеличению КПД паросиловой установки на 10÷12 % за счет снижения
потерь теплоты в конденсаторе (уменьшается расход пара через конденсатор и
потеря теплоты в нем) и тем в большей степени, чем выше давление пара;
2) к уменьшению расхода пара через последние ступени турбины и уменьшению их
габаритов, а для первых ступеней наоборот, что облегчает конструкцию турбины;
3) к
уменьшению поверхности нагрева
водяных экономайзеров. При
этом,
чтобы не снизить КПД котла температуру уходящих газов снижают в воздухоподогревателях, увеличивая их поверхность.
Отличиями регенеративного отбора пара от
теплофикационного является:
1) зависимость (и
ограниченность) регенеративного подогрева от расхода питательной воды;
2) на
регенеративный подогрев топливо не расходуется, а на внешнее тепловое потребление
– расходуется.
На КЭС с
регенеративным подогревом расход теплоты на производство электроэнергии
совпадает с полным расходом теплоты. Абсолютный КПД конденсационной турбины
совпадает с КПД по производству электроэнергии. Для теплофикационной турбины
эти КПД различны.
В общем
случае КПД турбины равен
.
(4.1)
Для
1 кг пара при отсутствии регенеративного подогрева воды , следовательно , где io, iк,
i'к – энтальпия соответственно свежего и
отработавшего пара и конденсата отработавшего пара.
При регенеративном подогреве воды потеря
теплоты в конденсаторе уменьшается и составляет aкqк, где aк – доля
пропуска пара в конденсатор от расхода свежего пара. , – сумма долей
регенеративных отборов пара из турбины. aк = Dк / Dо; ar = Dr / Dо.
КПД турбины с регенеративным подогревом
питательной воды
,
(4.2)
где qо = iо – iпв; iпв = aк × i¢к + Sar × ir.
Здесь ir – энтальпия греющего пара регенеративных отборов. При
одноступенчатом подогреве воды
iпв = aк × i¢к + a1 × i1,
(4.3)
где i1 –
энтальпия греющего пара отбора.
Полезная работа пара в цикле Ренкина с
регенерацией меньше, чем в обычном цикле Ренкина (при одинаковых p0 и t0), так
как часть пара, проходящего через турбину не участвует в выработке полезной
работы, а направляется на подогрев питательной воды.
Расчеты
показывают, что уменьшение расхода теплоты на паросиловую установку оказывается
большим, чем уменьшение полезной работы, поэтому hr > hо.
Можно
получить [4]:
.
(4.4)
Здесь Аr – энергетический коэффициент пара регенеративного
отбора.
Аr = Wr /
Wк; Wr = aк × Dhr; Wк = aк × DHr, W – работа 1
кг пара,
где Dhr = iо – ir; DHк = iо – iк –
теплоперепад пара регенеративного отбора и сквозного конденсационного потока.
Расходы пара на конденсационную и
теплофикационную турбины с отборами равны:
;
(4.5)
, (4.6)
где Dт, Dr – теплофикационный и регенеративный отборы; – коэффициент
недовыработки мощности паром соответственно теплофикационного и регенеративного
отбора.
; ,
(4.7)
Dо(к) – расход пара на такую же турбину без отборов.
Различают смешивающую и каскадную схемы
регенеративного подогрева основного конденсата и питательной воды. На ТЭС в
основном применяют каскадную схему с поверхностными подогревателями.
Смешивающие подогреватели дешевле, надежнее и
энергетически выгоднее поверхностных, позволяют подогреть воду до температуры tн (ts) насыщения греющего пара tвr=tнr, iвr= i¢r. обозначения: «в» – вода; «r» – отбор; i¢r – энтальпия конденсата греющего пара отбора. Однако
после каждого смешивающего подогревателя нужен перекачивающий насос, так как давление
в последующем подогревателе выше, чем в предыдущем (рис. 4.1).
Для каскадной схемы достаточно иметь
конденсатный и питательный насосы, перекачивающие воду соответственно через
группы поверхностных подогревателей низкого и высокого давления. Три первых по
ходу воды подогревателя (см. рис. 4.2) находятся под давлением, создаваемым
конденсатным насосом (КН). Эти подогреватели называются подогревателями низкого
давления (ПНД), так как давление в них по водяной стороне в современных блоках
не превышает 2,5 МПа, а в более старых установках составляет 0,5÷1,5
МПа. Давление в трубках должно выбираться из условия предотвращения вскипания
воды, т.е. температура кипения должна быть выше температуры воды на выходе из
подогревателя. В поверхностных подогревателях вода нагревается до tвr
< tнr
на величину недогрева воды до состояния насыщения по температуре Qr или энтальпии ur ;
;
(4.8)
ur . (4.9)
Qr, ur определяют технико-экономическим расчетом Qr=5¸6 °С (для расчетной нагрузки Q =3¸5 °С).
В подогревателях высокого
давления (ПВД) применяют стальные трубки, в ПНД – в основном латунные, из
которых медь вымывается конденсатом и переносится в котел и в турбину. ПНД с
трубками из нержавеющей стали дороги. В настоящее время применяют один или два
ПНД смешивающего типа, между которыми устанавливают перекачивающий
(конденсатный) насос (рис. 4.3 а) или первый ПНД размещают выше второго для
перелива воды во второй ПНД без насоса (рис. 4.3 б). Одним из смешивающих
подогревателей (p = 0,6¸1,0 МПа) используют в качестве деаэратора.
Применяют нейтрально-кислородный водный
режим энергоблока с вводом кислорода в тракт конденсата перед конденсатным
насосом. При этом на внутренней поверхности трубок образуется оксидная пленка,
предохраняющая металл от коррозии. Деаэратор не устанавливают (бездеаэраторная
схема).
На ТЭЦ регенеративные отборы применяют
для подогрева не только конденсата турбин, но и обратного конденсата от внешних
потребителей теплоты и добавочной воды, компенсирующей в основном внешние
потери пара и конденсата. Обратный конденсат от потребителей имеет более
высокую температуру, чем основной конденсат. Доля его в общем потоке
питательной воды значительна, поэтому абсолютная экономия теплоты от
регенерации на ТЭЦ менее значительна, чем на КЭС с теми же p0 и t0. Однако КПД турбины ТЭЦ по производству электроэнергии
возрастает особенно при малом пропуске пара в конденсатор (на 20¸25
%), так как к выработке электроэнергии на тепловом потреблении добавляется ее
выработка паром регенеративных отборов.
Расходы пара на подогреватели определяют из уравнений
их теплового и материального баланса, которые составляют исходя из следующих
условий:
1) смешивающие подогреватели – сумма теплот, подводимых к подогревателю,
равна сумме теплот, отводимых от него;
2) поверхностные подогреватели – теплота, отдаваемая греющими потоками,
равна теплоте, получаемой подогреваемой водой (конденсатом).
Основной задачей является определение
расхода пара на подогреватели. Расход пара определяют, начиная с ПВД 1. Расход
воды через ПВД известен. Для КЭС принимают αпв=αо=1,
т.е. расход воды равен расходу свежего пара (α – доля расхода воды
или пара в подогревателе по отношению к расходу свежего пара), так как
происходит смешение и весь поток идет в котел.
1. Для смешивающих подогревателей П1 и
П2 (рис. 4.1) имеем:
для
П1: ; (αо=
αк+ α1+
α2 =1),
отсюда
, (4.10)
где t1 = i¢1 – i¢2; q1
= i1 – i¢1; i1
– i¢2 =
i1 – i¢1 +
i¢1 –
i¢2 =
q1 + t1;
для П2: ,
отсюда
,
(4.11)
где t2 = i¢2 – i¢к; q2
= i2 – i¢2; i2
– i¢к = q2
+ t2; ,
. (4.12)
Доля αк пропуска пара в
конденсатор от расхода свежего пара равна
. (4.13)
При любом числе смешивающих подогревателей
,
(4.14)
где qr = ir – i¢r; tr =
i¢r –
i¢r+1;
здесь ir – энтальпия пара в r-ом отборе; i¢r – энтальпия конденсата греющего
пара; r = 1, 2, …, z; z – число ступеней подогрева; П – знак
произведения.
2. Для поверхностных подогревателей
схема усложняется наличием линий дренажа (конденсата греющего пара). Простейшим
является отвод дренажа в соседний более низкого давления подогреватель (рис.
4.4). Недостаток схемы: вытеснение греющего пара П2; снижение тепловой
экономичности турбины. Доли отборов пара a1 и a2 равны.
для П1: a1 (i1 – i¢1) = (iв1 – iв2)a0,
;
(4.15)
для П2 греющими являются два потока: пар из
отбора турбины и дренаж, сливаемый в П2 из П1:
a2 (i2 – i¢2) + a1 (i¢1 – i¢2) = (iв2 – iсм)a0, (4.16)
где t1 =iв1 – iв2; q1=i1 – i¢1; iв1=i¢1 – u1; iв2
= i¢2 – u2; iсм
– энтальпия воды после смешения турбинного конденсата и дренажей из П1 и П2.
Запишем уравнения смешения в смесителе и исключим iсм
a0 iсм = aк i¢к + (a1 + a2) i¢2,
(4.17)
так как aк = 1 – a1 – a2, то
(4.18)
Подставим (4.18) в
уравнение для П2 и найдем a2. Зная a1 и a2 определяем aк = 1 – a1 – a2, а затем подогрев воды в смесителе
. (4.19)
Схему с поверхностными подогревателями
и каскадным сливом дренажа совершенствуют, включая у П1 охладитель дренажа, в
котором охлаждается конденсат греющего пара водой, проходящей через него (рис.
4.5). При этом уменьшается расход пара на П1 и возрастает на П2, в который
сливается дренаж. В итоге возрастает работа пара отборов и уменьшается потеря
теплоты в конденсаторе. Суммарный дренаж из П2 перекачивается насосом в
смеситель на линии главного конденсата между П1 и П2.
При
проектировании энергоблока рассчитывают параметры регенеративного подогрева
воды: 1) температуру подогрева питательной воды tпв, °С; 2) число регенеративных отборов пара и ступеней
подогрева воды z; 3) распределение подогрева между ступенями
(подогревателями).
1. С повышением tпв
вследствие увеличения расхода свежего пара для выработки той же мощности
турбогенератором котел и трубопроводы удорожаются (hк
снижается, tух повышается), топливо и зольное хозяйство,
тягодутьевые устройства, техническое водоснабжение удешевляются и в целом
экономичность энергоблока повышается. По минимуму эксплуатационных (расчетных)
затрат tпв = 230 °С при p0 = 13,0
МПа и tпв = 265 °С при p0 = 24
МПа.
2. С увеличением числа отборов пара и ступеней
подогрева воды КПД турбоустановки повышается, однако стоимость подогревательной
установки возрастает. Для крупных турбоустановок z=7¸9. Каждая последующая ступень подогрева дает все
меньшее дополнительное повышение КПД, так как дополнительный оптимальный
подогрев воды с каждой новой ступенью уменьшается.
3. Оптимальное распределение общего
регенеративного подогрева воды между ступенями производят из условия максимума
абсолютного внутреннего КПД турбоустановки hi=ηt·ηoi=1 – aк qк/q0. Здесь aк – доля
пропуска пара в конденсатор; qк = iк – i¢к; q0 = i0 – i¢к.
Вариантные расчеты проводят, пользуясь методом условного экстремума Лагранжа.
В начале 30-х годов был принят
равномерный подогрев питательной воды по ступеням (Калафати Д. Д.) Dtст = Dtr = (tпв – tк) / z, где Dtr – перепад температур в r-ой ступени подогрева, °С.
Позднее было
показано, что при неравномерном распределении Dtr по геометрической прогрессии экономичность
регенерации возрастает
, (4.20)
∆tz=tпв- tz – 1; ∆tz – 1=tz – 1 - tz – 2; ∆t2=t2 – t1; ∆t1=t1 – tк, (4.21)
где Dtz, Dtz–1 –
подогрев питательной воды соответственно в последней и предпоследней ступени; (d<1). Здесь
tк, tпв –
температура турбинного конденсата и питательной воды за последним
подогревателем, ºС.
При распределении подогрева по (4.20) в нижних
ступенях Dtr меньше, а в верхних
больше. Действительно из (4.20) имеем (рис. 4.6)
(4.22)
(4.23)
Подставляя значение ∆tz – 1 из (4.23) в (4.22), получим
(4.24)
Например, при d=0,8 получим ∆tz=∆tz - 2/0,64; ∆tz – 1=∆tz – 2/0,8, т.е. ∆tz>∆tz – 1.
Аналогично можно показать, что ∆tz - 1>∆tz – 2,
∆tz - 2>∆tz – 3 ,…,
∆t2>∆t1.
Термодинамическая выгода неравномерного подогрева
питательной воды заключается в том, что из-за конечной разности температур
необратимые потери при теплообмене тем меньше, чем выше потенциал отбора.
Поэтому в ПНД, где потенциал отборного пара ниже, выбирают меньшие Dtr=Dtст, чем снижают необратимые потери.
Сложные
способы распределения подогрева питательной воды дают экономию тепла не более 1
% по сравнению с равномерным подогревом при z=const и tпв=const. Подогрев свежим паром, а также
физически невыполнимый подогрев отработавшим паром не повышают КПД турбины (hr=hi). Выбор и системы разбивки tпв по ступеням относится к номинальной
мощности турбины.
При снижении расхода пара в проточной части турбины
падает давление в нерегулируемых отборах. Давление пара в отборе можно
рассчитать по формуле
. (4.25)
Здесь p, Т – давление и абсолютная
температура пара в отборе; D – расход пара в проточной части турбины. Индексы «о»
и «¢» означают номинальный и новый режимы.
Часто
принимают схему равномерного подогрева tпв по ступеням. Давления в отборах
могут отличаться от номинальных, если при этом отклонения tпв не превышают 2¸5
°С, то значительного снижения экономичности не наблюдается.
на ТЭЦ и КЭС с
одинаковыми p0,
t0, D0 совпадают или близки. Аналогичные результаты получаются
и в установках с промежуточным перегревом пара.
При
высоких начальных параметрах p0, t0, а также наличии промперегрева пар из верхних отборов
имеет большую степень перегрева. В этом случае рационально использовать
перегрев пара для дополнительного подогрева питательной воды. Для этой цели на
крупных установках в ПВД выделяют специальную поверхность – пароохладитель.
Пароохладитель работает без конденсации пара. На практике это достигается
установкой специальных перегородок на входе пара в ПВД, которыми отделяется
часть его поверхности. За счет использования Dt перегретого пара удается нагреть
питательную воду на 3¸8 °С выше температуры насыщения tн (ts) пара из отбора. Рекомендуется
принимать температуру перегретого пара на выходе из пароохладителя на 10¸15
°С выше ts, что предотвращает конденсацию пара
на поверхности пароохладителя.
Обычно для охлаждения конденсата
ниже ts также выделяют часть поверхности основного
подогревателя на входе питательной воды – охладитель дренажа. Охладитель
дренажа работает как водоводяной теплообменник, где происходит теплообмен между конденсатом греющего пара и
питательной водой (рис. 4.7).
В первой
зоне происходит съем тепла перегрева пара без его конденсации. Вторая зона –
основная часть теплообменника, служит для конденсации греющего пара и позволяет
нагреть питательную воду до температуры tвr = tнr – Qr. В третьей зоне происходит охлаждение
конденсата ниже температуры насыщения.
4.6. Схемы отвода конденсата греющего пара в
регенеративных подогревателях поверхностного
типа
Эффективность регенеративного
подогрева с поверхностными подогревателями зависит от схемы отвода конденсата
греющего пара.
1. Надежно и просто направлять конденсат через
дроссельную шайбу (водоотводчик) из подогревателя П1 с более высоким давлением
в П2 с более низким давлением, осуществляется каскадный слив конденсата (рис.
4.8 а).
2. Возможно применение схемы отвода конденсата от
регенеративного подогревателя по принципу каскадного подъема (рис. 4.8 б),
когда конденсат нижнего отбора подается насосом в подогреватель, подключенный к
верхнему отбору. И только из П1 конденсат подается в линию питательной воды. В
этом случае облегчается работа подъемных насосов, так как только последний из
них преодолевает давление питательного насоса. На практике для ПВД применяют
схему с охладителями дренажа и каскадным сливом, а для ПНД – каскадный слив с
подъемным насосом.
3. Более совершенной
с термодинамической точки зрения (особенно при отсутствии охладителей дренажа)
является схема отвода конденсата от подогревателей с подъемными насосами (рис.
4.9 а). Конденсат греющего пара подается насосом в поток питательной воды за
подогревателем. При этом конденсат не вытесняет отборов более низкого давления,
а смешивается с потоком питательной воды, выходящим из этого же подогревателя.
Температура этого потока мало отличается от температуры конденсата (на величину
недогрева Q=5¸6 °С), поэтому снижаются необратимые
потери теплоты. Аналогичные результаты достигаются при использовании схемы с
опускными насосами (рис. 4.9 б).
Основным недостатком схем с многоступенчатой
перекачкой (рис. 4.9) является установка насосов высокого давления, работающих с малыми и переменными расходами.
Помимо основных регенеративных подогревателей в схему
регенерации включают сальниковые подогреватели, использующие пар от
лабиринтовых уплотнений турбины, и подогреватели (холодильники) паровых
эжекторов турбины. Нагрев конденсата или питательной воды в этих вспомогательных
подогревателях составляет 3¸6 °С; в ПНД – 18¸22
°С, а в ПВД – 25¸30 °С.
4.7. Расчет схемы регенерации
1. До начала
расчета составляют принципиальную тепловую схему турбинной установки и
выбирают число нерегулируемых отборов пара (рис. 4.10).
2. Температуру питательной воды определяют по заданному ро
следующим образом:
а) находят давление в барабане котла pб, обеспечивающее давление перед стопорным клапаном рo,
ата ;
;
(4.26)
б) по давлению в барабане котла из таблиц
насыщенного водяного пара находят температуру насыщения ;
в)
температуру питательной воды принимают
. (4.27)
3. Из таблиц
насыщенного водяного пара по давлению в конденсаторе определяют температуру насыщения
tнк и, снизив ее на 1÷2 ºС (переохлаждение
конденсата), получают температуру
конденсата tк.
4. Конденсат, проходя через холодильник
эжектора, нагревается на 3÷6 ºС. Поэтому температура конденсата, вышедшего из эжектора, будет tэж = [tк +
(3÷6)] °С.
5. В среднем в каждом подогревателе
конденсат нагревается на Δtr, ºС
, (4.28)
где z – количество
подогревателей в регенеративной схеме.
6. В регенеративной
схеме с каскадным сливом дренажа из подогревателей, представленной на рис. 4.10, имеется три подогревателя (в том числе деаэратор). Благодаря простоте и
удовлетворительной экономичности эта схема применяется на электростанциях
небольшой мощности. Для удобства эксплуатации при этом используют атмосферные деаэраторы.
7. Температуру t3 питательной воды после выхода из подогревателя
низкого
давления (П3) принимают
,
(4.29)
а температуру насыщения греющего пара берут на 3÷6 °С выше:
.
(4.30)
8.
Давление отбираемого пара для подогревателя П3 определяют из таблиц водяного
пара по температуре насыщения. Полученное давление в виде изобары
наносят на диаграмму i, S ,
где изображен тепловой
процесс в турбине, и обозначают через , так как данный отбор
является третьим по ходу пара в турбине (рис. 2.5). Точка пересечения изобары с линией теплового
процесса С''' характеризует состояние
отбираемого пара, имеющего энтальпию i3. Относительное
и абсолютное количество отбираемого пара обозначают соответственно через
α3 и D3.
Под относительным количеством пара понимают количество отбираемого
пара, выраженное в долях от расхода свежего
пара на турбину.
9. После П3 подогрев питательной воды осуществляется в деаэраторе
(в подогревателе П2). В атмосферном деаэраторе давление pд=1,2
кгс/см2, поэтому температура насыщения греющего пара tнд=104
°С. Питательная вода в деаэраторе нагревается от t3 до tд=104 °С. Отбор пара для деаэратора у турбин с регулируемым отбором
может осуществляться из системы регулируемого отбора. Если давление регулируемого
отбора выше 1,2 кгс/см2, то отбор производят через редуктор.
Энтальпия отбираемого пара для деаэратора (iд) определяется из диаграммы
i, S в точке В' (рис.
2.5). Если отбор пара осуществляется через дроссельный клапан, понижающий
давление до 1,2 кгс/см2, то процесс дросселирования происходит при
постоянной энтальпии и энтальпия пара все равно определяется в точке B'.
Относительное и абсолютное количество отбираемого пара для деаэратора обозначают
соответственно через aд и Dд.
10.
Дальнейший подогрев питательной воды осуществляется в подогревателе высокого
давления П1 до температуры tпв, определенной
выше. Температура насыщения греющего пара в подогревателе П1 будет
= [tпв +
(3÷6)].
(4.31)
Давление греющего пара
определяют по температуре насыщения из таблиц водяного пара и
наносят на диаграмму i, S в виде изобары (рис.2.5). Точка С'
пересечения изобары с линией
теплового процесса характеризует состояние пара, отбираемого из
турбины для
подогревателя высокого давления П1 и имеющего энтальпию i1. Относительное и абсолютное
количество отбираемого пара обозначают
соответственно через а1 и D1.
11. Из
уравнения теплового баланса для подогревателя П1 определяют
относительный расход пара
, (4.32)
где i'1 –
энтальпия конденсата греющего пара; =0,97÷0,99
– КПД подогревателя П1, учитывающий
потерю тепла в
окружающую среду; Св – теплоемкость воды; αо=
α1+ α2+ α3+
αк=1, (α2= αд+
αр.отб); =
0,005÷0,013 – относительное количество пара, поступающего на эжектор (в среднем = 0,01).
12. Чтобы определить относительный
расход пара на деаэратор, составляют уравнение теплового баланса для смешивающего
подогревателя
, (4.33)
где – относительное
количество пара, поступающего на регулируемый
отбор;
–
энтальпия конденсата, возвращаемого от теплового потребителя;
– энтальпия питательной воды после
выхода из подогревателя низкого давления П3;
hд=0,98÷0,99 – КПД
деаэратора, учитывающий потерю тепла в окружающую среду;
– энтальпия питательной воды после выхода из
деаэратора;
– относительное количество пара, поступающего
на деаэратор.
Уравнение
(4.33) решают относительно ад, выражая его в зависимости от aр.отб, поскольку
все остальные члены его известны.
13.
Чтобы определить относительный расход пара на подогреватель
низкого давления П3, составляют уравнение теплового баланса
, (4.34)
где – энтальпия питательной воды после
выхода из эжектора.
Уравнение (4.34) решают относительно а3,
выражая его в зависимости от aр.отб, поскольку
остальные члены (4.34) известны.
14. Расход
пара на турбину D0,
кг/с, при номинальной мощности генератора Nэ
и регулируемом отборе пара Dотб находят из уравнения
где –
механический КПД турбины;
–
механический КПД генератора;
– используемый теплоперепад в турбине до первого отбора пара на подогреватель П1;
– используемый теплоперепад в турбине
между отбором пара на
подогреватель П1 и камерой регулируемого отбора;
– используемый
теплоперепад в турбине между регулирующими
клапанами ЧНД и отбором пара на подогреватель П3;
– используемый теплоперепад в
турбине между отбором пара на подогреватель
П3 и конденсатором.
Решая последнее
уравнение относительно D0, получаем
.(4.36)
Подставляя в уравнение
(4.36) вместо а1, ад, а3 их найденные значения, а также заданные
значения ηм и ηг, приходим к
уравнению типа
, (4.37)
где
величины А, В, С имеют определенные численные значения.
Заменяя aр.отб его значением
,
(4.38)
получают уравнение для определения расхода
свежего пара
.
(4.39)
15. Определяют значения ад и а3,
поскольку они являются функциями ар.отб; затем рассчитывают
абсолютные значения отбираемого пара:
для подогревателя
высокого давления П1
;
(4.40)
для
деаэратора (подогревателя П2)
;
(4.41)
для подогревателя низкого давления П3
;
(4.42)
и пара, поступающего в
конденсатор,
. (4.43)
16. Расход
пара при работе турбины в конденсационном режиме
определяют по формулам, приведенным в п.п. 2.4, 2.6.