Тепловые схемы и циклы паротурбинных установок ТЭС и АЭС

1. Тепловые схемы и циклы паротурбинных установок ТЭС и АЭС

Национальный исследовательский университет
«Московский энергетический институт»
Кафедра Паровых и газовых турбин им. А.В. Щегляева
Тепловые схемы и циклы паротурбинных установок
ТЭС и АЭС
к.т.н., доцент Чусов С.И.
Курс «Энергетические машины и
теплообменные установки»
для групп С-02
НИУ «МЭИ», Кафедра паровых и газовых турбин им. А.В. Щегляева

2.

Рис. 1. Принципиальная схема простейшей ПТУ

3.

Рис. 2. T-s–диаграмма водяного пара

4.

Рис. 3. h-s–диаграмма водяного пара

5.

Рис. 4. Цикл Карно для влажного пара
(Nicolas Léonard Sadi Carnot)

6.

Рис. 5. Цикл Ренкина с перегревом пара (идеальный)
(William John Macquorn Rankine)

7.

Определение термического КПД цикла Ренкина
q1 q2
t
q1
q1 h0 hп.в.
q2 hkt hk
hп.в. hk
Рис. 6. Схема простейшей ПТУ
(к выводу термического КПД)

8.

Определение термического КПД цикла Ренкина
q1 h0 hп.в.
q2 hkt hk
q1 q2 h0 hп.в. hkt hk
t
q1
h0 hп.в.

9.

Определение термического КПД цикла Ренкина
h0 hkt Н
Рис. 7. h-s–диаграмма в турбине
(к выводу термического КПД)
турб
0

10.

Определение термического КПД цикла Ренкина
q1 q2 h0 hп.в. hkt hk
t
q1
h0 hп.в.
h0 hkt hп.в. hk
h0 hп.в.
Н
lн
h0 hп.в.
турб .
0

11.

Определение термического КПД цикла Ренкина
lн 0
Если
то
hп.в. hk 0
t
Если
lн 0
и тогда
то
Н
и тогда
турб .
0
q1
q1 h0 hп.в. h0 hk
H 0 h0 hkt
t
q1
h0 hk

12.

Выражения для КПД и мощности турбины
Lт h0 hk H i
Нi
i
q1
Если
Hi
0i
H0
Рис. 8. Действительный тепловой цикл
в Т-s–диаграмме

13.

Выражения для КПД и мощности турбины
Hi H0 H0 Hi
i
t 0 i
qi H 0 qi H 0
Ni G H i
Ne Ni N мех
N0 G H 0
– внутренняя мощность турбины
– эффективная мощность турбины
– теоретическая мощность турбины

14.

Выражения для КПД и мощности турбины
Ne Ne Ni Ni N e
oe
oi мех
N0 N0 Ni N0 Ni
– относительный эффективный КПД турбины
Ne Ne Ni Ni N e
e
Q
Q Ni Q Ni
i мех t oi мех t oe
– абсолютный эффективный КПД турбины

15.

Выражения для КПД и мощности турбины
э. г .
о . э.
Nэ
Ne
– КПД генератора
N э N э Nе Nе N э
N0 N0 Nе N0 Nе
oе э.г . oi мех э.г .
– относительный электрический КПД турбоагрегата

16.

Выражения для КПД и мощности турбины
э t о.э. t оi мех э.г.
– абсолютный электрический КПД турбоагрегата

17.

Эффективность электростанции
3600
dэ
H 0 o.э.
– удельный расход пара на выработку 1 кВт·ч электроэнергии
qэ d э h0 hk
3600
э
– удельный расход теплоты на выработку 1 кВт·ч
электроэнергии, [кДж/ кВт·ч]

18.

Эффективность электростанции
Поскольку 1 кВт = 1 кДж/с, то отношение расхода теплоты,
выраженного в кДж/с, к 1 кВт является безразмерной
величиной, представляющей собой величину, обратную
абсолютному электрическому КПД цикла
qэ
1
э

19.

Влияние параметров пара на КПД идеального цикла
t Карно
Тэ Тк
Тэ
Тк
Тэ
1 t

20.

Влияние параметров пара на КПД идеального цикла
Влияние начальной температуры пара
Рис. 9. Сравнение идеальных циклов с
разными начальными температурами
свежего пара
Т 0 t и 0 i

21.

Влияние параметров пара на КПД идеального цикла
Влияние начальной температуры пара
Рис. 10. Влияние начальной
температуры пара на
располагаемый теплоперепад и
абсолютный КПД идеального
цикла при рк = const

22.

Влияние параметров пара на КПД идеального цикла
Влияние начального давления пара
Рис. 11. Сравнение идеальных циклов
с разными начальными давлениями
свежего пара
р0 t но 0i

23.

Влияние параметров пара на КПД идеального цикла
Влияние начального давления пара
Рис. 12. Изменение располагаемого
теплоперепада турбины в
зависимости от начального
давления при неизменных
начальной температуре и КПД
идеального цикла при рк = const

24.

Влияние параметров пара на КПД идеального цикла
Влияние начального давления пара
Рис. 13. Влияние начального давления
пара на располагаемый теплоперепад
и абсолютный КПД идеального цикла
при рк = const

25.

Влияние параметров пара на КПД идеального цикла
Влияние начального давления пара
Рис. 14. Необходимость
одновременного повышения
начального давления и начальной
температуры пара
р0 и Т 0 t и 0i

26.

Влияние параметров пара на КПД идеального цикла
Влияние конечного давления пара
Рис. 15. Сравнение идеальных
циклов с разными конечными
давлениями
рк t но 0i

27.

Влияние параметров пара на КПД идеального цикла
Влияние конечного давления пара
Qп Gk r
Qв св tв W
Рис. 16. Нагрев охлаждающей воды в
конденсаторе

28.

Влияние параметров пара на КПД идеального цикла
Влияние конечного давления пара
Qп Qв
Gк r св tв W
W
m
Gк
W
r
m
Gк cв tв

29.

Влияние параметров пара на КПД идеального цикла
Влияние конечного давления пара
r 2430
кДж/кг (при 300С)
cв 4,19
кДж/(кг·К)
tв 6 11
ºС
W
r
2430
m
73 (53 97)
Gк cв tв 4,19 8

30.

Влияние параметров пара на КПД идеального цикла
Влияние конечного давления пара
tк t1в tв t
t1в 10 12 (20 25)
t 5 10
ºС
ºС
tв
Рис. 16. Нагрев охлаждающей воды в
конденсаторе
W
r
m
73
Gк cв tв

31.

Промежуточный перегрев пара
Рис. 17. Схема ПТУ с промежуточным перегревом
пара

32.

Промежуточный перегрев пара
Рис. 18. Идеальный цикл с промежуточным
перегревом пара

33.

Промежуточный перегрев пара
Рис. 19. Процесс расширения в турбине с
промежуточным перегревом пара

34.

Особенности тепловых схем и циклов АЭС
Рис. 20 а). Одноконтурная схема АЭС

35.

Особенности тепловых схем и циклов АЭС
Рис. 20 б). Двухконтурная схема АЭС

36.

Особенности тепловых схем и циклов АЭС
Рис. 20 в). Трехконтурная схема АЭС

37.

Особенности тепловых схем и циклов АЭС
Максимум
термического
КПД
цикла
сухого
насыщенного пара (снп) –
при начальной температуре
пара
около
350ºС
и
соответствующем давлении
около 17 МПа. Поскольку
давление теплоносителя в
реакторах не превышает 17
МПа,
то
начальное
давление пара определяется
типом реактора.
Рис. 21. Термический КПД цикла
сухого насыщенного пара (снп) в
зависимости от начальной
температуры

38.

Особенности тепловых схем и циклов АЭС
Одноконтурная схема АЭС
Максимальное значение коэффициента теплоотдачи от стенки
тепловыделяющего элемента реактора (твэла) к кипящей воде
соответствует давлению насыщенного пара около 7 МПа. При
этом давлении температура оболочки твэла, определяемая
температурой кипения и коэффициентом теплоотдачи, находится
в допустимых пределах. Применение более высокого начального
давления пара приведет к росту температуры (что заставит
использовать более дорогие, жаростойкие материалы для
оболочки твэла) и к снижению коэффициента теплоотдачи. По
этим причинам для одноконтурной АЭС давление в реакторе
выбирают равным около 7 МПа.

39.

Особенности тепловых схем и циклов АЭС
Двух- и трехконтурная схема АЭС
В простейшей схеме АЭС двухконтурного типа (без экономайзера и
пароперегревателя в парогенераторе) разность температур
теплоносителя (в первом, реакторном контуре) на входе в
парогенератор и пара на выходе из него (во втором, турбинном
контуре)
составляет
45÷60ºС.
Поэтому
давление
воды
(теплоносителя) на выходе из реактора должно быть на 8÷11 МПа
больше, чем давление пара (рабочего тела) на входе в турбину. Это
усложняет конструкцию корпуса реактора и обеспечение его
надежности, особенно при больших его размерах. Поэтому
давление пара на входе в турбину выбирают по предельным
значениям давления и температуры, на которые может быть
рассчитан корпус реактора. Для двухконтурной схемы это не более
6,0…7,3 МПа, а для трехконтурной – не более 4,2…7,2 МПа.

40.

Особенности тепловых схем и циклов АЭС
Рис. 22. h-s диаграмма процесса расширения в
турбинах насыщенного пара

41.

Особенности тепловых схем и циклов АЭС
Рис. 23. T-s диаграмма процесса расширения в
турбинах насыщенного пара

42.

Особенности тепловых схем и циклов АЭС
Рис. 24. Тепловые схемы турбин насыщенного пара с
внешней сепарацией

43.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!