Идеальные циклы паросиловых установок

Идеальные циклы паросиловых установок
В современной теплоэнергетике в основном используются паро-силовые установки. Теплосиловые установки, в которых в качестве рабочего тела применяется пар, имеют ряд особенностей и преимуществ, существенно отличающих их от теплосиловых установок с газообразным рабочим телом.
2.6.1 Цикл Карно с влажным паром в качестве рабочего тела
Использование рабочего тела, изменяющего свое агрегатное состояние, позволяет осуществить на практике цикл Карно.
Схема паросиловой установки, в которой осуществляется цикл Карно с влажным паром в качестве рабочего тела, представлена на рис. 2.30. В паровой котел 1 поступает влажный водяной пар малой степени сухости Х. За счет сгорания в топке котла топлива (мазут, уголь, природный газ и др.) к влажному пару подводится тепло, и степень сухости пара повышается до значений Х, близких к единице. Процесс подвода тепла в котле происходит при постоянном давлении Р₁ и при постоянной температуре Т₁.
Из котла пар поступает в паровую турбину 2. При расширении в соплах турбины поток пара приобретает значительную кинетическую энергию. На лопатках рабочего колеса турбины эта энергия превра-

Рис. 230. Схема ПСУ, работающей по циклу Карно
щается в механическую энергию вращения рабочего колеса и затем в электроэнергию с помощью электрогенератора 3, вращаемого турбиной.
На выходе из турбины влажный пар имеет давление Р₂ и соответствующую этому давлению температуру Т₂. Далее пар поступает в конденсатор 4 - теплообменник, в котором с помощью охлаждающей воды от пара отводится тепло, он конденсируется и, следовательно, степень сухости пара уменьшается. Процесс отвода тепла от пара в конденсаторе осуществляется при постоянном давлении.
После конденсатора влажный пар поступает в компрессор 5, в котором он адиабатно сжимается до давления Р₁. Затем влажный пар вновь поступает в котел, и цикл замыкается.
Описанный цикл изображен в V-P и S-T диаграммах на рис. 2.31, 2.32.
Подвод тепла q₁ к пару в котле осуществляется по изобаре-изотерме 4-1, процесс расширения в паровой турбине - по адиабате 1-2, отвод тепла q₂ в конденсаторе - по изобаре - изотерме 2-3, сжатие
пара в компрессоре - по адиабате 3-4. При расширении по адиабате от

Рис. 2.31. Цикл Карно с влажным паром в u-Р диаграмме

Рис. 2.32. Цикл Карно с влажным паром в S -T диаграмме
состояния вблизи верхней пограничной кривой степень сухости пара уменьшается. Отвод тепла в конденсаторе должен осуществляться до тех пор, пока влажный пар не достигнет состояния, которое определяется следующим условием: при сжатии по адиабате от состояния 3 с давлением Р₂ до давления Р₁ конечное состояние рабочего тела не должно оказаться за пределами области насыщения.
Термодинамический КПД обратимого цикла Карно, осущест-вляемого с влажным паром в качестве рабочего тела, как и цикла Карно с любым другим рабочим телом, определяется уравнением:

Величина термодинамического КПД оказывается в этом случае весьма значительной. Тем не менее с учетом условий работы теплосилового оборудования практическое осуществление этого цикла нецелесообразно, так как при работе на влажном паре, который представляет собой поток сухого насыщенного пара со взвешенными в нем капельками воды, условия работы проточных частей турбины и компрессоров оказываются тяжелыми, течение оказывается газодинамически несовершенным и внутренний относительный КПД этих машин снижается.
Важно и то, что компрессор для сжатия влажного пара представляет собой весьма громоздкое, неудобное в эксплуатации устройство, на привод которого затрачивается чрезмерно большая энергия.
По этим причинам цикл Карно с влажным паром в качестве рабочего тела не нашел практического применения.
.Основные методы сжигания топлива
Процесс горения в значительной мере определяет надежность и экономичность работы всех топливоиспользующих агрегатов. По­этому так важно иметь эффективное топливосжигающее устройство.
В основу классификации способов сжигания положена аэро­динамическая характеристика процесса, определяющая условия подвода окислителя к зоне реакции горения. Эти условия оказыва­ют основное влияние на удельную производительность и эконо­мичность топочного процесса. Различают слоевой, циклонный, в кипящем слое и факельный способы сжигания топлива.
При слоевом способе сжигания (рис. 2.1, а) твердое топливо, находящееся на неподвижной или движущейся колосниковой ре-
шетке, омывается воздухом, подаваемым снизу. Основная часть то­плива сгорает в виде кокса (твердого остатка, образующегося после выхода разложившихся в результате нагрева угля кислородосодер-жащих молекул) в самом слое. Этот способ просто осуществить, однако он требует повышенного расхода воздуха, обладает высокой инерционностью и малым теплонапряжением.
При увеличении скорости воздуха через слой топлива, лежа-­ щего на распределительной решетке, до критического значения, ко­ гда сила, создаваемая потоком воздуха, становится равной силе тя­ жести, устойчивость частиц в слое нарушается, начинается «кипе-­ ние» слоя (рис. 2.1, б). При кипении слой топлива высотой 0,5-0,6 м увеличивается в объеме в 1,5-2 раза. В 1 м³ может находиться 400- 600 кг топлива. Скорость сгорания составляет от 40 до 400 кг/ч на 1 м² решетки. Тепловое напряжение топки достигает 1 МВт/м. Не­ высокая температура слоя позволяет размещать внутри него часть поверхностей нагрева.


Рис. 2.1. Схемы основных процессов сжигания топлива:
а - слоевой, б - в кипящем слое, в - факельный, г - циклонный
• коэффициент избытка воздуха

Факельный способ сжигания топлива (рис. 2.1, в), используе­мый для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива, тре­бует специальной их подготовки и является наиболее распростра­ненным. При факельном способе горения пылинки твердого, капли жидкого, элементы газообразного топлива находятся во взвешен­ном состоянии и, перемещаясь вместе с потоком воздуха (газов), быстро выгорают (0,5-20 с). Для этого твердое топливо должно быть подсушено и размолото в пыль с частицами 10-20 мкм, жид­кое топливо подается в топку через форсунки, которые распыляют его на капли диаметром до 10 мкм, газообразное топливо подается
через горелки, что обусловливает хороший контакт с воздухом и высокую скорость выгорания. Факельный способ позволяет дос­тичь в сравнительно небольших объемах высокую плотность теп­лового потока (до 2 МВт/м³). К достоинствам этого способа сжига­ния относится возможность полной механизации и автоматизации процесса. Топки, в которых реализуется данный способ, называют­ся камерными. Эти топки могут иметь практически любую мощ­ность при сжигании всех видов топлива.
Циклонный способ сжигания (рис. 2.1, г) большого распро­странения не получил. Суть данного способа заключается в том, что дробленый уголь подается в цилиндрическую камеру сгорания (циклон) и под действием воздуха, тангенциально подводимого с большой скоростью, отбрасывается к стенкам камеры. В результате происходит интенсивное выгорание частиц кокса и эффективная сепарация жидкого шлака.
Характеристика работы топок включает в себя следующие по-­ казатели:

• удельная тепловая нагрузка (форсировка) топки, т. е. коли­чество теплоты, выделяемое на 1 м² сечения топки,

• тепловая мощность топки - количество теплоты, которое выделяется при сжигании топлива в топочной камере или сжигаю-­ щем устройстве
• тепловое напряжение ооъема топки, или количество тепло­ты, выделенное в 1 м³ объема топки,
α = V / V₀
• относительные потери теплоты вследствие химического не­ дожога, когда в продуктах горения имеются СО, Н и СН₄,
q₃ = Q₃ / Q_T
относительные потери теплоты вследствие механического недожога, когда в золе и шлаке имеются невыгоревшие частицы топлива,
По конструкции топливосжигающие устройства весьма разно­образны, но при их создании стремятся к увеличению диапазона регулирования тепловой мощности, снижению коэффициента из­бытка воздуха и потерь. Для сжигания жидкого топлива служат форсуночные устройства, состоящие из форсунки и воздухонаправ-ляющего устройства (рис. 2.2). По способу распыления топлива форсунки можно разделить на 3 группы: 1) с распыляющей средой (воздух или пар); 2) механические и 3) комбинированные (газоме­ханические).