Термодинамика. Терм. Техническая термодинамика
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
9.6. Б ИНАРНЫЕ ЦИКЛЫ Из рассмотрения циклов теплосиловых установок можно сформулировать требования к свойствам наиболее удобного (с термодинамической и эксплуатационной точек зрения) рабочего тела. Эти условия таковы: 200 1. Рабочее тело цикла должно иметь более высокую критическую температуру при достаточно низком критическом давлении, чем у воды. 2. Свойства рабочего тела также должны быть такими, чтобы высокий термический КПД достигался без перехода к чрезмерно высоким давлениям, которые приводят к большому усложнению установки. Вместе с тем рабочее тело должно быть таким, чтобы его давление насыщения при высшей температуре цикла было не слишком низким; слишком низкое давление насыщения потребует применения глубокого вакуума в конденсаторе, что сопряжено с большими техническими сложностями. 3. Рабочее тело должно быть недорогим; оно не должно быть агрессивным в отношении конструкционных материалов, из которых выполняется теплосиловая установка; оно не должно быть токсичным. В настоящее время нет рабочих тел, удовлетворяющих этим требованиям в широком температурном интервале. Поэтому можно осуществить цикл, используя комбинацию двух рабочих тел, применяя каждое из них в той области температур, где это рабочее тело обладает преимуществами. Циклы такого рода называются БИНАРНЫМИ. Схема теплосиловой установки, в которой осуществляется бинарный ртутно-водяной цикл, показана на рис. 9.32. Рис. 9.32. Схема теплосиловой установки с бинарным ртутно-водяным циклом: I – ртутный котел; II – ртутная турбина; III – теплообменник (конденсатор-испаритель); IV – ртутный насос; 1 – пароперегреватель; 2 – паровая турбина; 3 – конденсатор; 4 – водяной насос; Г – генератор I II III IV 1 2 3 4 2 p 3 p 4 p Г 1 p 201 В ртутном котле I к ртути подводится теплота, ртуть испаряется, и сухой насыщенный пар ртути при давлении 1 p поступает в ртутную турбину II, где он совершает работу, отдаваемую соединенному с этой турбиной электрогенератору Г. По выходе из турбины отработавший ртутный пар направляется в теплообменник (конденсатор-испаритель) III, где конденсируется при давлении 2 p , и затем жидкая ртуть насосом IV подается в котел I; в насосе давление ртути повышается от 2 p до 1 p Конденсатор-испаритель представляет собой поверхностный теплообменник, в котором конденсирующийся ртутный пар отдает теплоту охлаждающей воде. За счет этой теплоты вода в конденсаторе-испарителе нагревается до кипения и испаряется. Насыщенный водяной пар из конденсатора-испарителя направляется в пароперегреватель 1, размещаемый обычно в газоходе ртутного котла. Перегретый водяной пар при давлении 3 p поступает в паровую турбину 2, соединенную с электрогенератором. Отработавший водяной пар с давлением 4 p конденсируется в конденсаторе 3; затем насос 4 подает воду в конденсатор-испаритель. Т – S диаграмма рассматриваемого бинарного цикла представлена на рис. 9.33. Рис. 9.33. Т–S диаграмма ртутно-водяного цикла: a–b – адиабатный процесс в ртутной турбине; b–c – отвод теплоты от конденсирующегося ртутного пара в конденсаторе-испарителе; c–d – процесс в ртутном насосе; d–e–a – изобарный процесс подвода теплоты к ртути в ртутном котле c 4 3 2 d b a e 1 Ртуть Вода T 202 Пароводяная часть цикла представляет собой обычный цикл Ренкина с перегретым паром. Ртутная надстройка над пароводяным циклом представляет собой цикл Ренкина с влажным паром. Термический КПД бинарного цикла определяется выражением PT B P T PT B P 1 1 η m l l m q q + = + , (9.32) где PT l и B l – величина работы, произведенной в ртутной и пароводяной частях цикла, а PT 1 q и B 1 q – количество теплоты, подводимой в ртутной и пароводяной частях цикла; значения l и q, как обычно, даются в расчете на 1 кг рабочего тела, а различие в количествах рабочего тела в ртутной и пароводяной частях цикла учитывается кратностью циркуляции ртути p m , которая равна отношению массы ртути к массе воды. Важно подчеркнуть, что в бинарном цикле B 1 q – это теплота, затрачиваемая на перегрев водяного пара, поскольку нагрев воды до кипения и испарения воды осуществляется за счет теплоты, отдаваемой конденсирующимся ртутным паром. Применение ртутной надстройки над пароводяным циклом позволяет существенно повысить термический КПД цикла, который достигает 0,8–0,85 от значения КПД цикла Карно, работающего в тех же температурных пределах. 9.7. Ц ИКЛЫ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК Парогазовые установки (ПГУ) представляют собой комбинацию паротурбинной и газотурбинной установок, а термодинамический цикл ПГУ – это комбинированный цикл, состоящий из цикла паротурбинной установки (цикла Ренкина) и цикла газотурбинной установки (цикла Брайтона). Поэтому комбинированный цикл ПГУ также называют циклом Ренкина ‒ Брайтона. Такой цикл является разновидностью бинарных циклов. В комбинированных циклах ПГУ цикл ГТУ занимает область высоких температур, а цикл Ренкина – область низких температур. Такое взаимное расположение циклов объясняется следующими соображениями. Во-первых, 203 максимальные температуры газа в современных ГТУ (1250–1500 o C ) существенно выше максимальных температур пара (550–600 o C ) паротурбинных установок. Во-вторых, теплоту уходящих газов ГТУ, имеющих температуру 400–600 o C , выгоднее использовать в низкотемпературном (паротурбинном) цикле, нежели просто отдавать эту теплоту в окружающую среду при высокой средней температуре. Наиболее эффективными являются парогазовые установки с котлом- утилизатором. Принципиальная схема такой установки представлена на рис. 9.34. Рис. 9.34. Схема парогазовой установки Газотурбинная установка включает воздушный компрессор К, камеру сгорания КС, газовую турбину ГТ и электрический генератор Г1. Паротурбинная установка включает паровую турбину 1, конденсатор 2, насос 3 и электрический генератор Г2, а также котел утилизатор КУ, в котором образуется перегретый пар за счет теплоты газов, покидающих газовую турбину. В рассматриваемой установке подвод теплоты от верхнего (горячего) источника осуществляется только в газотурбинном цикле. Подвод теплоты к нижнему циклу осуществляется только за счет теплоты, отведенной от верхнего цикла. Таким образом, комбинированный цикл ПГУ – это бинарный цикл, состоящий из цикла газотурбинной установки (цикла Брайтона) и цикла паротурбинной установки (цикла Ренкина). На рис. 9.35 приведен термодинамический цикл парогазовой установки. К КС 2 3 ГТ Г1 Г2 КУ 1 Топливо Воздух 204 КПД бинарного парогазового цикла тем больше, чем больше КПД исходных циклов газотурбинной и паротурбинной установок, а также, чем выше КПД котла-утилизатора. Рис. 9.35. Цикл парогазовой установки: 1–2–3–4–5–1 – пароводяной цикл, 1’–2’–3’–4’–1’ – газовый; 4–5–1 – передача теплоты от газов к питательной воде в газоводяном подогревателе Для повышения КПД котла-утилизатора используют котлы-утилизаторы и паровые турбины двух или трех давлений. Для повышения КПД газотурбинной части ПГУ используются способы повышения КПД циклов газотурбинных установок – повышение температуры газа перед газовой турбиной и введение многоступенчатого сжатия и расширения рабочего тела. Для повышения КПД паротурбинной части ПГУ можно применить промежуточный перегрев пара. Парогазовые установки имеют значения КПД 0,5–0,6. 9.8. Ц ИКЛ МГД- УСТАНОВОК Во второй половине XX столетия в связи с прогрессом в разработках методов получения низкотемпературной плазмы и высокотемпературных конструкционных материалов возник интерес к тепловым установкам с магнитогидродинамическими (МГД) генераторами. В ряде стран были развернуты интенсивные исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию МГД-генераторов для тепловых электростанций. Отнесение МГД- генераторов к устройствам прямого преобразования теплоты в электроэнергию 1 2 3 4 5 1' 2' 3' 4' T S 205 является в известной степени условным. В самом деле, в этих генераторах теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, расходуется на нагрев рабочего тела, рабочее тело расширяется в сопле, приобретая значительную кинетическую энергию, и только затем эта кинетическая энергия, а также энтальпия рабочего тела преобразуются в канале МГД-генератора в электроэнергию. В этой связи МГД-генераторы правильнее называть устройствами безмашинного преобразования теплоты в электроэнергию, подчеркивая этим то обстоятельство, что в отличие от обычных турбогенераторов в МГД-генераторах отсутствуют движущиеся части. Это отличие является принципиальным преимуществом МГД-генератора, обеспечивающим его большую эффективность. Рис. 9.36. Схема МГД-генератора: 1 – сопло; 2 – канал; 3 – электроды На рис. 9.36 представлена схема МГД-генератора, принцип действия которого состоит в следующем. Газ, служащий рабочим телом, совместно с небольшим количеством легко ионизирующейся добавки (щелочными металлами, например калием или цезием) нагревается за счет подвода теплоты от горячего источника до столь высоких температур, что частично ионизируется, т.е. переходит в плазменное состояние. В этом состоянии он представляет собой смесь свободных электронов с электрически нейтральными атомами и ионами, т.е. является электропроводящей средой. Затем этот газ расширяется в сопле 1, где приобретает весьма высокую скорость (порядка 1000 м/с) и поступает в канал 2 МГД-генератора. Канал МГД-генератора находится в магнитном поле В (это магнитное поле создается с помощью 206 специальной магнитной системы), силовые линии которого перпендикулярны направлению скорости потока. При пересечении проводником силовых линий магнитного поля в этом проводнике возникает ЭДС. Поскольку частично ионизированный газ является электропроводящей средой, при движении этого газа в магнитном поле также возникают ЭДС и электрический ток; этот ток течет в направлении, перпендикулярном плоскости, проходящей через векторы скорости газа и индукции магнитного поля. Таким образом, в рабочем объеме МГД-генератора генерируется электроэнергия, отводимая с электродов 3, подключаемых к потребителю электроэнергии. Удельная мощность, вырабатываемая МГД-генератором, пропорциональна величине электропроводности рабочего тела и квадрату скорости рабочего тела в канале. В МГД-генераторе в электроэнергию преобразуется энергия потока плазмы, движущейся в канале генератора (подобно тому, как в турбогенераторе в электроэнергию преобразуется кинетическая энергия вращения ротора). Основное преимущество МГД-генератора состоит в том, что он позволяет более эффективно по сравнению с газотурбинными и паротурбинными установками использовать теплоту высокого температурного потенциала, выделяющуюся при сгорании топлива (химического или ядерного). Отсутствие в МГД-генераторе движущихся частей, подобных лопаткам турбины, испытывающих помимо термических огромные механические напряжения, позволяет резко повысить температуру используемого в МГД-генераторе рабочего тела. Температура газа на входе в МГД-генератор, работающий на продуктах сгорания органических топлив, может достигать 2500–2600 °С по сравнению с максимальной температурой 650 °С в паровых и до 1500 °С в газовых турбинах. Благодаря этому значительно возрастает термический КПД теплосиловой установки. Если учесть при этом, что МГД-генератор имеет мало ограничений по сосредоточению больших мощностей в одном агрегате (причем, как показывает детальный анализ, КПД генератора растет с увеличением мощности), то становится очевидной перспективность теплосиловых установок с МГД-генераторами для большой энергетики. 207 Теплосиловые энергетические установки с МГД-генератором могут выполняться по двум схемам: по схеме открытого цикла и по схеме замкнутого цикла. Схема МГД-установки, работающей по открытому циклу, представлена на рис. 9.37. Рис. 9.37. Схема МГД-установки, работающей по открытому циклу: 1 – компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – МГД-генератор; 4 – воздухоподогреватель; 5 – парогенератор; 6 – паровая турбина; 7 – конденсатор; 8 – насос Атмосферный воздух сжимается компрессором 1 до давления 1 p и подается в камеру сгорания 2. В эту же камеру сгорания подается топливо. Сгорание в камере происходит при постоянном давлении 1 p = const. Из камеры сгорания горячие продукты сгорания поступают в МГД-генератор 3. Перед МГД-генератором в поток рабочего тела вводится упоминавшаяся выше ионизирующая добавка. В МГД-генераторе рабочее тело – ионизированные продукты сгорания – адиабатно расширяется от состояния с давлением 1 p и температурой 1 T на входе до состояния с давлением 2 p и температурой 2 T на выходе, совершая при этом работу (производя электроэнергию). Продукты сгорания, выходящие из МГД-генератора и имеющие весьма высокую 1 T , 1 p 2 T , 2 p 208 температуру, превышающую 2000 °С, поступают в регенеративный теплообменник – воздухоподогреватель 4, где они охлаждаются, подогревая воздух, подаваемый в камеру сгорания. Продукты сгорания, выходящие из воздухоподогревателя, имеют еще высокую температуру. Естественно, необходимо эффективно использовать теплоту высокого температурного потенциала. Одним из решений является использование второго, нижнего теплосилового цикла – пароводяного. После воздухоподогревателя продукты сгорания поступают в парогенератор 5, где они отдают теплоту воде, циркулирующей в пароводяном контуре установки. Пар, полученный в этом парогенераторе, поступает в паровую турбину 6, где, расширяясь, производит работу. Затем пар конденсируется в конденсаторе 7, и далее насосом 8 вода направляется снова в парогенератор 5. Продукты сгорания охлаждаются в парогенераторе 5 примерно до 150 °С. После парогенератора они выбрасываются в атмосферу. Установка, выполненная по рассмотренной схеме, представляет собой по существу еще одну разновидность бинарных теплосиловых установок. Цикл МГД-установки, работающей по открытой схеме, изображен на Т,s-диаграмме (рис. 9.38). Здесь 1–2–3–4–5–6–7–1 – МГД-ступень цикла, a I–II–III–IV–V–I – пароводяная ступень цикла. На этой диаграмме 1–2 – процесс адиабатного сжатия в компрессоре от давления 2 p до давления 1 p ; 2–3–4 – изобара подвода теплоты в цикле при 1 p =const (здесь 2–3 – подвод теплоты в регенеративном воздухоподогревателе, а 3–4 – подвод теплоты в камере сгорания); 4–5 – адиабатный процесс расширения с производством работы в МГД- генераторе; 5–6–7–1 – изобарный ( 2 p =const) процесс отвода теплоты в цикле; 5–6 – отдача теплоты воздуху в регенеративном теплообменнике 4; 6–7 – отдача теплоты воде в парогенераторе 5; 7–1 – отвод теплоты к холодному источнику (с продуктами сгорания, выбрасываемыми в атмосферу). 209 Рис. 9.38. Цикл МГД-установки, работающей по открытой схеме В пароводяной ступени I–II – адиабатное расширение пара с отдачей внешней работы в турбине; II–III – изобарный процесс отвода теплоты в конденсаторе; III–IV–V–I – изобарный процесс подвода теплоты в парогенераторе. Термический КПД цикла МГД-установки определяется соотношением, аналогичным уравнению для η T бинарного цикла: 1 η A B T l l q + = , (9.33) где A l и B l – работа, производимая соответственно в МГД-цикле и в паротурбинном цикле, 1 q – подведенное количество теплоты. Термический КПД цикла МГД-установки составляет примерно =0,7. Этa величина выше соответствующего КПД лучших существующих паротурбинных и газотурбинных установок. На рис. 9.39 изображена схема МГД-установки, работающей по замкнутому циклу. 210 Рис. 9.39. Схема МГД-установки, работающей по замкнутому циклу: 1 – компрессор; 2 – ядерный реактор; 3 – МГД-генератор; 4 – парогенератор; 5 – теплообменник; 6 – турбогенератор; 7 – конденсатор; 8 – насос В этой установке рабочее тело сохраняется в контуре неизменным. Это позволяет использовать в качестве рабочего тела любой газ, наиболее подходящий по своим физическим свойствам, а не только воздух и продукты сгорания – единственно возможное рабочее тело в установках открытого цикла. В качестве горячего источника теплоты в замкнутом цикле может быть использован ядерный реактор. Рабочее тело, сжимаемое компрессором 1 от давления 2 p до давления 1 p , подается в ядерный реактор 2, где нагревается от температуры 2 T до температуры 1 T . Рабочее тело поступает в МГД-генератор 3, в котором, совершая работу, адиабатно расширяется от давления 1 p до давления 2 p Затем, как и в открытом цикле, рабочее тело поступает в парогенератор 4, где передает теплоту воде – рабочему телу пароводяного контура. Ввиду того, что температура газа на выходе из парогенератора 4 обычно все-таки несколько высока для газа, подаваемого в компрессор, этот газ дополнительно охлаждают в водяном теплообменнике 5. Элементы пароводяного контура, изображенного на рис. 3, те же, что и на рис. 9.36. 1 T , 1 p 2 T , 2 p 2 p 211 Цикл МГД-установки , работающей по замкнутой схеме, изображен в Т, s-диаграмме на рис. 9.40. Рис. 9.40. Цикл МГД-установки, работающей по замкнутой схеме Обозначения в нижней, пароводяной, ступени цикла – те же, что и на рис. 9.37. Что же касается верхней ступени цикла, то здесь 1–2 – адиабатное сжатие в компрессоре; 2–3 – изобарный ( 1 p = const) процесс подвода теплоты; 3–4 – адиабатное расширение с отдачей работы в МГД-генераторе; 4–5–1 – изобарный ( 2 p = const) процесс отвода теплоты (4–5 – отвод теплоты к пароводяной ступени, 5–1 – отвод теплоты в водяном теплообменнике). Следует заметить, что в качестве рабочего тела МГД-установки, работающей по замкнутому циклу, удобнее всего использовать аргон или гелий. Эти газы обладают замечательным качеством – при более низких, чем в случае использования продуктов сгорания, температурах они с соответствующими добавками цезия или калия дают возможность иметь большую электропроводность по сравнению с электропроводностью продуктов сгорания. Так, при использовании гелия с добавкой паров цезия в качестве верхней температуры можно выбрать температуру 2000 °С; при этом электропроводность будет такой же, как и для продуктов сгорания при 2500 °С. Это обстоятельство упрощает задачу создания МГД-генератора с применением современных высокотемпературных конструкционных материалов. 212 Термический КПД МГД-установки, работающей по замкнутому циклу, составляет около 0,65. Таким образом, замкнутая схема МГД-установки, так же как и открытая, обеспечивает высокое значение термического КПД. За последние десятилетия был создан ряд МГД-установок, способных работать в импульсном режиме (с длительностью импульса несколько десятков секунд). Что же касается МГД-установок для тепловых электростанций, то сроки их создания будут определяться прогрессом в развитии методов повышения электрофизических характеристик низкотемпературной плазмы, а также прогрессом в разработке высокотемпературных конструкционных материалов с длительным ресурсом работы и в создании магнитных систем (со сверхпроводящей обмоткой) для МГД-генератора. |