1.1. Основные понятия в теплоэнергетике

На современном этапе развитие человеческой цивилизации невозможно без широкого использования энергии. Энергетика – это отрасль народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, производство, преобразование, передачу и использование различных форм энергии. Основными формами применяемой в настоящее время энергии являются теплота и электричество.

Многообразие форм существования энергии, свойство их взаимопревращения позволяют использовать для производства и потребления энергии различные топливно-энергетические ресурсы и энергоносители, определяют их взаимозаменяемость. Понимание единства и эквивалентности разных форм энергии сложилось к середине XIX века, когда был накоплен большой опыт преобразования одних форм энергии в другие. Естественным обобщением огромного объема накопленных данных по преобразованию одних форм энергии в другие явился закон сохранения и превращения энергии – один из основных фундаментальных законов природы (см. вторую книгу).

Потребность в преобразовании энергии связана с необходимостью применения конкретных форм энергии (главным образом теплоты и электроэнергии) в современных технологических процессах при достаточно большом разнообразии первичных энергоресурсов для их получения. При этом даже эти два вида энергии применяются в различных формах: теплота – в виде пара, нагретых газов и воды при разных значениях температуры, а электрическая – в виде переменного или постоянного тока и при разных уровнях напряжения.

Первичными источниками тепловой энергии в основном были и остаются органические топлива (уголь, природный газ, нефть, горючие сланцы и др.). Анализ всех взаимосвязей между источниками энергии (энергоресурсами), тепловой энергией и устройствами для получения работы (электроэнергии) относится к сфере теплоэнергетики. Теплоэнергетика – отрасль энергетики, занимающаяся преобразованием теплоты в другие виды энергии, главным образом в механическую и электрическую. Предметом изучения теплоэнергетики являются термодинамические циклы и схемы энергоустановок, степень их совершенства, вопросы горения топлива, теплообмена, теплофизические свойства рабочих тел и теплоносителей и др.

Преобразование энергии осуществляется в различных машинах, аппаратах и устройствах. В энергетике в основном используются пять видов установок: генерирующие, преобразующие, аккумулирующие, транспортирующие и потребляющие.

Техническую основу современной теплоэнергетики составляют теплосиловые установки тепловых электростанций (ТЭС), которые состоят из котлоагрегатов и паровых турбин (рис.1.1).

Над совершенствованием установок, преобразующих тепловую энергию в электрическую, работают более 100 лет. Энергетическая ценность энергоресурсов, эффективность их использования, степень совершенства процессов и установок, технологических стадий энергетического производства определяются коэффициентом полезного действия (к.п.д.) энергоустановки. К.п.д. большинства угольных тепловых электростанций в мире составляет менее 35 – 40%, максимально достигнутый – 45%; на ПГУ и ГПУ – в среднем менее 50%, максимально достигнутый – 60%.

Установки, в которых преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется без электромеханических генераторов, называются установками прямого преобразования энергии. К ним относятся магнито-гидродинамические генераторы (МГДГ), термоэлектрические генераторы (ТЭГ), термоэмиссионные преобразователи энергии (ТЭмП).

Понятие о к.п.д. цикла преобразования теплоты в механическую энергию

Преобразование теплоты в механическую энергию в теплосиловых установках основано на способности газоили парообразного тела совершать механическую работу при изменении его объёма. Газоили парообразное тело, способное совершать механическую работу при изменении его объёма, называетсярабочим телом. При этом рабочее тело (газ или пар) должно совершить замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл). В результате такого цикла от одного или нескольких источников теплоты отбирается определённое количество теплотыQ1и одному или нескольким источникам теплоты отдаётся количество теплоты Q2, меньшее Q1. При этом разность Q1–Q2 превращается в механическую работуАтеор.Отношение полученной работы к затраченной теплоте называется термическим к.п.д. этого цикла:

(1.1)

В простейшем случае цикл может быть осуществлён при одном источнике теплоты с температуройT1, отдающем теплоту рабочему телу, и одном источнике теплоты с температуройT2, воспринимающем теплоту от рабочего тела. При этом в температурном интервалеT1–T2 наивысший к.п.д.ηксреди всех возможных циклов имеет цикл Карно, т. е. ηк= =1–T2/T1≥ηt. К.п.д., равный 1, т. е. полное превращение теплотыQ1в работу, возможен либо приT1=∞, либо приТ2=0. Оба эти условия нереализуемы. В земных условиях температураT2для теплоэнергетических установок должна в лучшем случае приниматься равной температуре То окружающей среды (воздуха или водоёмов). Получить источник теплоты с температуройT2<То можно лишь с помощью холодильной машины, которая для своего действия требует затраты работы.

Процессы, протекающие в реальных установках, преобразующих теплоту в другие виды энергии, сопровождаются различными потерями, в результате чего получаемая действительная работа Адейств.оказывается меньше теоретически возможной работы Атеор.Отношение этих работ называется относительным эффективным к.п.д.установкиηоэ, т.е.

 

(1.2)

Из формул (1.1) и (1.2) получаем

 

Адейств.=Ql·ηt·ηоэ=Q1ηэ,

где ηэ=ηt·ηоэ — эффективный к.п.д. установки.

Рис. 1.1. Общая схема тепловой электростанции на угле

При прочих равных условиях эффективность преобразования теплоты в работу зависит от температуры, при которой эта теплота передаётся рабочему телу. Максимальная работа, которая может быть получена за счёт некоторого количества теплотыQ, отбираемого при температуреТ1при заданной температуре среды То, называется работоспособностью, или эксергией Е этой теплоты, т. е.

(1.3)

Из формулы (1.3), в частности, видим, что приТ1=Тоэксергия теплоты равна нулю.

В наиболее полном варианте установки, преобразующие теплоту в механическую работу (например паросиловые установки), включают: рабочее тело, осуществляющее замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл); системы подвода теплоты к рабочему телу от источника тепловой энергии; одну или несколько машин, воспринимающих работу рабочего тела или отдающих ему работу; системы отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду. По способу передачи теплоты к рабочему телу различают установки с внешним подводом (теплота подводится к рабочему телу от внешнего источника в теплообменнике) и установки с внутренним подводом (рабочее тело – продукты сгорания топлива).

Пар и его основные параметры. Назначение пара в энергетике

Рабочим телом, преобразующим теплоту в механическую работу в теплосиловых установках, является пар или газ. Пар – газообразное состояние вещества в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой или твердой фазами того же вещества.

Принципиального различия между газом и паром нет. При достаточно высокой температуре и низких давлениях, например в продуктах сгорания топлива, пар, как и газ, по своим свойствам приближается к идеальному газу и подчиняется законам идеальных газов. Таким образом, водяной пар наряду с твердой и жидкой фазами является одной из форм существования воды в природе. Водяной пар используется в качестве рабочего тела в паросиловых установках, в качестве теплоносителя в системах вентиляции, теплои водоснабжения, а также используется в технологических целях.

Основные преимущества использования водяного пара как теплоносителя заключаются в следующем:

• пар образуется из воды, которая в природе является относительно легкодоступной;
• пар может сохранять и переносить значительное количество теплоты при относительно низкой температуре в сравнении с другими жидкостями или газами;
• давление и температуру пара можно регулировать в широком диапазоне в зависимости от потребностей;
• пар можно подавать к местам применения, используя лишь его внутреннюю энергию;
• пар можно использовать для покрытия изменяющихся тепловых нагрузок без дополнительных затрат энергии;
• пар может использоваться для отопления, горячего водоснабжения и производственных нужд;
• потери пара просто обнаруживаются и достаточно просто восполняются;
• водяной пар экологичен, не представляет опасности для здоровья и окружающей среды, не пожароопасен и не приводит к загрязнениям.

Поскольку насыщенный пар образуется в котле при условиях равновесия, то присутствующее в нем количество теплоты не превышает сумму энтальпии воды (энтальпия воды – теплота, затраченная на нагревание 1 кг воды от 0°С до температуры насыщения) и теплоты парообразования или испарения (теплота, затраченная на превращение 1 кг воды с температурой насыщения в сухой насыщенный пар). Даже небольшие потери теплоты приводят к конденсации пара. Кроме того, при образовании в котлах насыщенного пара вместе с выходящим паром имеет место вынос воды. Это происходит из-за интенсивного образования пузырей пара при кипении воды. Вынос воды усиливается при высоком содержании растворенных твердых частиц в котловой воде, высоком уровне воды в котле и внезапных чрезмерных расходах пара. Выносимые капельки воды содержат растворенные твердые частицы, которые находились в котловой воде. С повышением давления в котле вынос уменьшается.

Теоретически насыщенный пар является сухим, но на практике он всегда влажный. Степень сухости насыщенного пара равна процентному содержанию чистого пара в пароводяной смеси. При хорошей эксплуатации котла степень сухости может достигать 93% и более. В нагревательных устройствах теплоизолирующие водные пленки значительно влияют на теплопередачу. Поэтому для отпуска конечным пользователям пара высокого качества следует принимать меры по максимальному уменьшению конденсации пара и выноса воды.

Водяной пар обычно получают в котельных агрегатах (паровых котлах) и независимо от назначения, типов, размеров и конструкции котельных агрегатов всегда принципиально одинаковыми способами при постоянном давлении.

Если при некотором давлении воду нагреть до определенной температуры (для воды при атмосферном давлении – 101,325 кПа или 760 мм рт.ст. – эта температура составляет 100°С), то она закипит, т.е. начнется процесс интенсивного парообразования. Будет генерироваться пар, имеющий ту же температуру, что и кипящая вода, но при существенно большем объеме (объем пара при 100°С в 1673 раза больше объема воды при 4°С). Пар над жидкостью в таком состоянии носит название насыщенного пара. В процессе парообразования масса воды будет постепенно уменьшаться, а масса пара – увеличиваться. До тех пор, пока остается некоторое количество воды, температура системы, несмотря на непрекращающийся подвод теплоты, постоянна. Состояние, при котором вода и пар находятся в равновесии, называется состоянием насыщения, характеризующимся давлением насыщения и температурой насыщения. Моменту, когда последняя капля воды испарилась, соответствует состояние сухого насыщенного пара. Следовательно, сухим насыщенным паром называется пар, не содержащий капель жидкости и получающийся в конце процесса парообразования. Он все еще находится при температуре насыщения. Только после превращения всей воды в пар температура пара может начать повышаться.

Если процесс испарения проводить при давлениях, отличных от атмосферного, то температура испарения изменяется: с ростом давления температура испаряемой воды растет. Влажным насыщенным паром называют смесь сухого пара с каплями влаги, равномерно распределенной во всем объеме пара. В присутствии жидкости происходит образование только насыщенного пара, поэтому влажный пар называют влажным насыщенным. Его можно рассматривать как смесь сухого насыщенного пара с мельчайшими каплями воды, взвешенными в массе пара. Состав влажного пара определяют в массовых долях, для чего вводят понятие степени сухости пара. Под степенью сухости насыщенного пара или под паросодержанием понимают долю сухого пара в 1 кг влажного.

В паропровод можно включить осушитель пара – сепаратор влаги. Важно правильно размещать эти сепараторы. Если сепаратор установлен около котла, то он может высушивать пар до того, как последний начнет поступать в выходной паропровод. Однако вследствие тепловых потерь в трубопроводе после сепаратора и сопутствующей этому конденсации пара он будет поступать к месту использования несколько увлажненным. Если установить сепаратор вблизи места использования, пар будет подаваться на оборудование практически сухим. Конденсат, образующийся в парораспределительных коллекторах и главных паропроводах, следует систематически удалять через спускные устройства.

Воздух заполняет паровой объем (котлов, труб, теплообменников и т.п.), как только подача пара прекращается, так как остающийся в системе пар постепенно конденсируется и создается разрежение. Кроме того, воздух поступает в паровые системы с питательной водой котла. После термической деаэрации некоторое количество кислорода и азота все же остается в питательной воде. Введение химических добавок позволяет связать только кислород. При разложении карбонатов, содержащихся в питательной воде котла, образуется газообразная двуокись углерода. Газы, как правило, не растворяются в воде при температурах, характерных для котлов, они выходят из котла с паром и накапливаются в застойных зонах энергооборудования. Воздух и неконденсирующиеся газы увеличивают термическое сопротивление теплообменных поверхностей, искажают тепловые характеристики и создают неравномерность нагрева поверхностей, а кислород к тому же вызывает в присутствии влаги коррозию. Поэтому следует принимать меры для устранения неконденсирующихся газов в паровых системах за счет качественной водоподготовки и деаэрации.

Чем выше степень влажности пара, тем меньше энергии он содержит в I кг. Например, сухой пар давлением в 0,8 МПа содержит 2769 кДж/кг, при 93% степени сухости и давлении 0,8 МПа – 2626 кДж/кг; при 85% степени сухости и том же давлении – 2462 кДж/кг. Качественная изоляция труб помогает сократить такие потери энергии, а также минимизировать проблемы, связанные с увлажнением пара.

Как отмечалось выше, к моменту испарения всей воды образуется сухой насыщенный пар. Если к сухому насыщенному пару продолжать подводить теплоту при постоянном давлении, температура его будет расти, т.е. пар будет иметь температуру, более высокую, чем температура насыщения при том же давлении, поэтому он называется перегретым паром.

Таким образом, по термодинамическому состоянию различают насыщенный пар и перегретый пар.Насыщенным называют пар, который находится в динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образован.Перегретый пар имеет температуру выше температуры насыщения при данном давлении.

Состояние пара характеризуется такими термодинамическими параметрами, как давление (Па, МПа), удельный объем (м3/кг), температура (°С, К), энтальпия (от греческого «enthalpo» – «нагреваю») (кДж/кг), внутренняя энергия (кДж/кг), энтропия (кДж/кг), степень перегрева и степень сухости.

В зависимости от начальных параметров пара (давления и температуры) на сегодняшний день различают установки низких, средних, высоких, докритических, критических, сверхкритических и суперсверхкритических параметров пара (табл.1.1).

Тепловая энергия пара превращается в механическую в тепловых энергетических установках – паровых машинах и паровых турбинах. Для современной крупной теплоэнергетики практический интерес представляют только паросиловые устновки (ПСУ) на базе паровых турбин. Паровые машины могут быть использованы для когенерационных многотопливных установок небольшой мощности (менее 500 кВт).

В паросиловой установке, работающей на насыщенном паре, можно осуществить цикл Карно, позволяющий в заданных границах температур T1 и T2 получить максимальный к.п.д.

Рассмотрим T–S диаграмму цикла Кaрно для водяного пара (рис. 1.2), гдеТ– абсолютная температура, аS– энтропия. Кривая A–K–B является пограничной для системы вода–водяной пар.

Отрезок диаграммы 4–1 соответствует процессу подвода тепла при преобразовании воды в водяной пар до получения сухого пара. Поскольку при фазовом переходе не изменяются ни температура, ни давление, то этот процесс является как изотермическим (с температуройT1), так и изобарным (с давлением p1) одновременно.

Отрезок1–2соответствует адиабатическому расширению пара в паровой турбине. После турбины пар поступает в конденсатор, в котором происходит фазовый переход пара в воду и отводится тепло. Этот процесс (отрезок 2–3) также является изотермическим (с температуройT2) и изобарным (с давлением p2). Процесс3–4соответствует сжатию в компрессоре. Точку3выбирают таким образом, чтобы сжатие проводилось по адиабате.

Но на практике идеальный цикл Карно для водяного пара неосуществим. Поскольку в точке3 процесс конденсации пара не завершен, удельный объем влажного пара при давленииp2и температуреT2так велик, что для его сжатия в компрессоре больших размеров нужно выполнить значительную работу. Поэтому реальная полезная работа цикла Карно будет намного меньше теоретической.

Таблица 1.1 Классификация параметров пара в зависимости от начальных давления и температуры

Параметрыпара	Давление,МПа	Температура,°С
Низкие	<1,3	200–330
Средние	5	420–450
Высокие	9	480–535
Докритические	13	540
Критические	16	540
Сверхкритические	24	540
Суперсверхкритические	30ибольше	650ивыше

Чтобы уменьшить расход энергии на сжатие, целесообразно провести конденсацию пара до конца (точка5). В этом случае будет сжиматься вода, которая практически не меняет плотности и имеет малый удельный объем. Поэтому выполняемая работа сжатия будет незначительной и пойдет лишь на проталкивание воды до достижения рабочего давленияp1. На отрезке5–4 будет происходить изобарный нагрев воды до температуры T1. Цикл паросиловой установки с полной конденсацией водяного пара называютциклом Ренкина. Его к.п.д. меньше теоретического к.п.д. цикла Карно, но именно цикл Ренкина применяется в паросиловых установках современных тепловых и атомных электростанций. В этих установках котел (или парогенератор) вырабатывает перегретый или насыщенный пар, который поступает в паровую турбину. Отработавший пар, имеющий более низкие температуру и давление, конденсируется и возвращается в цикл.

Развитие паровых двигателей начиная с XIX столетия шло в направлении повышения к.п.д. и увеличения быстроходности. Для повышения их к.п.д. стали на путь увеличения рабочего давления пара и применения многократного его расширения. Для этой цели в паровых двигателях стали применять перегретый пар. При этом повышается к.п.д. цикла Ренкина (рис.1.3). Сухой насыщенный пар из парового котла направляется в пароперегреватели для изобарного нагрева при давленииp1(точка1диаграммы).

Расширение в турбине перегретого пара соответствует адиабате1–2. Процесс конденсации пара в конденсаторе описывается отрезком2–2′. После конденсатора с помощью питательного насоса давление воды повышается до рабочего практически при постоянном объеме (изохорный процесс2′–3), и она поступает в паровой котел. Отрезок3–4отвечает процессу нагрева воды в котле до температуры ее кипения при давленииp1. Из рис. 1.3 видно, что при применении перегретого пара термический к.п.д. цикла Ренкина выше, чем для цикла с насыщенным паром, так как выше средняя температура подвода теплоты.

Рис. 1.2. Циклы Карно и Ренкина для насыщенного пара

Регенеративный подогрев питательной воды паром, отобранным из промежуточных ступеней паровой турбины, приводит к повышению доли полезно используемой теплоты в цикле по сравнению с отведенной теплотой, в результате чего увеличивается к.п.д. цикла. На рис. 1.3 пунктиром показана кривая 6–2′′, которая характеризует отбор теплоты водяного пара из турбины для нагрева питательной воды на участке3–4. Таким образом, уменьшается длина отрезка изотермической отдачи теплоты в конденсаторе на величину2–2′′, а значит, и потери теплоты в нем. В качестве подогревателей питательной воды в схемах с регенеративным подогревом могут использоваться теплообменники смешивающего и поверхностного типов. В мощных паросиловых установках количество регенеративных отборов может достигать девяти.

Рис. 1.3. Цикл Ренкина для перегретого пара

Рис. 1.4. Цикл Ренкина для перегретого пара с промежуточным перегревом

Из вышесказанного следует,что термический к.п.д. паросиловой установки тем выше, чем больше перепад энтальпий на входе и выходе паровой турбины. Поэтому для увеличения к.п.д. следует повышать параметры острого пара (давлениеp1и температуруT1) и снижать давление в конце расширенияp2 (в конденсаторе). Наибольший эффект от повышения энтальпии острого пара достигается при одновременном увеличении давления и температуры (рис. 1.4), что объясняет тенденцию внедрения установок с максимально высокими параметрами пара.

Значения p1 и T1 ограничиваются жаропрочными характеристиками металлов, из которых изготовлено оборудование паросиловой установки. Минимально возможный уровень конечного давленияp2определяется оптимальным соотношением затрат, требуемых для его достижения, и термодинамической выгодой, которая будет получена при снижении конечного давления до уровняp2. В реальных условиях давление в конденсаторе составляетp2= 1–3,5 кПа, что намного меньше атмосферного.

Однако рост начального давления и снижение конечного одновременно с увеличением перепада энтальпий приводят к повышению влажности пара в конце расширения (точка2на рис. 1.4). В реальной турбине конечная влажность пара не должна превышать 12%. При большей влажности происходит снижение к.п.д. турбины и увеличивается механический износ ее лопаток каплями влаги. Поэтому для поддержания допустимой влажности при возрастании параметров острого пара используют промежуточный перегрев: после ступени высокого давления, в которой пар становится насыщенным (точка 6), он направляется в перегреватель, расположенный в котельном агрегате, в котором он нагревается до рабочей температуры T1 (участок6–1′), и дальше возвращается в последующие за точкой отбора ступени турбины (отрезок1′–2′). Из рис. 1.4 видно, что влажность точки2′меньше, чем точки2. Промежуточный перегрев пара одновременно приводит также к росту эффективности цикла паросиловой установки, так как прибавляется полезная работа, эквивалентная площади 6–1′–2′–2.

Таким образом, в современной тепловой и атомной энергетике основным рабочим телом является водяной пар, продуцируемый в паровых котлах тепловых электростанций или в парогенераторах атомных электростанций. Доля газотурбинных электростанций, на которых рабочим телом является смесь воздуха с продуктами сгорания топлива, в мировой электроэнергетике до последнего времени относительно невелика.

Конец ХХ и начало XXI века в мире характеризуются разработкой и использованием электростанций на низкокипящих рабочих телах, которые в сочетании с водяными паросиловыми установками позволяют более полно использовать теплоту топлива. Происхождение большинства типов низкокипящих рабочих тел имеет природный характер – это углеводороды, водоаммиачный раствор, диоксид углерода. Из синтезированных можно выделить фторуглероды (FC) с нулевым воздействием на озоновый слой атмосферы и силиконовое масло. Подробнее паросиловые установки на низкокипящих рабочих телах будут рассмотрены в других книгах.