Влияние начального давления и температуры пара на КПД цикла Ренкина.

Параметры пара существенно влияют на КПД цикла паротурбинной установки. Так, термический КПД цикла при изменении начальных давления (от 10 МПа до 23, 5 МПа) и температуры (от 500 до 565°С), а также давления в конденсаторе (от 4 до 6 кПа) может изменяться от 0, 43 до 0, 48. Рассмотрим, как влияют начальные параметры (температура t₀ и давление p₀) пара, наличие промежуточного перегрева пара и его температуры t_пп, а также давление конденсаторе р_к на термический КПД [3].

Начальное давление пара. Повышение начального давления пара р₀ связано с увеличением температуры его насыщения, т. е. уровня, при котором происходит передача теплоты в котле. Как известно, наиболее совершенным термодинамическим циклом является цикл Карно, КПД которого

η _{к =} 1- Т_к/Т₀, где Т₀ и Т_к - температуры подвода и отвода теплоты. Для любого цикла, например цикла Ренкина, можно определить эквивалентную температуру подвода теплоты Т_э=(Т₀)_к, которая обеспечила бы соответствующий термический КПД η _t

. ( 1.20 )

На рис. 1.1, б была показана эта эквивалентная температура Т_э.

Для сравнения на рис. 1.5(а), изображены в T, s -диаграмме два идеальных цикла ПТУ при начальных давлениях пара р₀ и р_{01 .}

Рис.1.5. Сравнение T, s -диаграмм циклов ПТУ с разными начальными темпера­турами (а), давлениями (б), с промежуточным перегревом (в) и разными давлениями в конденсаторе (г).

В цикле 1—2—3'—4'—5'—1 с повышенным начальным давлением p₀₁> p₀ подвод теплоты происходит на более высоком температурном уровне, т. е. T_э1> T_э. Следовательно, этот цикл более экономичен, чем цикл 1—2—3 — 4—5—1.

Необходимо отметить, что увеличение начального давления пара при той же температуре приводит к росту влажности в кон­це процесса расширения, что при прочих равных условиях отри­цательно влияет на надежность турбины (увеличивается эрозия металла) и снижает ее относительный внутренний КПД.

Однако по мере увеличения начального давления пара экви­валентная температура T_э сначала возрастает, а затем начинает постепенно уменьшаться. Таким образом, существует оптималь­ное по эквивалентной температуре T_э начальное давление пара. Причем, чем выше эта температура, тем выше давление, при ко­тором получают максимальный термический КПД.

Начальная температура пара. Повышение начальной темпе­ратуры t_о пара существенно увеличивает экономичность ПТУ. Если сравнить два цикла, различающиеся только начальными температурами пара (рис. 1.5, б), то КПД первого цикла 1—2—3— 4'—5'—1 с более высокой температурой Т₀₁ будет выше КПД вто­рого цикла 1—2—3—4—5—1 с меньшей температурой Т_о. При прочих равных условиях начальная температура T_э1 подвода теплоты в первом цикле выше начальной температуры Т_э подво­да теплоты во втором цикле.

Трудности, которые возникают при повышении температуры, связаны с тем, что стали, применяемые в современном энергомашиностроении, теряют прочность при высоких температурах, так как резко падают пределы их текучести и прочности, а также снижается предел длительной прочности. Последнее обстоятельство приводит к необходимости ограничивать срок службы деталей или применять дорогие жаростойкие высоколегированные стали.

Кроме того, увеличение температуры t_о в реальных турбинах уменьшает влажность в конце процесса расширения пара. Это повышает надежность и срок службы турбины вследствие менее интенсивной эрозии металла, а также несколько увеличивает ее относительный внутренний КПД.