Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Цикл Ренкина — термодинамический цикл паросиловой установки, лежащий в основе работы большинства тепловых и атомных электростанций мира. Рабочее тело (вода) последовательно проходит сжатие в насосе, нагрев и испарение в котле, расширение в паровой турбине и конденсацию. Ниже рассмотрены процессы цикла на T-s и h-s диаграммах, формула расчёта термического КПД, способы повышения эффективности и практическое применение на ТЭС, АЭС и в ОРЦ-установках.
Цикл предложен шотландским физиком Уильямом Ренкиным (William Rankine) в 1859 году. Это идеальный термодинамический цикл для паросиловых установок, в котором рабочее тело претерпевает фазовый переход жидкость–пар. В отличие от цикла Карно, в цикле Ренкина пар после турбины полностью конденсируется, а для подачи воды в котёл используется компактный насос вместо громоздкого компрессора.
Основное преимущество: удельный объём воды значительно меньше объёма пара, поэтому работа насоса на сжатие жидкости составляет лишь 1–3 % от работы турбины. Это делает цикл практичным и энергетически выгодным.
Идеальный цикл Ренкина состоит из четырёх последовательных процессов, которые удобно представлять на T-s (температура–энтропия) или h-s (энтальпия–энтропия) диаграммах.
Термический КПД определяет долю теплоты, преобразованной в полезную работу. Поскольку подвод и отвод теплоты в цикле Ренкина происходят при постоянном давлении (изобарно), количество теплоты равно разности энтальпий.
Без учёта работы насоса: ηt = (h1 − h2) / (h1 − h3)
С учётом работы насоса: ηt = ((h1 − h2) − (h4 − h3)) / (h1 − h4)
где h1 — энтальпия пара перед турбиной; h2 — энтальпия после турбины; h3 — энтальпия конденсата; h4 — энтальпия воды после насоса.
Для докритических параметров работой насоса часто пренебрегают, так как она составляет малую долю работы турбины. Для сверхкритических установок (p1 > 22,1 МПа) учёт работы насоса обязателен.
Рост давления и температуры пара перед турбиной увеличивает среднюю температуру подвода теплоты и повышает КПД. Современные сверхкритические установки работают при 24,1 МПа и 538–566 °С с КПД около 40 %. Ультрасверхкритические блоки достигают 31 МПа и 600 °С с КПД до 42 %. Дальнейший рост параметров ограничен жаропрочностью конструкционных материалов.
Пар после цилиндра высокого давления (ЦВД) возвращается в котёл для повторного нагрева, затем поступает в цилиндр низкого давления (ЦНД). Это повышает КПД на 2–4 % и снижает влажность пара на выходе из турбины. Влажность свыше 14 % вызывает эрозию лопаток последних ступеней.
Часть пара отбирается из промежуточных ступеней турбины и направляется в подогреватели питательной воды (ПНД, ПВД). Это повышает среднюю температуру подвода теплоты. На современных ТЭС применяют 7–9 ступеней регенерации, что увеличивает КПД цикла на 10–15 % по сравнению с простым циклом Ренкина.
На ТЭС цикл Ренкина реализуется с перегретым паром при высоких параметрах. Топливо (уголь, газ, мазут) сжигается в котле, нагревая воду до состояния перегретого пара. Температура пара на входе в турбину достигает 540–620 °С. Теплофикационные отборы пара на ТЭЦ позволяют использовать до 90 % теплоты топлива.
На АЭС с реакторами ВВЭР и РБМК паровые турбины работают, как правило, на насыщенном паре без перегрева. Сепарация влаги и промежуточный перегрев за счёт отбора из ЦВД компенсируют отсутствие начального перегрева. Давление пара составляет 6–7 МПа, температура — около 280 °С.
В ОРЦ-установках вместо воды используются низкокипящие органические жидкости: изопентан, толуол, R245fa и другие. Это позволяет утилизировать теплоту с температурой от 70 до 350 °С — геотермальную, солнечную, промышленных сбросов. Суммарная установленная мощность ОРЦ-станций в мире превышает 2,7 ГВт.
Цикл Ренкина остаётся фундаментом современной теплоэнергетики. Повышение начальных параметров пара, промежуточный перегрев и многоступенчатая регенерация позволили довести КПД паросиловых установок до 42–44 %. Комбинирование с газотурбинным циклом Брайтона обеспечивает КПД свыше 58 %. Органический цикл Ренкина открывает возможности утилизации низкопотенциальной теплоты. Понимание термодинамических процессов цикла — обязательная база для проектирования и эксплуатации ТЭС, ТЭЦ и АЭС.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.