WYKA
AD 6: Siłownia parowa maszyna energetyczna



cechy charakterystyczne:
" płyn roboczy krą\
ący w obiegu jest naprzemian odparowywany i skraplany
" para wodna jest najczęściej stosowanym płynem roboczym, zalety: powszechna
dostępność i niski koszt, wysokie ciepło parowania, nieszkodliwość dla otoczenia
i środowiska, ostatnio do małych instalacji (siłownie ORC) stosuje się alkohole,
freony,
Ze względu na rodzaj spalanego paliwa wyró\
nia się siłownie parowe węglowe, jądrowe,
geotermalne, gazowe, olejowe. W tych wszystkich układach czynnikiem roboczym jest para
wodna, która przechodzi ten sam cykl termodynamiczny.
Aktualnie prawie cała energia elektryczna wytwarzana w elektrowniach cieplnych pochodzi
z turbozespołów wielkiej mocy napędzanych parą wodną.
Siłownia parowa silnik cieplny zewnętrznego spalania



Rys historyczny
" na mo\
liwość wykorzystania pary dla spowodowania ruchu wskazywali Archimedes
i Heron Aleksandryjski ju\
w czasach staro\
ytnych
BANIA HERONA
" pierwszą tłokową maszynę parową skonstruował Newcomen (Anglia) w roku 1711 i
zastosował do napędu pompy
" poz
niejsze konstrukcje tłokowych maszyn parowych to Połzunow (Rosja, 1763) i
Watt (Anglia, 1784),
" turbina parowa, wynaleziona przez Gustaf de Laval (Szwecja, 1882), Charles
Parsons (USA, 1884)
Główne elementy funkcjonalne siłownia parowej
Najprostszy układ technologiczny siłowni parowej
Elementy funkcjonalne układu:
pompa zasilająca kocioł
kocioł parowy
turbina parowa
skraplacz
generator prądu elektrycznego
Kocioł energetyczny z paleniskiem pyłowym
Widok wirnika turbiny parowej po zdjęciu górnej połowy kadłuba
proces konwersji energii
woda para energia wirnik praca
w fazie wodna kinetyczna turbiny napędowa
cieklej pary parowej turbiny
praca
Ń! Ó!
Ń! Ó!
Ń! Ó!
Ń! Ó!
napedowa
cieplo cieplo
pompy
doprowadzone odprowadzone
zasilajacej
w kotle parowym w skraplaczu
Obieg (idealny, teoretyczny) Rankine a siłowni parowej
T-s (temperatura-entropia) h-s (entalpia-entropia)
procesy w idealnym obiegu Rankine a siłowni parowej:
1-2 izentropowe sprę\
anie wody w pompie zasilającej, praca pompy wp
2-3 izobaryczne doprowadzanie ciepła w kotle, qdop
3-4 izentropowe rozprę\
anie pary w turbinie parowej, praca turbiny wT
4-1 izobaryczne odprowadzanie ciepła w skraplaczu, qodp
max. temperatura w p.3 sięgać mo\
e <"
<"600oC
<"
<"
Obieg Rankine a (idealny) oraz obieg
rzeczywisty siłowni parowej
I zasada termodynamiki dla maszyny energetycznej z przepływem czynnika roboczego
2 2
z z z
z z
h +V 2 + g �" z �" m - h +V 2 + g �" z �" m = Q -Wn -Wel
( ) ( )
" "
wyloty wloty
stąd: "h = q - wn
gdzie
q suma ilości ciepła wymienianego przez czynnik roboczy odniesiona do
jednostki masy czynnika roboczego
wn suma ilości pracy napędowej wymienianej przez czynnik roboczy odniesiona
do jednostki masy czynnika roboczego
dla obiegu "h = 0 , stąd q - wn = 0 qdop - qodp - wT - wp = 0
( )
teoretyczna sprawność cieplna �t siłowni parowej
wT - wp qdop - qodp qodp
�t = = = 1-
qdop qdop qdop
gdzie wg obiegu Rankine a
wT ilość pracy turbiny odniesiona do jednostki masy czynnika roboczego
wT = h3 - h4
wp ilość pracy pompy odniesiona do jednostki masy czynnika roboczego
2
wp = h2 - h1 = � �" p2 - p1 przy czym � H" �1 = �
( )
p= p1
qdop ilość ciepła doprowadzanego w kotle odniesiona do jednostki masy czynnika
roboczego
qdop = h3 - h2
qodp ilość ciepła odprowadzanego w skraplaczu odniesiona do jednostki masy
czynnika roboczego
qodp = h4 - h1
teoretyczna sprawność cieplna siłowni parowej pracującej wg obiegu Rankine a
qodp
h4 - h1
�t = 1- = 1-
qdop h3 - h2
para wodna gaz rzeczywisty wyznaczanie własności z tablic lub wykresów
METODY PODWYśSZANIA SPRAWNOŚCI SIA
OWNI PAROWEJ
" obni\
anie ciśnienia w skraplaczu
Wpływ ciśnienia w
skraplaczu na sprawność
cieplną idealnego obiegu
Rankine a wyznaczony
przy
p3=90bar i T3=480oC
Wnioski:
" zmniejszenie p4 z 0.1bar
do 0.03bar zwiększa �t z
0.396 do 0.427, (tj. o 7.5%),
" zmniejszenie p4 z 1bar
do 0.03bar zwiększa �t o ok.
25%,
" podwy\
szanie parametrów dolotowych pary do turbiny
Wpływ ciśnienia pary
dolotowej do turbiny
sprawność cieplną idealnego
obiegu Rankine a
wyznaczony przy ciśnieniu w
skraplaczu
p4=0.04bar
Wnioski:
" wzrost p3 daje największe
przyrosty sprawności w
zakresie ciśnień do ok.90bar
" powiększanie p3 przy stałej
temperaturze T3 skutkuje
obni\
eniem stopnia suchości
pary na wylocie z turbiny co
jest szkodliwe, w rezultacie
powiększaniu p3 zawsze
towarzyszy wzrost T3 tak aby
x4 = const
Wpływ temperatury pary przegrzanej
na sprawność cieplną idealnego obiegu
Rankine a wyznaczony przy ciśnieniu w
skraplaczu
p4=0.04bar
" międzystopniowe (wtórne) przegrzewanie pary
para pierwotna: para na wylocie z przegrzewacza po odparowaniu w kotle
para wtórna: para po częściowym rozprę\
eniu w turbinie zawracana z
powrotem do kotła i ponownie podgrzewana do temperatury pary pierwotnej
schemat układu z międzystopniowym przegrzewaniem pary
sprawność układu z międzystopniowym przegrzewaniem pary
h32 - h42 + h3 - h4 - (h2 - h1)
2 2 2
wT - wp wT + wT - wp wT
2 wT wp
2 2
�t = = =
2 2 2
qdop qdop + qdop h32 - h2 + h3 - h42
2 2 2
qdop qdop
h32 - h42 + h3 - h4 - (h2 - h1) h32 - h42 + h3 - h4
�t = H"
h32 - h2 + h3 - h42 h32 - h2 + h3 - h42
" zastosowanie regeneracji ciepła
woda zasilająca kocioł jest podgrzewana parą pobraną z upustów turbiny
dla układu z regeneracją praca turbiny wynosi
z
z z z
WT = m �"(h3 - h4) - mI �"(hI - h4) - mII �"(hII - h4)
stąd praca turbiny w odniesieniu do jednostki masy pary równa się
z
z z z z
WT mI mII mI mII
wT = = h3 - h4 - �"(hI - h4 ) - �"(hII - h4 ) oznaczenia: ąI = oraz ąII =
z z z
m m m m m
z z
praca turbiny w odniesieniu do jednostki masy pary zapisuje się
z
WT
wT = = h3 - h4 -ąI �"(hI - h4 ) -ąII �"(hII - h4)
z
m
sprawność siłowni parowej z regeneracją
wT - wp h3 - h4 -ąI �"(hI - h4) -ąII �"(hII - h4) - wp
�t = =
qdop h3 - hw
h3 - h4 -ąI �"(hI - h4 ) -ąII �"(hII - h4)
�t H" gdy praca pompy jest pominięta
h3 - hw