GENERALITATI ASUPRA INSTALATIEI CU ABUR - Schema si ciclul teoretic al instalatiei cu abur

GENERALITATI ASUPRA INSTALATIEI CU ABUR

1. Schema si ciclul teoretic al instalatiei cu abur

Ciclul motor cu abur are loc intr-o instalatie complexa cuprinzind, in principal, patru elemente: cazanul sau in cazul instalatiilor nucleare generatorul de abur, turbina, condensatorul si pompa ridicatoare de presiune.

Fig. 2.1

Ciclul teoretic al instalatiei cu abur este ciclul Rankine-Hirn, cuprins intre doua izobare -curbe de presiune constanta si doua izentrope - curbe de fara schimb de energie cu exteriorul (Fig. 2.2). Fazele ciclului sint:

incalzirea izobara ABCD, in cazan. Se primeste caldura q₁ = aria aABCDda

destindere izentropa DE in turbina. Se produce lucrul mecanic l_t aria A'ABCDEFF'A'.

condensare izobara EF, in condensator. Se cedeaza caldura reziduala q₂ = aria aFEda. In aceasta faza aburul ajuns in condensator elibereaza caldura de vaporizare si se transforma din abur in lichid pentru ca ulterior sa se reduca cheltuielile cu pomparea.

compresie izentropa FA in pompa. Se consuma lucrul mecanic l_p = aria A'AFF'A'. Intrucit se comprima apa, lucrul de pompare este foarte mic comparativ cu restul ciclului.

Lucrul mecanic al ciclului este l = l_t - l_p     = aria ABCDEFA.

a d

a

Fig. 2.2

In cazul centralelor nucleare datorita conditiilor restrictive impuse de temperatura combustibilului nu are loc la iesirea din generatorul de abur o supraincalzire a aburului, astfel ca suprafata incalzirii izobare este mai mica (Fig. 2.3). Pentru a compensa acest lucru si a produce acelasi lucru mecanic (aceasi putere electrica) centralele nucleare opereaza cu debite mai mari de abur.

a d

Fig. 2.3

Randamentul teoretic termic al ciclului este:

η_t = l/q₁ = (l_t - l_p)/q₁ = aria ABCDEFA/ aria aABCDda

2. Imbunatatirea randamementului termic teoretic al ciclului

In general pentru o instalatie care are ciclul de mai sus randamentul variaza intre 33 - 35% functie de parametrii ciclului, adica in lucru mecanic util se regaseste doar a treia parte din energia eliberata de combustibil. Din acest motiv eforturi deosebite se iau pentru marirea randamentului ciclului.

Metodele pentru imbunatatirea randamentului se impart in doua grupe:

a)      metode urmarind ridicarea temperaturii medii superioare - marirea presiunii aburului; marirea temperaturii de supraincalzire; supraincalzirea intermediara; preincalzirea apei de alimentare; cicluri binare.

b)      metode urmarind micsorarea temperaturii medii inferioare - coborirea presiunii finale prin condensatie.

Marirea presiunii aburului saturat

Prin marirea presiunii, temperatura de saturatie creste continuu. Pentru ciclul fara supraincalzire temperatura de saturatie superioara creste rapid cu presiunea pina la

3,5 - 4 MPa, apoi din ce in ce mai lent pina la circa 15 MPa si scade in apropierea punctului critic. La cresterea presiunii, curba de destindere se deplaseaza spre stinga, deci titlul final al turbinei scade (Fig. 2.4)

Fig. 2.4

Acest ciclu este utilizat in cazul instalatiilor nucleare, folosindu-se presiuni de pina la 5 MPa din ratiuni economice privind investitia (cu cit creste presiunea cu atit grosimea recipientilor se mareste si implicit consumul de materile) in plus umiditatea finala devenind exagerata, sint necesare masuri suplimentare pentru retinerea picaturilor de apa, atat la intrarea in turbina cit si intre corpurile turbinei.

Supraincalzirea aburului

Prin supraincalzire, temperatura superioara creste aproximativ liniar. Cresterea temperaturii este limitata din ratiuni pratice, reprezentate de limitele de fluaj ale materialelor utilizate (peste anumite temperaturi materialele utilizate la realizarea incalzitoarelor si paletelor turbinei se apropie de domeniul plastic si pot apare deformatii permanente care pot duce la deteriorarea acestora). Cresterea temperaturii duce la deplasarea curbei de destindere spre dreapta, deci la cresterea titlui final (Fig. 2.5)

Fig. 2.5

Supraincalzirea intermediara

Dupa destinderea partiala (Fig. 2.6) din turbine in cazul instalatiilor nucleare, aburul este trecut printr-un supraincalzitor (alimentat cu abur de la iesirea din generatorul de abur) si apoi se destinde in continuare in turbina. Trebuie mentionat ca un proces similar se aplica si in cazul instalatiilor cu combustibil conventional datorita avantajelor metodei, in cazul instalatiilor nucleare acesta fiind necesar pentru protectia ultimelor palete ale turbinei.

Supraincalzirea intermediara prezinta urmatoarele avantaje:

creste temperatura medie superioara a procesului, deoarece temperatura medie a procesului este mai mare decit temperature medie de incalzire din generatorul de abur.

creste titlul final al aburului, fiind posibila utilizarea unei presiuni superioare a cilului mai mari fara temperature exaggerate. Aceasta duce la un spor in randamentul teoretic al turbinei de pina la 8 - 12%.

Creste aria ciclului deci lucrul mecanic pe kilogramul de abur.

Fig. 2.6

Preincalzirea apei de alimentare

Prin introducerea apei deja incalzite in generatorul de abur, temperatura medie a procesului din generatorul de abur creste, iar necesarul de combustibil scade. Se foloseste asa numita preincalzire regenerative, adica se foloseste caldura reziduala a aburului care s-a destines deja in turbina.

Pentru a putea trece caldura de la abur la apa, aburul folosit in preincalzitoare trebuie sa aiba o temperatura de saturatie cu 5 - 7 grd mai mare decit temperature apei, deci aburul trebuie scos din turbine inainte de destinderea totala. Aceasta se realizeaza prin puncte de extractie (prize) nereglate (Fig. 2.7 prezinta schema cu o treapta de preincalzire).

Fig. 2.7

Aburul de la priza merge la preincalzitor cedeaza caldura Q_p, condensindu-se iar condensatul este reintrodus in circuitul principal.

Folosirea preincalzirii are doua efecte:

a)      micsorarea caldurii necesare in generatorul de abur cu Q_p si deci reducerea consumlui de combustibil;

b)      micsorarea lucrului mecanic necesar pentru pomparea aburului utilizat la preincalzire cu aria ΔL = aria EFDD'. Randamentu teoretic este :

η_t = (L - ΔL)/(Q₁ - Q_p)

Pentru a mari eficienta preincalzirii, trebuie micsorata pierderea de lucru mecanic prin folosirea preincazirii in trepte, cu abur de presiune din ce in ce mai mare.

In scopul unei cresteri maxime a randamentului, se recomanda cresteri egale ale temperaturii apei la fiecare treapta de preincalzire. Functie de parametrii ciclului, numarul de prize    poate fi maxim opt. In cazul instalatiilor nucleare unde temperaturile sint mai reduse se utilizeaza de obicei cinci trepte de preincalzire.

Condensatia

Condensatorul are rolul de a micsora presiunea la evacuarea aburului din turbina. Prin aceasta se mareste lucrul de destindere obtinut in turbina, crescind sensibil randamentul.

Condensatorul este un recipient inchis, bine etansat si racit continuu cu apa. Patrunzind in spatial rece, aburul se condenseaza, micsorindu-si foarte mult volumul specific. In spatiul condensatorului se afla vapori in stare de saturatie la temperatura respectiva, avind presiunea p_s, si aer, care patrunde prin neetanseitati sau este adus de apa de adaos si care exercita presiunea p_a. Conform legii lui Dalton, presiunea in condensator este:

p_c = p_s + p_a

Pentru a micsora presiunea in condensator este necesara micsorarea celor doua presiuni partiale, ceea ce impune o buna racire si extragerea continua a aerului.

Pentru a marii cit mai mult suprafata utila asa cum este prezentata in diagrama Rankine se raceste cit mai bine aburul la iesirea din turbina. Se ating in acest fel presiuni in condensator de 3 7 kPa(a). Tinind cont de faptul ca presiunea atmosferica este de 100 kPa(a) inseamna ca zona din preajma condensatorului lucreaza sub vid si trebuie luate masuri pentru reducerea infiltratiilor de aer.

Apa de racire poate fi luata din riuri, lacuri sau mare (racire in circuit deschis) sau poate fi folosita mereu aceasi apa, care la rindul ei este racita in turnuri sau in bazine (racire in circuit inchis). Intrucit in ambele cazuri temperatura variaza in timpul anului, pentru dimensionarea turbinei se considera cea mai frecventa temperatura pe toata durata anului.

Instalatii cu folosirea caldurii reziduale

Solutia de marire a economicitatii ciclului termic o constituie folosirea caldurii reziduale in scopuri de incalzire. Livrarea combinata de energie electrica si termica se numeste termoficare. Dupa locul unde este utilizata caldura, se deosebesc: termoficare urbana, la care caldura este folosita pentru incalzirea de imobile; termoficare industriala, la care caldura este folosita pentru procese tehnologice.

Prin scoaterea aburului inainte de destinderea totala, lucrul mecanic produs scade. Pentru a pune in evidenta avantajul termoficarii se considera ca instalatia primeste numai diferenta dintre caldura q₁ si caldura utilizta la incalzire. In acest caz randamentul pentru instalatii de termoficare este:

_t = l_t/ (q₁ - q_incalzire)

Randamentul in acest caz poate ajunge pina la 75%.

Livrarea aburului la presiunea ceruta necesita turbine speciale, deosebindu-se: turbine cu contrapresiune; turbine cu prize reglabile.

La turbinele cu contrapresiune aburul de termoficare este luat de la evacuare. Destinderea in turbina este limitata la presiunea necesara pentru consumator, nefiind necesara instalatia de condensare. Acest lucru face ca instalatia sa fie mai ieftina si, intrucit caldura reziduala este folosita la incalzire randamentul este maxim.

La turbinele cu prize reglabile aburul se destinde pina la presiunea condensatorului. O parte din abur se scoate inainte de destinderea totala prin prize. Deosebirea este ca debitul de abur este reglat printr-o vana imediat dupa priza, in functie de necesarul de abur la consumator (pe timp de vara este necesara caldura doar pentru asigurarea apei calde iar pe timp de iarna necesarul de caldura depinde de temperatura ambianta).