PROCESUL TERMIC DIN TURBINA IN ANSAMBLU - Procesul termic teoretic si real din turbina

PROCESUL TERMIC DIN TURBINA IN ANSAMBLU

Procesul termic teoretic si real din turbina

Procesul turbinei cuprinde o singura faza a ciclului Rankine si anume destinderea. Din cauza curgerii rapide a aburului, procesul este practic adiabatic. Lucrul mecanic in turbina este egal cu caderea de entalpie:

dl = - di sau l = i₀ - i_c = H sau h [J/kg]

Pentru intregul proces al turbinei, caderea de entalpie va fi notata cu H, iar pentru o treapta sau regiune din turbina cu h.

Procesul teoretic in turbina este izentropa AB_t (Fig. 3.1). Lucrul mecanic teoretic este:

l_t = i₀ - i_ct = H_t [J/kg]

unde H_t este caderea teoretica (impropriu denumita si cadere adiabata).

Fig. 3.1

In mod real in turbina apar diferite pierderi interne care duc la micsorarea lucrului mecanic produs si la incalzirea aburului. Procesul real este o adiabata ireversibila, reprezentata aproximativ prin oblica AB din fig. 3.1. Caderea de entalpie in procesul real se numeste cadere interna;

H_i = i₀ - i_c

Lucrul mecanic transmis rotorului in procesul real se numeste lucru intern L_i. Raportul dintre lucrul intern si lucrul teoretic se numeste randament intern sau termodinamic:

_i L_i / L_t

La o turbina fara prize, fiind acelasi debit in lungul turbinei, se poate scrie L_i = DH_i; si L_t = DH_t [J/s] rezultind;

_i H_i / H_t

Pierderile interne sint date de diferenta dintre lucrul mecanic teoretic si lucrul mecanic intern, avind:

H = H_t - H_i = i_c - i_ct

Randamentul turbinei

S-a vazut ca din cauza pierderilor interne, aburul transmite rotorolui un lucru mecanic intern mai mic decit cel teoretic:

L_i = _i L_t

Lucrul mecanic efectiv L_e, adica lucrul mecanic dat la cupla turbinei, este mai mic decit lucrul mecanic intern din cauza pierderilor externe, de natura mecanica: frecari in lagare, consumul instalatiilor auxiliare (pompe de ulei, sistem de reglare etc.). Raportul dintre lucrul mecanic efetiv si lucrul mecanic intern se numeste randament mecanic:

_m = L_e / L_i

In studiul turbinelor se folosesc si randamente mai complexe.

Randamentul efectiv relativ sau, pe scurt , randamentul efectiv este raportul dintre lucrul efectiv si lucrul teoretic:

_e = L_e / L_t L_e / L_i )x(L_i / L_t ) sau _{e i m}

Randamentul efectiv absolut sau randamentul total al turbinei este raportul dintre lucrul efectiv si caldura primita de la abur:

_ea = L_e / Q₁ L_e / L_i )x(L_i / L_t )x(L_t / Q₁ ) sau _{e i m t}

In cazul agregatelor turbina - generator electric, de obicei se masoara puterea la bornele generatorului electric (acesta este un factor important in determinarea productiei de energie electrica si implicit cistigurile unitatii). In acest caz trebuie considerat si randamentul generatorului electric η_g. Randamentul general al turboagregatului este:

_{agregat g ea i m t g}

In prezent, prin dezvoltarea tehnologiilor de realizare a agregatelor si pentru puteri unitare ridicate (puteri de peste 500MWe) s-au ajuns la valori ale randamentelor agregatelor de peste 85%, atingindu-se pentru randamentele mecanice si randamentul generatorului electric la valori de 95%.

Consumul specific de caldura. Cantitatea de caldura pentru producerea unitatii comerciale de energie (kilowattora, kWh) se numeste consum specific de caldura q_e [J/kWh]. Din formula randamentului total al turbinei si luind valorile unitare de energie (1kWh = 3,6x10⁶ J) rezulta:

_ea = L_e / Q₁ 3,6x10⁶ / q_e sau q_e = 3,6x10⁶ / _ea

Deci consumul specific de caldura este invers proportional cu randamentul total al agregatului. Acest parametru este utilizat in evaluarea agregatului, deoarece cu cit un consum specific de caldura este mai mare cu atit cheltuielile cu productia de energia electrica sint mai mari.

Consumul de abur al turbinei

Consumul de abur rezulta din ecuatia de bilant energetic intre energia furnizata de abur si energia ceruta.

Se considera o turbina impartita in mai multe trepte prin care circula debitele D₁, D₂ . [kg/s]; in fiecare regiune aburul produce un lucru intern h_i1, h_i2, . [J/kg]. Puterea interna produsa de abur este suma puterilor dezvoltate pe regiuni:

P_i = Σ D_k h_ik [J/s]

Tinind cont de randamentul mecanic putem scrie:

Σ D_k h_ik = 10³ Pe / η_m [J/s] deoarece 1kW = 1000 J/s

a)      Turbine fara prize

Din ecuatia de mai sus, suma are un singur temen si in acest caz ea devine:

D H_i 10³ Pe / _m

Deci consumul de abur pentru producerea energiei electrice este:

D 10³ Pe / H_{i m}

Din aceasta formula se poate vedea specificul centralelor nucleare fata de cele conventionale. Pentru a produce aceasi energie electrica, la o cadere mai mica de entalpie (datorata lipsei supraincalzirii) este necesara utilizarea unui debit mai mare de abur. Consecinta debitului mare de abur determina un necesar mai mare de apa de racire, ceea ce determina amplasarea centralelor nucleare in apropierea unei surse de apa de racire cu debit ridicat.

Consumul specific de abur , adica consumul pentru producerea unitatii de energie (kWh) devine :

a = D_h^[kg/h]/P_e^[kWh/h] = 3600x10³P_e/ H_{i m}

acest parametru este un indicator pe durata de viata a centralei, pentru a verifica in timp pierderea eficientei termice a centralei. In general se urmareste acest parametru si se iau masuri ca acesta sa fie cit mai aproape de valoarea initiala de proiect.

b) Turbine cu prize nereglabile

Debitele si presiunile de abur extrase la prize se stabilesc la calculul ciclului termic al centralei pentru a realiza o anumita preincalzire a apei de alimentare. Debitul la prize se pot determina in raport cu un debit unitar la evacuare sau cu un debit unitar la admisie.

Debit unitar la evacuare. (Fig.3.2) Fie a₁, a₂, . debitele iesite la prize pentru 1kg abur trimis la condensator. In turbina intra debitul (a₁ + a₂ + .. + 1) [kg]. In realitate la condensator se trimite debitul D_c [kg/s], deci toate debitele vor fi amplificate cu D_c asa ca debitul care intra in turbina va fi:

D₀ = D_c(a₁ + a₂ + .. + 1) [kg/s]

Fig. 3.2

In treapta I circula intregul debit D_c(a₁ + a₂ + .. + 1), destinzindu-se cu h_i1. In urma iesirii debitului D_ca₁ prin priza, prin treapta II circula numai debitul D_c(a₂ + .. + 1) care se destinde cu h_i2 s.a.m.d. Aplicind formula de calcul a puterii in treptele turbinei rezulta:

D_c(a₁ + a₂ + .. + 1)h_i1 + D_c(a₂ + .. + 1)h_i2 + .. + 1h_ic = 10³ Pe / η_m sau

D_c = 10³ Pe / η_m[(a₁ + a₂ + .. + 1)h_i1 + (a₂ + .. + 1)h_i2 + .. + 1h_ic] [kg/s]

In acest mod se poate determina datele de intrare pentru dimensionarea condensatorului cunoscind puterea electrica dorita a se produce de centrala.

Debit unitar de admisie. Fie b₁, b₂, . debitele iesite la prize pentru 1kg abur intrat in turbina. La condensator iese (1 - Σb_i) [kg]. In realitate in turbina intra D₀, deci toate debitele trebuiesc inmultite cu D₀; la priza de ordinal I iese debitul D_i = D₀b_i, iar la condensator D_c = D₀(1- Σb_i). Prin aplicarea ecuatiei rezulta:

D₀ = 10³ Pe / η_m[h_i1 + (1- b₁)h_i2 + (1- b₁ - b₂)h_i3 + ..] [kg/s]

Acest parametru se utilizeaza la dimensionarea turbinei necesare a produce puterea electrica dorita a unitatii.

Se remarca efectul favorabil pentru turbine al prizelor regenerative in sensul unei tendinte de uniformizare a debitului volumic in lungul turbinei: se mareste debitul la admisie, unde volumul specific este mic si micsoreaza debitul la evacuare, unde volumul specific este foarte mare.

b)      Turbine cu prize reglabile

In cazul prizelor reglabile se aplica aceleasi formule ca si in cazul turbinelor cu prize nereglabile cu singura deosebire ca, la anumite trepte debitul in loc sa fie constant acesta variaza functie de necesar, intre zero si valoarea maxima. In general, la prizele reglabile, pentru o dimensionare economica a turbinei se introduce limitari referitor la debitul maxim ce poate fi preluat de priza reglabila (turbine trebuie dimensionata pentru debitul minim la priza iar la extragerea debitului maxim partea turbinei de dupa priza este utilizata ineficient).

Sa consideram cazul unei instalatii nucleare care cuprinde circuitul regenerativ format din urmatoarele elemente: trei preincalzitoare de joasa presiune PJP, degazorul ( cu rol de extragere a aerului introdus in circuit fie de infiltratiile de aer fie de apa de adaos) si doua preincalzitoare de inalta presiune PIP (Fig. 3.3).

Fig. 3.3

In aceasta configuratie se utilizeaza atit prize fixe pentru preincalzirea apei cit si o priza reglabila pentru alimentarea degazorului. Pentru prizele fixe dimensionarea debitului extras se realizeaza pentru asigurarea preincalzirii apei (in acest sens realizindu-se o distributie uniforma de caldura transmisa la fiecare preincalzitor). In cazul degazorului necesarul de abur se dimensioneaza pentru mentinerea unei temperaturi constante (degazorul este un schimbator de caldura de amestec aflat la saturatie) pentru a asigura extragerea gazelor dizolvate in apa de alimentare a generatorului de abur.