Procese în turbine cu abur i gaze

10

În cele ce urmeaz se va face o sumar prezentare a ciclurilor de baz dup care func ioneaz instala iile cu turbine cu abur i cu gaze, astfel încât s rezulte încadrarea func ion rii turbinelor cu abur i cu gaze, care fac obiectul acestei lucr ri. 1.2. Ciclurile teoretice de func ionare ale instala iilor cu turbine cu abur Ciclurile teoretice ale instala iilor cu turbine cu abur sunt stabilite în baza urm toarelor ipoteze: - toate evolu iile parcurse de fluidul de lucru sunt reversibile; - aportul si cedarea de c ldur sunt izobare, iar destinderea i comprimarea sunt adiabate reversibile, deci izentrope; - suprafe ele schimb toarelor de c ldur sunt infinite; - c ldurile specifice ale fluidului de lucru sunt constante, deci nu variaz cu modificarea temperaturii; - debitul i natura fluidului de lucru nu se modific de la o sec iune la alta. Func ie de starea aburului la intrare în turbina cu abur, ciclurile teoretice dup care func ioneaz instala iile cu turbine cu abur pot fi cu abur saturat sau cu abur supraînc lzit. 1.2.1. Ciclul Rankine cu abur saturat Instala ia cu turbine cu abur a c rei schem este reprezentat în Fig. 1.1 are ca model de func ionare ciclul teoretic Rankine (sau Clausius - Rankine) f r supraînc lzirea aburului. În Fig.1.2 este reprezentat acest ciclu în coordonate T-s i în coordonate i-s.

PA

GEGA

TA

12

3

4 C

Fig. 1.1

Procese în turbine cu abur i gaze

11

Ca elemente principale care asigur realizarea transform rilor ciclului, instala ia cuprinde un generator de abur f r supraînc lzitor, GA, o turbin cu abur, TA, care antreneaz generatorul electric GE, un condensator de abur, C i o pomp de alimentare, PA.

Ciclul teoretic se desf oar între dou izentrope i dou izobare, fiind format din urm toarele transform ri:

i

2’

X=1

2

1

lT

lc

q2

q1

4

3

k

s

T

a

k

4

32’

X=1 2 1

b sFig. 1.2

- comprimarea izentrop 1 - 2, realizat în pompa de alimentare, în care presiunea apei cre te de la p1 la p2, consumându-se pentru aceasta lucrul mecanic, 1212 iillc (1.1) - înc lzirea izobar 2 - 3, p3 = p2, realizat în generatorul de abur, în care apa este adus la satura ie (2-2’) i apoi este vaporizat (2’-3). La ie irea din generatorul de abur i intrarea în turbin , aburul va fi în stare de satura ie. În timpul acestei transform ri se introduce de la sursa cald energia termic , (1.2) 23231 iiqq - destinderea izentrop 3 - 4, realizat în turbina cu abur, în care presiunea scade de la p3 la p4 . În aceast transformare se produce lucrul mecanic, 43 iilT (1.3) - condensare izobar 4 - 1, p1 = p4, realizat în condensatorul de abur, în care aburul lucrat se transform din nou în ap . În timpul acestei transform ri se cedeaz sursei reci energia termic ,

Procese în turbine cu abur i gaze

12

14412 iiqq (1.4) Schimburile de c ldur cu sursa cald i sursa rece, în cazul ciclului Rankine astfel prezentat, se pot exprima i func ie de ariile unor suprafe e din diagrama T - s, astfel:

baaaria.Mq

ba'aaria.Mq

sT

sT

1434122

2

1 (1.5)

unde M reprezint scara diagramei. Randamentul termic al unui astfel de ciclu va fi:

23

1243

11

)(ii

iiiiq

llql CTu

t (1.6)

sau,

)14(

)34122(11,

1

2

1

21

baaariabaaaria

qq

qqq

sT

sTt (1.7)

Dac se are în vedere principiul al doilea al termodinamicii, atunci:

1422

2311

sTqsTq

m

m (1.8)

Dar în cadrul ciclului teoretic cu comprimare i destindere izentrope, 1423 ss (1.9) În consecin va rezulta:

1

21m

mt T

T (1.10)

unde Tm1 i Tm2 , reprezint temperatura medie a sursei calde, respectiv a sursei reci. Ciclul Rankine f r supraînc lzire prezint urm toarele dezavantaje majore: - randamentul termic este relativ sc zut, datorit diferen elor relativ mici între temperatura medie la sursa cald i temperatura medie la sursa rece;

Procese în turbine cu abur i gaze

13

- func ionarea turbineri are loc în întregime în domeniul aburului umed, ceea ce duce la apari ia fenomenului de eroziune a paletelor, datorit impactului acestora cu pic turile de ap din abur. Dup acest ciclu func ioneaz pu ine instala ii cu turbine cu abur, în special cele de putere mic , f r preten ii de randament termic ridicat, sau instala iile din centralele nuclearoelectrice, la care condi iile de siguran impun temperaturi sc zute în reactorul nuclear, nefiind posibil ob inere de abur supraînc lzit. 1.2.2. Ciclul Rankine cu abur supraînc lzit Instala iile cu turbine cu abur moderne func ioneaz dup ciclul teoretic Rankine-Clausius cu supraînc lzirea aburului, denumit i ciclul Rankine-Hirn. Acest ciclu este format tot din dou izobare i dou izentrope, îns la ie ire din generatorul de abur i intrare în turbina cu abur, aburul nu mai este saturat ca în cazul precedent, ci este supraînc lzit. Pentru aceasta, generatorul de abur cuprinde în componen a sa un supraînc lzitor.

GA

TA

12

3

4 C

GE

Fig. 1.3

PA

În Fig.1.3 este reprezentat schema unei instala ii cu turbine cu abur ce func ioneaz dup acest ciclu, iar în Fig. 1.4 este reprezentat ciclul în coordonate T-s i i-s. Nota iile din instala ie i din ciclu sunt acelea i ca în cazul ciclului f r supraînc lzire. Ca urmare, rela iile care exprim schimburile de energie cu exteriorul i randamentul termic sunt identice, cu precizarea c de data aceasta i3 reprezint entalpia aburului supraînc lzit i nu a aburului saturat, ca în cazul precedent. Avantajul ciclului Rankine-Hirn const în faptul c prin supraînc lzirea aburului cre te temperatura medie la sursa cald , ceea ce duce la cre terea randamentului termic al ciclului. Deasemenea, destinderea se produce numai par ial în domeniul aburului umed, iar prin alegerea corespunz toare a temperaturii de supraînc lzire, se

Procese în turbine cu abur i gaze

14

poate mic ora mult umiditatea aburului la ie ire din turbin , ceea ce duce la evitarea fenomenului de eroziune a paletelor ultimelor trepte ale acesteia.

T

X=1

X=1

s

24

q2

2’’

2

1

i

lT

lc

q1

3

k

s

2

2’’

a

k

4

3

2’

1

b

Fig. 1.4

La alegerea parametrilor de func ionare ai instala iilor cu turbine cu abur trebuie s se analizeze toate posibilit ile de cre tere a randamentului termic, aceasta în concordan cu factorii tehnologici, economici i de exploatare. În ceea ce prive te randamentul termic, dac se analizeaz rela ia (1.10) rezult c acesta se poate m ri pe dou c i. a) O prim cale de cre tere a randamentului termic este asigurat de m rirea temperaturii medii la sursa cald , ceea ce se poate realiza prin: m rirea presiunii aburului; m rirea temperaturii de supraînc lzire; supraînc lzirea repetat ; i preînc lzirea regenerativ a apei de alimentare. b) A doua cale de cre tere a randamentului termic este asigurat de mic orarea temperaturii medii la sursa rece, ceea ce presupune mic orarea presiunii de condensare a aburului. Lucrarea de fa nu- i propune s analizeze am nun it aceste metode de îmbun t ire a randamentului termic al ciclurilor instala iilor cun turbine cu abur. 1.3. Ciclurile teoretice de func ionare ale instala iilor cu turbine cu gaze Majoritatea instala iilor cu turbine cu gaze existente au ca model de func ionare ciclul teoretic format din dou izobare i dou izentrope, cunoscut sub numele de ciclul Brayton. Acest tip de ciclu al instala iilor cu turbine cu gaze cu ardere la presiune constant poate fi: - f r recuperare de c ldur ; - cu recuperare de c ldur .