Исследование и расчет термодинамических циклов теплоэнергетических установок

Термодинамический цикл паротурбинной установки с регенерацией (T-s).cdw

Термодинамический цикл газотурбинной установки (p-v).cdw

Процесс расширение пара в паровой турбине в (h-s).frw

Термодинамический цикл газотурбинной установки (T-s).cdw

Титульный лист.doc

Министерство образования Российской Федерации
Саратовский Государственный
Технический Университет
Кафедра: Теплоэнергетика
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА
«Исследование и расчет термодинамических циклов теплоэнергетических установок»

Расчетно-графическая работа.doc

Решение задания №1 7
Решение задания №2 25
Список использованных источников 33
Термодинамический цикл паротурбинной установки с регенерацией в T-s координатах.
Процесс расширения пара в паровой турбине в h-s – диаграмме.
Термодинамический цикл газотурбинной установки в p-v – координатах.
Термодинамический цикл газотурбинной установки в T-s – координатах.
Работа содержит: 33 страницы 6 таблиц 9 рисунков 2 графика.
ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ЦИКЛ РЕНКИНА КОТЕЛЬНЫЙ АГРЕГАТ ПАРОВАЯ ТУРБИНА КОНДЕСАТОР ПИТАТЕЛЬНЫЙ НАСОС РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ПОДОГРЕВАТЕЛИ ОТБОР ПАРА РАСШИРЕНИЕ ПАРА КОНДЕНСАЦИЯ ПОДОГРЕВ ВОДЫ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ЦИКЛ БРАЙТОНА ВОЗДУШНЫЙ КОМПРЕССОР КАМЕРА СГОРАНИЯ ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ ТУРБИНА ТЕМПЕРАТУРА ДАВЛЕНИЕ ЭНТАЛЬПИЯ ЭНТРОПИЯ УДЕЛЬНЫЙ ОБЪЕМ СТЕПЕНЬ СУХОСТИ СТЕПЕНЬ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ РАСХОД ПОЛНЫЙ РАСХОД КПД УСТАНОВКИ
Объект разработки: паротурбинная и газотурбинная установки.
Цель: произвести расчет теплоэнергетических установок определить параметры в характерных точках и найти КПД установок а также проверить факт повышения термодинамической эффективности циклов за счет применения ступенчатого подогрева питательной воды у паротурбинных установок и определить оптимальную степень повышения давления для газотурбинной установки.
В энергетике России ведущее положение занимают тепловые электрические станции основным типом двигателей которых являются паротурбинные установки. Паротурбинные установки занимают ведущее место также и в атомных электрических станциях. В ближайшей перспективе не ожидается замены мощных паровых турбин другими типами двигателей в том числе и газотурбинными установками поскольку последние имеют малую предельную мощность и относительно низкий электрический КПД. Вследствие этого циклы паротурбинных установок ещё многие годы будут оставаться основой устройства и работы тепловых и атомных электрических станций.
Одним из основных способов повышения термодинамической эффективности циклов ПТУ является приближение цикла Ренкина к циклу Карно путём регенеративного подогрева питательной воды.
Газотурбинные установки широко применяют в качестве пиковых энергетических установок для кратковременной выработки электроэнергии в транспортной авиации а также на перекачивающих станциях магистральных газопроводах.
Паротурбинная установка работает по циклу Ренкина с регенерацией (рис. 1.1). Из котельного агрегата в паровую турбину поступает пар с давлением и температурой . Давление пара в конденсаторе равно . Конденсат отработавшего пара при давлении и температуре насыщения подается питательным насосом в регенеративные подогреватели поверхностного типа где осуществляется ступенчатый подогрев питательной воды паром отбираемым из проточной части турбины. Нагрев воды в каждом из подогревателей одинаковый. Конденсат греющего пара из подогревателей при температуре насыщения каскадно сливается в конденсатор. Недогрев питательной воды в подогревателях до температуры насыщения греющего пара равен . Принимать степень недогрева таким образом чтобы давление греющего пара соответствовало показанным на - диаграмме изобарам.
Дополнительно принять КПД поверхностных подогревателей ; конденсатора . Теплота сгорания условного топлива .
Исходные данные для расчета сведены в таблицу 1.1.
Исходные данные для расчета
Рис. 1.1. Принципиальная схема паротурбинной установки с регенерацией
Нарисовать принципиальные схемы паротурбинных установок без регенерации и с регенерацией. В - координатах нарисовать соответствующие схемам термодинамические циклы ПТУ.
В - координатах нарисовать теоретический и действительный процессы расширения пара в паровой турбине. Показать пересечение изобар отборов системы регенерации с линиями теоретического и действительного процессов.
Для всех характерных теоретических действительных точек паротурбинной установки определить следующие значения параметров: давление температуру удельный объем энтальпию и энтропию степень сухости относительный и полный расходы рабочего тела.
Определить расход циркуляционной воды кратность циркуляции секундный часовой и годовой расходы натурального и условного топлив для установок с регенерацией и без нее.
Рассчитать термический абсолютный внутренний КПД цикла а также эффективный и электрический КПД-нетто всей установки с регенерацией и без нее.
Полученные значения для установок с регенерацией и без регенерации сравнить и сделать выводы.
Примечание: термодинамические циклы в - координатах и процессы в - координатах выполнить в масштабе. При выполнении задания воспользоваться таблицами термодинамических свойств воды и водяного пара а также - диаграммой.
Расчет паротурбинной установки с регенерацией или без начинаем с определения параметров в характерных точках термодинамического цикла: . Точки соответствуют показанной на рис. 1.2 схеме.
Рис. 1.2. Принципиальная схема паротурбинной установки без регенерации и ее термодинамический цикл.
Параметры точек определяем с помощью - диаграммы. Для этого в - диаграмме строим теоретический и действительный процессы адиабатного расширения пара в турбине. Параметры и характеристики теоретических процессов обозначаем с индексом «».
Строим точку по заданным давлению и температуре .
Строим точку по заданному конечному давлению и энтропии
Из расчета действительного процесса расширения пара в паровой турбине по формуле
определяем энтальпию точки по формуле:
По найденной и известному определяем все остальные параметры в этой точке
Параметры точек определяем с помощью таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара. Точку определяем по давлению как жидкость находящуюся в состоянии насыщения.
Определяем точку по давлению и энтропии
Из расчета действительного процесса сжатия воды в питательном насосе по формуле
По энтальпии и давлению определяем остальные параметры в точке
Работу насоса (сжатия) теоретическую и действительную с приемлемой точностью определяем по приближенным формулам
где - средний удельный объем жидкости при адиабатном повышении давления;
Для воды являющейся практически несжимаемой жидкостью в широком интервале параметров состояния .
Повышение температуры воды при адиабатном повышении давления также находим по приближенным формулам
где - изобарная теплоемкость воды. В широкой области параметров состояния
Одним из основных способов повышения термодинамической эффективности паротурбинных установок является карнотизация путем регенеративного подогрева питательной воды.
Регенеративный подогрев питательной воды за счет теплоты охлаждения работающего в турбине пара практически может осуществляться при конденсации отбираемой части пара в водяных подогревателях.
Схема ПТУ со ступенчатым подогревом питательной воды приведена на рис 1.1 а соответствующий цикл в - диаграмме на рис 1.3 где ступенчатая линия соответствует приведённому процессу работы пара в турбине. Каждый отбор пара изображен соответствующим горизонтальным участком ломаной линии вертикальные участки – процесса работы оставшейся в турбине части пара.
Рис. 1.3. Термодинамический цикл паротурбинной установки с регенерацией.
Расчет системы регенеративных подогревателей производим последовательно начиная с первого. При этом составляем тепловые балансы для каждого из подогревателей.
Общий нагрев питательной воды в подогревателях равен
Температура насыщения воды при давлении равна
Нагрев питательной воды в каждом подогревателе составляет
В принятой системе регенеративного подогрева греющий пар полностью конденсируется и превращается в кипящую жидкость называемую дренажом. В соответствии с этим параметры греющего пара обозначаем индексами «отб» и «др». Давление отбора выбираем по температуре насыщения греющего пара то есть по температуре дренажа так как .
Расчет первого подогревателя. На рис. 1.4 представлена схема первого подогревателя и его - диаграмма.
Рис. 1.4. Схема первого регенеративного подогревателя (а) и его - диаграмма (б).
Тепловой и материальный балансы первого подогревателя имеют вид
для теоретического цикла:
для действительного цикла:
Из этих уравнений определяем теоретический и действительный относительные расходы греющего пара в подогреватель то есть отношение расходов греющего пара к расходу питательной воды.
В уравнениях баланса параметры питательной воды (точки и ) определяем при соответствующих температурах и и давлении . В цикле Ренкина подвод теплоты изобарный поэтому .
Точки и определяем по - диаграмме на пересечении изобары отбора соответственно с теоретическим и действительным процессами расширения пара в паровой турбине (рис. 1.6).
Давление отбора определяем по температуре насыщения в подогревателе
где принимается от 2 до.
Давление отбора при температуре равно .
Строим точки и и определяем значения параметров в них.
Значение параметров в точке определяем по давлению
Определяем теоретический и действительный относительные расходы греющего пара по формулам:
Расчет второго подогревателя. На рис. 1.5 изображена схема второго подогревателя и его - диаграмма.
Рис. 1.5. Схема второго регенеративного подогревателя (а) и его - диаграмма (б).
Тепловой и материальный балансы второго подогревателя имеют вид
Из этих уравнений определяем теоретический и действительный относительные расходы греющего пара в подогреватель.
В уравнениях баланса параметры точки определяем при температуре и давлении .
Точки и определяем аналогично как для первого подогревателя по давлению в отборе . Давление отбора определяем по температуре насыщения в подогревателе
где принимается от 2 до .
Определяем теоретический и действительный относительные расходы греющего пара по формулам
Расчет третьего подогревателя. Производим расчет аналогично второму подогревателю. Схема третьего подогревателя и его - диаграмма подобны показанным на рис. 1.5. Тепловой и материальный балансы третьего подогревателя
Параметры в точках и определяем по давлению в отборе по - диаграмме и таблицам. Давление отбора определяем по температуре насыщения в подогревателе
Все полученные значения сводим в таблицу 1.2.
Характерная точка установки
Рис. 1.6. Процесс расширения пара в паровой турбине в - диаграмме.
Теоретическая и действительная работы расширения 1 кг пара в регенеративном цикле
То же для цикла без регенерации
Теоретическая и действительная работы сжатия 1 кг питательной воды для циклов с регенерацией и без нее в принятой схеме одинаковы
Теоретическая и действительная удельные работы циклов с регенерацией и без нее рассчитываю по формулам
Подведенная удельная теплота в цикле с регенерацией и без регенерации
Секундные расходы пара в точке для действительных циклов с регенерацией и без нее
Так как принимается что то для всех остальных точек полные расходы рабочего тела рассчитываем по формуле
Полученные данные заносим в таблицу 1.2.
Расход циркуляционной воды определяем из теплового баланса конденсатора (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Схема конденсатора
для цикла с регенерацией тепловой баланс конденсатора имеет вид
где - расход пара в конденсатор;
- расход дренажа из системы регенерации;
- теплоемкость воды;
для цикла без регенерации тепловой баланс конденсатора имеет вид
Кратность циркуляции охлаждения определяем по формулам
Секундный расход натурального топлива
Секундный расход условного топлива
где - теплота сгорания условного топлива.
Термический КПД циклов с регенерацией и без нее
Абсолютный внутренний КПД циклов с регенерацией и без нее
Эффективный КПД циклов с регенерацией и без нее
где - коэффициент использования располагаемой теплоты численно равный КПД котельного агрегата.
Электрический КПД-нетто установок с регенерацией и без
Полученные данные сводим в таблицу 1.3.
Паротурбинная установка
Расход пара в голову турбины
Расход циркуляционной воды
Кратность циркуляции
Годовой расход натурального топлива
Годовой расход условного топлива
Термический КПД цикла
Абсолютный внутренний КПД цикла
Эффективный КПД установки
Электрический КПД-нетто установки
Газотурбинная установка (ГТУ) работает по циклу Брайтона с подводом теплоты при постоянном давлении без регенерации (рис. 2.1.). Атмосферный воздух с давлением и температурой сжимается в компрессоре и подается в камеру сгорания в которую поступает соответствующее количество топлива. Образовавшиеся продукты сгорания заданной температуры направляются из КС в газовую турбину . Расширяясь в турбине продукты сгорания понижают свою температуру и выбрасываются в окружающую среду.
Рабочее тело ГТУ считать идеальным газом с термодинамическими свойствами воздуха.
Исходные данные для расчета сведены в таблицу 2.1.
Рис. 2.1. Принципиальная схема газотурбинной установки.
Определить параметры в характерных точках; коэффициент учитывающий уменьшение подводимой теплоты по сравнению с теоретическим циклом; удельную работу сжатия теоретического цикла ; удельную работу действительного цикла ; термический и абсолютный внутренний КПД цикла для различных величин степени повышения давления .
Построить графические зависимости .
Из полученных графиков оценить оптимальные степени повышения давления из условия максимального внутреннего КПД и максимальной удельной работы цикла.
Построить термодинамический цикл газотурбинной установки в и - координатах.
В расчетах расход рабочего тела считать неизменным (расход топлива не учитывать). Один расчет выполнить подробно а результаты остальных расчетов можно свести в соответствующие таблицы.
Для расчетов выбирать степень повышения давления таким образом чтобы оптимальные находились в середине исследуемого интервала.
В качестве начала отсчета энтропии принять и .
Все графические зависимости выполнить в масштабе.
Термодинамические циклы в в и - координатах выполнить в масштабе при оптимальной степени повышения давления найденной из условия максимума внутреннего КПД.
Термодинамический цикл газотурбинной установки постоянного горения в и - координатах показан на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Термодинамический цикл газотурбинной установки в (а) и (б) – координатах.
Учитывая что рабочим телом является идеальный газ с термодинамическими свойствами воздуха примем: ; ; . При расчетах энтальпии используем приближенную формулу: где - берем по шкале Цельсия .
Расчет газотурбинной установки начинаем с определения параметров в характерных точках предварительно приняв интервал степени повышения давления.
Принимаем и определяем параметров в характерных точках и показатели эффективности работы установки при заданной степени повышения давления.
Точка : по заданным давлению и температуре находим удельный объем энтальпию и энтропию:
Точка : по заданной степени повышения давления и энтропии находим давление температуру удельный объем и энтальпию:
Точка 2: по давлению и внутреннему относительному КПД процесса сжатия (КПД компрессора) находим температуру энтропию удельный объем и энтальпию:
Точка : по давлению и температуре находим энтропию удельный объем и энтальпию:
Точка : по давлению и энтропии находим температуру удельный объем и энтальпию:
Точка : по давлению и внутреннему относительному КПД процесса расширения (КПД турбины) находим температуру энтропию удельный объем и энтальпию:
Теоретическая и действительная работы расширения 1 кг газа
Теоретическая и действительная работы сжатия 1 кг газа
Теоретическая и действительная удельные работы циклов (без учета расхода топлива)
Подведенная удельная теплота в цикле
Коэффициент учитывающий уменьшение подводимой теплоты по сравнению с теоретическим циклом
Удельная работа сжатия теоретического цикла
Термический КПД цикла
Для простейшего цикла Брайтона
Абсолютный внутренний КПД цикла
Рассчитаем показатели эффективности для степени повышения давления равной 5 8 10 15 20 25 30 40. Полученные данные сводим в таблицу 2.2.
Для поиска более точного значения оптимальной степени повышения давления воспользуемся ЭВМ (MathCAD). Для этого запишем абсолютный внутренний КПД цикла как функцию от степени повышения давления затем продифференцируем эту функцию и приравняем производную к нулю.
Решив это уравнение относительно получим оптимальное значение степени повышения давления.
Проделаем тоже самое для действительной удельной работы цикла:
Степень повышения давления
Построим графические зависимости при помощи ЭВМ.
Рис. 2.3. График зависимости показателей ГТУ от изменения степени повышения давления.
Рис. 2.4. График зависимости действительной удельной работы цикла от степени повышения давления.
Определим параметры в характерных точках при и сведем их в таблицу 2.3.
Расчет паросиловых установок без регенерации и с регенерацией указывает на то что применение регенерации значительно улучшает характеристики установки:
Увеличивается термический КПД цикла .
Увеличивается абсолютный внутренний КПД цикла .
Это приводит к экономии топлива и возрастанию эффективного КПД цикла и электрического КПД – нетто установки .
При расчете газотурбинной установки мы аналитически определили значения оптимальных степеней повышения давления исходя из условия максимального внутреннего КПД и максимальной удельной работы цикла .
Список использованных источников
Дубинин А.Б. Осипов В.Н. Термодинамика. Методические указания к выполнению расчетно-графической работы. Саратов. СПИ. 2006.
Александров А.А. Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. – М.: Издательство МЭИ. 1999.
Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок А.И. Андрющенко – М.: Высшая школа. 1977.
Техническая термодинамика. Под ред. В.И. Крутова. – М.: Высшая школа. 1991.