Міністерство освіти і науки України
Тернопільськийнаціональний технічний університет ім. І.Пулюя
Електромеханічнийфакультет
Кафедраенергозбереження та енергетичногоменеджменту
Курсоваробота
зкурсу
«Технічнатермодинаміка»
Натему: Розрахунок термічного коефіцієнта корисної дії регенеративного циклупаротурбінної установки
Тернопіль2010
Зміст
електроенергія паротурбіннийрегенеративний термічний
Реферат
Вступ
1. Теоретична частина
1.1 Цикли паротурбінних установок
1.2 Цикли Карно для водяної пари
1.3 Цикл Ренкіна
1.4 Вплив основних параметрів пари на термічний ККД
1.5 Регенеративнийцикл паротурбінної установки
2.Розрахункова частина
2.1Завдання
2.2Розрахунок конкретної установки згідно варіанту
Висновок
Література
Календарний план№ п/п Назва етапів курсового проекту ( роботи ) Строк виконання етапів проекту (роботи) Примітки 1 Теоретична частина: а) принципова схема та цикл Карно паросилової (паротурбінної) установки; графічне пояснення, розрахунок роботи насиченої водяної пари при розширенні в турбіні та роботи компресора; обґрунтування економічної невигідності (недоцільності) циклу б) принципова схема та зразковий (ідеальний, теоретичний) цикл Ренкіна паросилової установки, перевага насоса (помпи) порівняно з компресором; графічне пояснення, розрахунок термічного ККД, питомих роботи пари, витрат пари та теплоти; розрахунок дійсної (реальної) питомої роботи розширення пари; в) принципова схема регенеративного циклу Ренкіна паросилової установки; графічне пояснення, розрахунок часток пари у відборах, термічного ККД та питомої витрати пари; техніко-економічні преваги відносно звичайного (простого) циклу Ренкіна. 2.
Розрахункова частина
У паротурбінній установці здійснюється регенеративний підігрів живильної води в двох змішувальних підігрівниках (рисунок). При вході в турбіну тиск пари />, температура />. Тиск пари в першому відборі />, у другому />, в конденсаторі />. Визначити збільшення термічного ККД циклу порівняно з циклом Ренкіна.
Реферат
Дана курсоваробота містить 2 розділи, 9 малюнків, 28 формул і 9 використаних першоджерел.
Метою курсовоїроботи є підвищення ефективності паротурбінних установок шляхом удосконаленнявнутрішньої регенерації теплоти відпрацьованих у паровій турбіні, розробкарекомендацій по створенню схем ПТУ, що мають максимальний ККД і забезпечуютьмінімальне забруднення навколишнього середовища.
КЛЮЧОВІ СЛОВА:
Парогенератор, пара,паротурбінна установка, регенеративний цикл, коефіцієнт корисної дії.
Вступ
В даний час переважначастина електроенергії виробляється на теплових електростанціях за допомогоюпаротурбінних установок з використанням водяної пари. Теплова паротурбіннаелектростанція (ТПЕС), теплова електростанція, на якій для приводу електричногогенератора використовується парова турбіна (ПТ). Основне призначення ТПЕС, як ібудь-якої електростанції, – виробництво електричної енергії. Необхідний для ПТ пар виробляється впарогенераторі. Використання пари з високими параметрами (тиском ітемпературою) збільшує питому роботу пари, зменшує витрату пари, тепло іпалива, тобто збільшує ККД (коефіцієнт корисної дії) ТПЕС. Як живильна вода дляпарогенераторів використовують конденсат відпрацьованої в турбіні пари, поромрегенеративних відборів турбіни, що підігрівається. Сучасні ТПЕС працюють потермодинамічному циклу, основою якого служить цикл Ренкіна водяної пари. Необхіднийтиск пари забезпечується подачею в парогенератор відповідної кількості щопідлягає перетворенню на пару води (за допомогою живильного насоса). Потрібнатемпература пари досягається його перегрівом в пароперегрівачі парогенератора;в той же час виробляється проміжний перегрів пари: пару з проміжного рівнятурбіни відводять в котельну для повторного перегріву, а потім направляють внаступний рівень турбіни. Турбоагрегат і пором, що забезпечує його,парогенератор з їх допоміжним устаткуванням і трубопроводами пари і водиутворюють енергоблок ТПЕС. Економічність енергозбереження електростанціїхарактеризується величиною розрахункових питомих витрат на виробництво /> електроенергії.Розрахункові питомі витрати визначаються одноразовими (за роки будівництвастанції) капіталовкладеннями, а також щорічними витратами виробництва з моментувведення устаткування в експлуатацію і на ТПЕС.
1. Теоретична частина
1.1 Цикли паротурбінних установок
В даний час переважначастина електроенергії виробляється на теплових електростанціях за допомогоюпаротурбінних установок з використанням водяної пари. Принципова схемапаротурбінної установки показана на рис. 1, її робота здійснюється наступнимчином. При згорянні палива в точці парогенератора 1 утворюються газоподібніпродукти згоряння, теплота яких передається потім воді і пару через металевустінку труб.
/>
Рис.1. Принципіальна схема паротурбінної установки.
Вода підігрівається докипіння і переходить в насичену пару, яка при русі через пароперегрівач 2 підсушується іперегрівається. Перегріта пара направляться в парову турбіну 3, де її теплота переходить в механічну роботу обертання роторатурбіни. В електричному генераторі, що сидить на одному валу з турбіною,механічна робота переходить в електричну енергію. Після турбіни відпрацював парз низьким тиском поступає в конденсатор 4, через який прокачується охолоджуючавода. Тут пара віддає теплоту воді і конденсується. Конденсат відкачуєтьсянасосом 5, знову подається в парогенератор і цикл повторюється.
1.2 Цикли Карнодля водяної пари
На рис. 2 вкоординатах />– зображений теоретичний цикл Карно насиченої водяної пари.
Установка, щопрацює за циклом Карно, повинна складатися з парогенератора, парової турбіни,компресора й конденсатора. Ізобарно-ізотермічний процес /> здійснюється впарогенераторі, в якому за рахунок підводиться тепла кипляча рідина стану /> переходить в суху насиченупару стану видання />. Отримана пара по адіабати /> розширюється в турбіні і здійснюєроботу, яка на діаграмі зображується пл. /> і визначається за формулою
/> (1)
/>
Рис. 2. ЦиклКарно для сухої насиченої пари
Відпрацьована пара надходить уконденсатор, де здійснюється часткова конденсація внаслідок віддачі теплотиохолоджуючої воді при постійних температурі і тиску по лінії />. Волога насичена пара стану /> надходить у компресор, стискуєтьсяпо адіабати /> і знову переходить в рідину стану />, яка подається впарогенератор і цикл повторюється. Робота компресора на рис. 2 зображуєтьсязаштрихованої пл. /> і визначається за рівнянням:
/> (2)
У сучасних паротурбіннихустановках тиск у конденсаторі підтримується в інтервалі /> тому питома обсяг вологої пари /> поступає в компресор, убагато разів перевищує обсяг рідини. У зв’язку з цим компресор виходитьгроміздким і на нього витрачається велика кількість металу. Крім того, на стисквологої пари витрачається надмірно велика робота, складова значну частинуроботи, яку здійснюють порою втурбіні.
Розрахунки показують, щоякщо паротурбінна установка буде працювати в межах від /> в парогенераторі до /> в конденсаторі, то теоретична робота компресораскладає близько /> роботи пари в турбіні. Практично внаслідок ряду втратна привід компресора витрачається ще більша робота.
На підставівищевикладеного здійснення циклу Карно в паротурбінних установках важко іекономічно невигідно, тому на практиці він не застосовується.
1.3 Цикл Ренкіна
Теоретичним цикломпаротурбінних установок є цикл – Ренкіна. Його основна відмінність від циклу Карно полягає в тому, що вконденсаторі здійснюється повна конденсація пари, що надходить з турбіни. Узв’язку з цим замість громіздкого компресора застосовується більш компактнийнасос, в якій внаслідок малої стисливості води витрачається робота у багаторазів менше, ніж у компресорі. У паротурбінних установках електростанцій, щопрацюють по циклу Ренкіна, замість насиченої пари застосовують перегріту, що забезпечуєвідмінкові умови роботи турбіни і більш високі значення ККД установки.
На рис. 3зображений теоретичний цикл Ренкіна. для /> перегрітої пари в координатах /> (схема установки нарис. 1). Внаслідок малої стисливості води процес в насосі зображуєтьсяізохорами /> причому точка а знаходиться лівішенижньої прикордонної кривої. Робота стиснення в насосі зображується площадкою />, яка заштрихована надіаграмі.
/>
Рис. 3,4. ЦиклРенкіна для перегрітої пари в /> і />–діаграмах
Ізобаричнийпроцес /> здійснюється в парогенераторі,причому ділянка /> відповідає підігріву води до кипіння,ділянка /> – пароутворення і ділянка /> – перегріву пари впароперегрівачі.
Процес /> є адіабатного розширення пари втурбіні, а чинена робота є наявна робота, вона дорівнює різниці ентальпій /> – зображується площею 1234, а кориснаробота пари в циклі зображується площею />
Ізобарно-ізотермічнийпроцес /> протікає в конденсаторі, девідпрацював пар повністю конденсується; стан конденсату визначається точкою />, яка знаходиться на нижнійприкордонної кривої.
Зобразимо цикл Ренкінав координатах /> як це показано на рис. 4. Тут точкаа суміщена з точкою />, тому що при стисканні води в насосіїї температура і ентропія практично не змінюються, а ізобар підігріву водиспівпадає з нижньою прикордонної кривою. У цій діаграмі окремі площізображують: пл. /> – ентальпію перегрітого пара /> стану 1; пл. /> – ентальпію відпрацьованоїпари стану2 при вході вконденсатор і2; пл. /> — ентальпію конденсата стану /> після конденсатора /> Теплота /> сообщенная />пари в парогенераторі по ізобару />, зображується пл. /> і визначається за рівнянням
/> (3)
Теплота /> віддана охолоджуючі воді в конденсаторі по ізобарі 2–2′,зображується пл. /> івизначається за рівнянням
/> (4)
При низьких і середніх початкових тисках пари робота насосанезначна і зазвичай її не беруть до уваги, тому термічний ККД циклу Ренкінаможна знайти за рівнянням
/>
або остаточно
/> (5)
Отже, робота /> пари, зображувана пл. /> дорівнює різниці ентальпій адіабатного розширення пари втурбіні
/> (6)
Крім термічного ККД при різних теплових розрахунківвизначають питома витрата пари і теплоти на одиницю роботи.
В паросилових установках, як одиниця роботи використовується позасистемна одиниця кіловат годину /> тепловий еквівалент якого дорівнює /> Тому привимірюванні ентальпії пари в /> питома витрата її в /> можна визначити зарівнянням
/> (7)
а питома витрата теплоти в /> – заформулою
/>(8)
При вимірюванні ентальпії пари в />відповідно отримаємо:
в />
/>(9)
і в />
/>(10)
де /> – тепловийеквівалент />
Дійсний процесс розширення пари внаслідок тертя всоплах і на лопатках турбіни та інших внутрішніх втрат є незворотнім процесом ісупроводжується збільшенням ентропії. Робота тертя переходить в теплоту, якапередається парі, і її ентальпія в кінцевому стані зростає. Адіабатний процесзображується лінією /> а дійснийпроцес – похилій лінією /> яка єумовним графіком цього процесу. Дійсна робота /> паридорівнює:
/>
а теоретична
/>
Причому
/>
Ставлення дійсної роботи /> до теоретичної /> характеризує внутрішні втрати в турбіні, називаєтьсявнутрішнім відносним ККД і позначається />
/>(11)
Ставлення дійсної роботи пари в турбіні до підведеннятепла /> називаєтьсяабсолютним внутрішнім ККД і позначається /> причому
/>(12)
/>
Рис.5. Зображення адіабатних процесів
Помноживши і розділивши рівняння (9-12) на теоретичнуроботу циклу /> післяперетворень отримаємо:
/>(14)
1.4 Вплив основних параметрів пари на термічний к. к.д. циклу Ренкіна
Термічний к. к. д. циклу Ренкіна за рівнянням (5)визначається значеннями ентальпії /> і які у свою чергу залежать від тиску /> температури />пари, що надходить в турбіну і його тиску /> в кінці адіабатні розширення.
/>
Рис.6, 7.Збільшення роботи і степеня сухості пари циклу Ренкіна.
Розглянемо вплив кожного з параметрів – />, /> і /> – на термічний ККДУ /> діаграмі(рис. 6) показані адіабатні процеси розширення при зростаючій початковому тискупари /> і постійнихзначеннях /> і />. Як видно з діаграми, в цьому випадку відбувається збільшенняроботи циклу /> і зменшенняпочаткової ентальпії пари /> Увідповідності з рівнянням (5) термічний ККД збільшується. Однак з підвищенням початковоготиску одночасно збільшується кінцева вологість пари /> що викликає ерозійний знос лопаток останніх ступенівтурбіни і може призвести до аварії. Допустима кінцева вологість пари не можебути більше />
При підвищенні початкової температури /> і постійних тисках /> і /> збільшуютьсяентальпія пара /> і роботациклу />, які маютьпротилежний.
1.5 Регенеративний цикл паротурбінної установки
Регенеративним циклом паротурбінної установки зазвичайназивається такий цикл, у якому здійснюється підігрів живильної води за рахуноктеплоти пара, відібраної з різних точок проточної частини турбіни. Паравідбирається з турбіни після того, як вона пройде ряд її ступенів і зробитьроботу; при цьому тиск знижується від початкового /> до тиску /> якийпідтримується у відборі.
Відбірна пара направляється в підігріви, куда такожпоступає конденсат або живильна вода. Тут в результаті теплообміну параконденсується, а вода нагрівається і потім подається в парогенератор. Конденсатвідбірної (грітої) пари також поступає в парогенератор.
Для підігріву води застосовуються поверхневі і змішуючіпідігрівачі, які називаються регенеративними підігрівачами. У змішувальних подогревателях вода нагрівається до температури кипінняв результаті змішування води і конденсату пари, в поверхневих подогревателяхвода не догріває на /> до температурикипіння, так як теплообмін між парою і водою відбувається через їх розділяєповерхню труб.
/>
Рис.7. Принципова схема паротурбінної установки з двохзмішувальних регенеративними підігрівачами: ПГ – парогенератор, Т – турбіна, К –конденсатор, КН – конденсаційні насоси, ЗП – змішувальні підігрівники, ЖН –живильні насоси, /> – частка пари, що поступає в />-й відбір, “‘” –конденсат)
Економічно доцільно підігрівати живильну воду послідовнов декількох підігрівів, кількість яких встановлюється техніко-економічнимрозрахунком. Число і місця відборів пари залежать від багатьох факторів і впершу чергу від початкових параметрів пари (/>), потужностіустановки і кінцевої температури підігріву живильної води.
У сучасних потужних паротурбінних установках підігрівживильної води здійснюється в регенеративних підігрівах поверхневого типу,кількість яких може доходити до десяти.
Розглянемо особливості регенеративного циклу стосовнопаротурбінної установки з двома змішувальних підігрівачами, схема якої зображенана рис. 11. Процеси в установці протікають наступним чином. З парогенератора /> перегріта пара з тиском /> і температурою /> надходить утурбіну />.
Тут одна частина пара розширюється до тиску /> поступає в перший відбір (точка />)і направляється в змішуючий підігрівач />.Інша частина пара розширюється до більш низького тиску />і поступає в другий відбір (точка />), звідки направляється в змішуючий підігрівач />. Основна (третя) частинапари проходить всіступені турбіни, розширюється до кінцевого тиску /> і надходить у конденсатор />, де повністюконденсується. Конденсат, що утворюється, званий основним, послідовнопрокачується конденсатними насосами /> череззмішуючі підігрівачі /> і />.У кожному з них основний конденсат змішується з конденсатом добірної пари і східчастопідігрівається до температури кипіння, відповідної тискам відборів /> і /> Після підігрівачів нагріта вода живильним насосом /> подається знову в парогенератор, чим ізакінчується цикл.
Для дослідження та розрахунку основних характеристикрегенеративного циклу застосовуються такі позначення:
/>частка пари, що надходить у перший відбір; />частка пари, що надходить у другій відбір; /> частка пари, що надходить в конденсатор.Параметри пари, що надходить в турбіну: тиск /> температура /> і ентальпія /> Параметри пари першоговідбору: тиск /> температура /> ентальпія /> ентальпія її конденсату />
Параметри пари другого відбору: тиск />, температура /> ентальпія /> ентальпія її конденсату /> Параметри пари привході в конденсатор: тиск />, ентальпія /> ентальпія її конденсату />
/>
Рис.8. Адіабатнийпроцес розширення пари в регенеративному циклі
Процес розширенняпари в турбіні вважається оборотньо адіабатним; гідравлічні і теплові втратитрубопроводів відбірної пари і теплові втрати підігрівачів не приймаються доуваги, робота насосів не враховується. При вказаних умовах стан пари в /> діаграмі знаходяться як точкипересічення відповідних ізобар і адіабати розширень(рис. 8). Ентальпії пари знаходяться безпосередньо з />діаграми; ентальпії конденсату – за допомогою таблиць водяної пари. Кількість пари, що надходить впідігрівачі з відборів турбіни, знаходять з теплового балансу підігрівачів.Складемо ці теплові баланси і знайдемо відповідні частки /> і />
Підігрівач />. У цейпідігрівач з конденсатора надходить /> води, з другоговідбору /> пари і виходить /> води. З огляду нараніше прийняті позначення, складемо рівняння теплового балансу (рис. 11):
/>(15)
звідки після перетворень отримаємо:
/>(16)
Підігрівач />. У цейпідігрівач з першого відбору надходить /> пара, з підігрівача />/> конденсату і виходить /> води (рис. 9-11). Відповідно до прийнятих позначеннямитепловий баланс підігрівача виражається рівнянням
/>(17)
Звідки
/>(18)
Після підігрівача /> водаз ентальпією /> надходить упарогенератор і перетворюється там в перегріту пару. Кількістьтеплоти, витраченої в парогенераторі для отримання /> перегрітої пари, складає:
/>(19)
що менше, ніж у циклі Ренкіна.
Кількість теплоти, відданої в конденсаторі охолоджуючоїводі, на /> пари, що надходить утурбіну, знайдемо з рівняння
/>(20)
що теж менше, ніж у циклі Ренкіна.
Термічний ККД регенеративного циклу виражається рівнянням
/>(21)
Робота /> пари в розглянутомурегенеративному циклі може бути визначена наступним чином. Частина пари, яка надходить уперший відбір при нижчому тиску від /> до /> здійснює роботу
/>(22)
Інша частина пари, розширюючись між початковим тиском /> і тиском відбору />, здійснює роботу
/>(23)
Залишина основна частина проходить через всю турбіну,розширяється і понижує тиск від початкового /> до кінцевого /> робота цієї частини пари рівна:
/>(24)
Сумарна робота трьох потоків є робота /> пари, тому
/>(25)
Після перетворень рівняння (9-27) приводиться до вигляду
/>(26)
З порівняння рівнянь (6) і (28) видно, що за одних і тих жепочаткових і кінцевих параметрах робота /> пара в цикліРенкіна /> більше, ніж урегенеративного циклу, т. е. />
Використовуючи рівняння (28) і (21), отримуємо інший вираздля визначення термічного к. к. д. регенеративного циклу:
/>(27)
Таким чином, при здійсненні регенеративного циклу витрататеплоти в парогенераторі /> і робота /> пари будуть менше,ніж у циклі Ренкіна. Однак теплота /> зменшується більш інтенсивно, ніж робота, і тому термічний к. к. д.регенеративного циклу завжди більше, ніж у циклі Ренкіна. Економічністьрегенеративного циклу підвищується зі збільшенням початкових параметрів пари />,/> і числа відборів;термічний ККД циклу може бути на /> вище, ніж у циклі Ренкіна.
Питома витрата пари може бути визначений з виразу
/>(28)
оскільки /> то питома витрата пари буде більше, ніж уциклі Ренкіна.
На завершення слід зазначити, що застосування регенеративногопідігріву води не тільки підвищує термічний ККД, але. і маєвеликий вплив на конструктивне виконання основних агрегатів паротурбінноїустановки.
2. Розрахункова частина
2.1 Завдання
У паротурбінній установціздійснюється регенеративний підігрів живильної води в двох змішувальнихпідігрівниках (рисунок). При вході в турбіну тиск пари />, температура />. Тиск пари в першомувідборі />, у другому />, в конденсаторі />. Визначити збільшеннятермічного ККД циклу порівняно з циклом Ренкіна.
/>
2.2 Розрахунок конкретної установки згідно варіанту
За допомогою />діаграми (див. рис.) і таблиць знаходим ентальпіюпари і конденсата для характерних точок цикла. При вході в турбіну />перший відбір: для пари /> для конденсата /> другий відбір: для пари /> для конденсата /> конденсатор: для пари /> для конденсата />
Частки пари,надходять у відбори
/>
/>
Термічний к.к.д.регенеративного цикла
/>
Для цикла Ренкіна
/>
збільшення ККД складє:
/>
Висновок
Регенеративний підігрів живильноїводи сьогодні застосовують на всіх ПТУ електростанцій. Потоки пари, щовідводяться з турбіни у змішувальні підігрівники (ЗП), виконують роботубез втрат у К. При цьому для заданої електричної потужності ПТУ витрата паричерез К зменшується, а ККД ПТУ зростає. У реальних ПТУ через РП проходить невесь потік пари, а лише його частина, див. рис. При такій схемі витрата пари черезтурбіну від відбору до відбору зменшується.
Ефективність регенеративногопідігріву пари залежить від відношення роботи всіх потоків пари, що відведені зтурбіни, до роботи потоку, що проходить через конденсатор.
Конденсаційні паротурбіни установки мають розвиненусистему регенеративного підігріву живильної води, що сприяє підвищеннюпотужності турбіни й економічності ПТУ загалом (економія палива сягає /> і більше порівняно зтурбінами без регенерації).
Економічність ПТУ можна також підвищити збільшеннямпочаткових параметрів пари (/> і/>). Однак з підвищеннямпочаткового тиску /> точка 2 в /> – діаграмізміщається в її ліву область, тобто вологість пари зростає (при цьому ступіньсухості падає />) вищеприпустимих норм вологості.
Література
1. Арнольд Л.В.Техническая термодинамика и теплопередача / Л.В. Арнольд, Г.А. Михайловский, В.М.
Селиверстов. – М.: Высш. шк., 1979. –446 с.
2. БуляндраО.Ф. Технічна термодинаміка / О.Ф. Буляндра. – К.:Техніка, 2006. – 320 с.
3. Костерев Ф. М.Теоретические основы теплотехники / Ф. М. Костерев, В. И. Кушнырев. – М.:Энергия, 1968. – 360 с.
4. КузовлевВ.А. Техническая термодинамика и основы теплопередачи/ В.А. Кузовлев. – М.: Высш. шк., 1975. – 303 с.
5. Андрющенко А. И. Основытермодинамических циклов теплоэнергетических установок / А. И. Андрющенко. –М.: Высш. шк., 1968. – 288 с.
6. Рабинович О. М. Сборникзадач по технической термодинамике / О. М. Рабинович. – М.: Машиностроение,1969. – 376 с.
7. Сборник задач потехнической термодинамике / Под ред. М.П. Вукаловича. – М.-Л.: Энергия, 1964. –200 с.
8. Теплофизические измеренияи приборы / Под ред. Е.С. Платунова. – Л.: Машиностроение, 1986. – 256 с.
9. Лабораторныйпрактикум по термодинамике и теплопередаче / Под. ред. В. И. Крутова и Е.В.Шишова. М.: Высш. шк., 1988. – 216 с.