Расчет термодинамической эффективности паросиловой установки
ГОУ ПГУ им. Т. Г. Шевченко
Бендерский политехнический филиал
Кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция»
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Техническая термодинамика»
Специальность: 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция»
Тема: Расчет термодинамической
эффективности паросиловой установки
Расчетно-пояснительная записка
Дементьев Денис Юрьевич
ПРОВЕРИЛ: Лохвинская Т.И.
Бендеры, 2014 г .
СОДЕРЖАНИЕ
Задание……………………………………………………………
Введение…………………………………………………………
I. Общий раздел………………………………………………………………
Общая характеристика циклов паросиловых установок (ПСУ) тепловых электростанций (ТЭС)…………………--
Описание работы кругового цикла Карно…………………………………………………………………
Теоретический цикл современной паросиловой
установки (цикл Ренкина)………………………………………………….……
II. Расчетно-технологический раздел………………………………………………………………
Анализ влияния на характеристики термодинамической
эффективности……………………………………………
Построение цикла в T-s диаграмме на миллиметровой
бумаге………………………………………………………………
Выкопировка рабочего процесса расширения пара в турбине из масштабной i-s диаграммы…………………14 стр.
Цикл расширения водяного пара в турбине с повышенным давлением …………………………………….…….15 стр.
Построение цикла в T-s диаграмме на миллиметровой
бумаге………………………………………………………………
Выкопировка рабочего процесса расширения пара в турбине из масштабной i-s диаграммы…………………18 стр.
Цикл расширения водяного пара в турбине с повышенной начальной
температурой ………………………………………………………………………………
Построение цикла в T-s диаграмме на миллиметровой
бумаге……………………………………………………….……
Выкопировка рабочего процесса расширения пара в турбине из масштабной i-s диаграммы………………..22 стр.
Цикл расширения водяного пара в турбине
при снижении конечного давления ,Мпа …………………..23 стр.
Построение цикла в T-s диаграмме на миллиметровой
бумаге………………………………………………………………
Выкопировка рабочего процесса расширения пара в турбине из масштабной i-s диаграммы……………....26 стр.
Сводная таблица результатов расчетов…………………………………………………………
Выводы об эффективности работы рассчитываемой
паросиловой установки…………………………………………………..
Список используемой литературы……………………………………………………
ЗАДАНИЕ
НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
по дисциплине
«Теоретические основы
по теме:
Расчет характеристик термодинамической эффективности
паросиловой установки
Рассчитать характеристики термодинамической эффективности цикла паросиловой установки при следующих начальных параметрах состояния пара:
Начальное давление пара
Начальная температура пара t1 300 , 0C
Давление пара при отборе пара после
части турбины высокого давления Р0 0,2 , МПа 2 бар
Конечное давление пара
Сделать сравнительный анализ рассчитанных характеристик термодинамической эффективности цикла паросиловой установки при изменении начальных параметров состояния пара
- При повышении начального давления пара P1 3,5, МПа 35 бар
без изменения начальной температуры и конечного давления пара.
- При повышении начальной температуры t1 350, 0C
без изменения значений начального и конечного давления пара.
- При снижении конечного давления пара P2, 0,06 , МПа 0,6 бар
без изменения начальной температуры и конечного давления пара.
При данных изменениях давление пара при отборе пара после части турбины
высокого давления остается неизменным.
Варианты заданий выбираются в соответствии с номером зачетной книжки в соответствии с таблицей № 1 и исходные данные по курсовой работе в соответствии с вариантом выбираются по таблице №2.
Введение
В современной теплоэнергетике широко используются паросиловые установки. Наибольшее распространение получили стационарные паросиловые установки (ПСУ) тепловых электрических станций (ТЭС), на долю которых приходится более 80% вырабатываемой в стране электроэнергии.
Эти установки работают по циклу, предложенному шотландским инженером и физиком Ренкиным. В качестве рабочего тела в цикле используют водяной пар, который в различных элементах схемы ПСУ изменяет своё состояние вплоть до полной конденсации. В области близкой к сжижению свойства паров сильно отличаются от идеального газа, что исключает возможность применения уравнений и законов идеальных газов для паров. В этом случае процессы и циклы рассчитывают при помощи таблиц и диаграмм водяного пара.
Целью данной работы является более глубокое самостоятельное изучение студентами раздела "Цикла паровых установок".
Студенты должны овладеть навыком работы с hs – диаграммой и таблицей свойств водяного пара, научится определять по ним параметры пара различного состояния, уметь исследовать и анализировать циклы с помощью диаграмм.
I.Общий раздел
Общая характеристика циклов паросиловых установок (ПСУ) тепловых электростанций (ТЭС)
Современная теплоэнергетика базируется преимущественно на применении тепловых двигателей, в которых энергия топлива или пара преобразуется в работу. Паросиловые установки относятся к тепловым двигателям, в которых продукты сгорания топлива (в отличие от двигателей внутреннего сгорания) являются промежуточным теплоносителем, а рабочим телом - пар какой-либо жидкости, чаще всего водяной пар.
Принцип действия паросиловой установки (рис.1) заключается в следующем. В парогенераторе (паровой коме) (1) теплота от продуктов сгорания топлива - топочных газов передается к котловой воде и здесь происходит ее нагрев до температуры насыщения и превращение в пар. Образующийся сухой насыщенный пар из поступает в пароперегреватель (2), где за счет дальнейшего подвода тепла происходит изобарное увеличение температуры (перегрев) пара и увеличение внутренней энергии пара. Далее пар по паропроводу (3) поступает в паровую турбину (4), где в результате расширения пара происходит преобразование внутренней энергии пара в механическую работу турбины и затем, например, в электрическую энергию, в электрогенераторе. Отработанный в турбине пар поступает в паровой конденсатор (5) , где, отдавая теплоту парообразования (конденсации) охлаждающей воде конденсируется до состояния насыщенной воды. Конденсат подается питательным насосом (6) в парогенератор и цикл повторяется снова.
В зависимости от типа парового двигателя и способа использования отработавшего пара, давление этого пара в конце его расширения может быть различным. При этом возможны следующие случаи:
- давление пара в конце его расширения выше атмосферного (0,2-0,5 МПа), и отработавший в машине пар используют для удовлетворения нужд потребителя теплоты;
- расширение пара в машине происходит до давления, значительно более низкого, чем атмосферное (конденсационные установки).
В заданных пределах изменения температуры при переводе теплоты в работу наиболее экономичен процесс Карно, причем его КПД не зависит от природы рабочего тела. При осуществлении цикла Карно для газов основным препятствием является поддержание постоянства температур при изотермическом подводе и отводе теплоты от газа. Если же рабочим телом является влажный пар, то это препятствие отпадает, так как постоянство температуры в избранных процессах повода и отвода теплоты обеспечивается испарением или конденсацией части рабочего тела. Однако практически цикл Карно в паросиловых установках не используется из-за громоздкости насосной установки.
Описание работы кругового цикла Карно.
В термодинамике цикл Карно́ или процесс Карно — это обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических процессов. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой — холодильником.
Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году.
Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно.
Рис 2. – Цикл Карно в T,S – диаграмме Рис. 3 – Цикл Карно в P,V - диаграмме
Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой , холодильника с температурой и рабочего тела.
Цикл Карно состоит из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две — при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T (температура) и S(энтропия).
Изотермическое расширение (на рис. 2 — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты . При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.
Адиабатическое расширение (на рис. 2 — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника , тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.
Изотермическое сжатие (на рис. 2 — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее температуру , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты . Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.
Адиабатическое сжатие (на рис. 2 — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.
Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно
.
Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдаёт холодильнику
.
Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен
.
Из последнего выражения следует, что КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела. Этот результат составляет содержание первой теоремы Карно. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм. Поэтому максимальный КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. Это утверждение называется второй теоремой Карно. Оно даёт верхний предел КПД любой тепловой машины и позволяет оценить отклонение реального КПД от максимального, то есть потери энергии вследствие неидеальности тепловых процессов.
Теоретический цикл современной паросиловой установки
(цикл Ренкина).
Теоретический цикл Ренкина в диаграмме P-V имеет вид.
Рис. 4 P-V диаграмма для цикла Ренкина.
Точка 3 характеризует состояние воды на выходе из конденсатора, линия 3-4 – процесс повышения давления в питательном насосе, 4-5 – подогрев воды в паровом котле, точка 5 – состояние воды при температуре насыщения, 5-6 – парообразование в котле, 6-1 перегрев пара в перегревателе. Точка 1 характеризует состояние пара, поступившего в турбину; 1-2 – адиабатное расширение пара в турбине; 2 – состояние отработавшего пара, выходящего из турбины; 2-3 – процесс конденсации пара в конденсаторе.
Рис. 5 Цикл Ренкина в диаграмме T-S.
Кривая 3-4 изображает процесс повышения давления питательным насосом, 4-5 нагревание воды в паровом котле. Точка 5 соответствует температуре кипящей воды при давлении Р1 в котле. Площадь, лежащая под кривой 3-4-5, измеряет количество теплоты, подведённой к воде при её нагреве до точки кипения.
Прямая 5-6 изображает процесс парообразования. Точка 6 соответствует состоянию сухого насыщенного пара. Кривая 6-1 изображает процесс перегрева пара в пароперегревателе, а точка 1 – состояние перегретого пара после пароперегревателя. Прямая 1-2 изображает адиабатное расширение пара. Точка 2 соответствует состоянию отработавшего пара при давлении P2. Прямая 2-3 изображает процесс конденсации пара.
II. Расчетно – технологический раздел
Анализ влияния на характеристики термодинамической эффективности.
Используя I-S диаграмму водяного пара строим процесс расширения пара основного теоретического цикла, начальное состояние которого при входе в турбину характеризуется параметрами Р1, t1. На пересечении изобары Р1 и изотермы t1 находим точку 1. По диаграмме I-S определяем значение энтальпии I1 и энтропии S1. Затем отмечаем изобары P0 и P2 –давления пара при отборе и давление пара при выходе из турбины и из точки 1 опускаем перпендикуляр до пересечения с линиями, соответствующими P0 и P2 , получив точки 0 и 2. Точка 0 соответствует состоянию пара при выходе из турбины. Отрезок 1-2 численно равен адиабатному теплоперепаду одного килограмма пара в идеальной однокорпусной турбине. Найдя точку 2, определяем по диаграмме значение энтальпии пара I2. Затем, используя, таблицы «Термодинамических свойств воды и водяного пара» определяем, энтальпию I2' и энтропию S2' кипящей жидкости при давлении пара в конденсаторе. По I-S диаграмме водяного пара определяем степень сухости пара Х2 в конце теоретического процесса расширения пара в турбине.
Теоретический располагаемый теплоперепад в турбине.
h = i1- , (1)
Теоретическое количество подведенной удельной теплоты в основном цикле.
q1 = i1-,
Теоретическое количество отведенной удельной теплоты в основном цикле
q2 = i2- ,
Теоретическое количество полезной удельной работы в основном цикле.
l = q1- q2 = (i1- i2ˊ)- (i2- i2ˊ) = i1- ,
Тепломеханический коэффициент основного теоретического цикла паросиловой установки, вычисленный через энергобалансовые характеристики (q1, q2, l)
(5)
Р1 МПа |
t1 |
Р2 МПа |
t2 |
Х2 - |
h |
% | |||||||||
3,0 |
300 |
2990 |
6,57 |
0,1 |
100 |
2375 |
6,18 |
417,47 |
1,3026 |
0,867 |
615 |
2572,53 |
1957,53 |
615 |
23,9 |
Вычисленные энергобалансовые характеристики заносятся в таблицу 1.
По исходным и полученным в расчете данным строим T-S-диаграмму основного цикла паросиловой установки (цикл Ренкина). Линии кипящей жидкости (Х =0) и сухого насыщенного пара (Х =1) наносятся на график по данным, приведенным в таблице 2.
Таблица 2 значений параметров водяного пара на
линии насыщения.
P МПа |
Р Бар |
t |
Т К |
||
Р1 = |
30 |
235 |
508 |
2,65 |
6,19 |
Ро = |
2 |
120 |
393 |
1,53 |
7,13 |
Р2 = |
1 |
100 |
373 |
1,30 |
7,36 |
Диаграмма выполняется на миллиметровой бумаге в выбранном масштабе. Значения параметров пара откладываются на осях T-S. Пограничные кривые диаграммы T-S (линии кипящей жидкости Х=0 и линия сухого насыщенного пара Х=1), наносятся по данным, приведенным в таблице 2 значений исходных данных Р1, Р0, Р2; значения абсолютных температур насыщения Тн1, Тн0, Тн2; энтропий кипящей жидкости S1, S0 , S2 и энтропии сухого насыщенного пара S1", S0", S2", выбираются по таблицам термодинамических свойств воды и пара по соответствующим значениям давлений. Из точек значений энтропий кипящей жидкости и сухого насыщенного пара восстанавливаем перпендикуляры до пересечения с соответствующими значениями температур, полученные точки соединяем плавными кривыми, соответствующими нижней пограничной кривой (кривой кипящей жидкости) и верхней пограничной кривой (кривой сухого насыщенного пара). Далее изображается цикл Ренкина. Начальное состояние пара перед турбиной (точка 1) определяется на пересечении изотермы
Т1 – абсолютной температуры пара перед турбиной и линии постоянного значения энтропии S1 (значение S1 определяется по диаграмме I–S). Конечное состояние пара на выходе из турбины (при входе в конденсатор) определяется точкой 2, лежащей на пересечении изобары Р2 и линии постоянного значения энтропии S2= S1.
Аналогичным образом строим процесс расширения пара в турбине с параметрами Р1' и t1, т.е. с повышенным давлением пара, поступающего в турбину и с той же температурой. Для этого случая определяются значения тепломеханического коэффициента через энергобалансовые характеристики.
Построение проводятся аналогично описанному ранее в разделе I. При этом параметры рабочего тела вносят в таблицы аналогично таблицам 1 и 2.
Повышение начального давления приводит к росту конечной влажности пара, следствием чего является уменьшение полезной работы цикла, ухудшение условий работы ступеней турбины и снижение надежности эксплуатации паровых турбин, поэтому в современных ПСУ чрезмерное повышение влажности пара предотвращают введением промежуточного перегрева пара. Вместе с тем само по себе повышение начального давления оказывает неблагоприятное влияние на массогабаритные характеристики паротурбинного оборудования и трубопроводов, приводит к усложнению и удорожанию установки.
Цикл расширения водяного пара в турбине с повышенным давлением
Используя I-S диаграмму водяного пара строим процесс расширения пара основного теоретического цикла, начальное состояние которого при входе в турбину характеризуется параметрами Р1ˊ, t1ˊ. На пересечении изобары Р1ˊ и изотермы t1ˊ находим точку 3. По диаграмме I-S определяем значение энтальпии I1ˊ и энтропии S1ˊ. Затем отмечаем изобары P0 и P4 –давления пара при отборе и давление пара при выходе из турбины и из точки 3 опускаем перпендикуляр до пересечения с линиями, соответствующими P0 и P4 , получив точки 0 и 4. Точка 0 соответствует состоянию пара при выходе из турбины. Отрезок 3-4 численно равен адиабатному теплоперепаду одного килограмма пара в идеальной однокорпусной турбине. Найдя точку 4, определяем по диаграмме значение энтальпии пара I2ˊ. Затем, используя, таблицы «Термодинамических свойств воды и водяного пара» определяем, энтальпию I2' и энтропию S2' кипящей жидкости при давлении пара в конденсаторе. По I-S диаграмме водяного пара определяем степень сухости пара Х2 в конце теоретического процесса расширения пара в турбине.
Повышение начальной давления пара в значительной степени ухудшает производительность, так как температура осталась прежней. Поэтому наилучшие результаты оказываются при одновременном повышении начальных температур и давления рабочего тела.
Теоретический располагаемый теплоперепад в турбине.
h = i1- , (1)
Теоретическое количество подведенной удельной теплоты в основном цикле.
q1 = i1- ,
Теоретическое количество отведенной удельной теплоты в основном цикле
q2 = i2- ,
Теоретическое количество полезной удельной работы в основном цикле.
l = q1- q2 = (i1- i2ˊ)- (i2- i2ˊ) = i1- ,
Тепломеханический коэффициент основного теоретического цикла паросиловой установки, вычисленный через энергобалансовые характеристики (q1, q2, l.2)
Вычисленные энергобалансовые характеристики заносятся в таблицу 3
Р1 МПа |
t1 |
Р2 МПа |
t2 |
Х2 - |
h |
% | |||||||||
3,5 |
300 |
2980 |
6,46 |
0,1 |
100 |
2335 |
6,12 |
417,47 |
1,3026 |
0,851 |
645 |
2562,53 |
1917,53 |
645 |
25,17 |
По исходным и полученным в расчете данным строим T-S-диаграмму основного цикла паросиловой установки (цикл Ренкина). Линии кипящей жидкости (Х =0) и сухого насыщенного пара (Х =1) наносятся на график по данным, приведенным в таблице 3.
