Тепловая и электрическая энергия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Тепловая и электрическая энергия в наше время являются одними из наиболее востребованных продуктов. Без них практически невозможно представить себе повседневную жизнь современного человечества. От данного продукта зависят практически все сферы деятельности, такие как фабрики, заводы, транспорт, медицинские учреждения и многое другое.

Отрасль электроэнергетики очень уникальна, она требует разработки специальных методик для расчета и проектирования новых объектов по производству тепловой и электрической энергии, как, например, теплоэлектроцентраль (ТЭЦ). Цель создания ТЭЦ состоит в производстве тепловой и электрической энергии для обеспечения потребителей, находящихся в зоне обслуживания данной теплоэлектроцентрали, а также в производстве электроэнергии для передачи ее в районы с дефицитом электроэнергии.

Электрической станцией называется энергетическая установка, служащая для преобразования природной энергии в электрическую и тепловую. Наиболее распространены тепловые электрические станции (ТЭС), использующие тепловую энергию, выделяемую при сжигании топлива. На тепловых электростанциях электроэнергия вырабатывается вращающимся генератором, имеющим привод от теплового двигателя, чаще всего от паровой, реже - газовой турбины.



1. Постановка задачи

- Необходимо разработать принципиальную схему совместного производства электрической и тепловой энергии на основе термодинамического цикла Ренкина;

- Рассчитать её основные технологические элементы;

- Построить цикл на I-S диаграмме;

- Рассчитать производительность ТЭЦ;

- Занести данные в сводную таблицу и сделать общие выводы, рекомендации.

Исходные данные:

- давление пара: р₀ = 2 МПа; t₀ = 500 °С.

- давление в конденсаторе турбины р_к = 0,005 кПа;

- коэффициент полезного действия котлового агрегата _ка = 0,85;

- электромеханический КПД турбины _мех = 0,95;

- давление смеситель конденсатов р_кс = 0,07 МПа;

- начальная температура t = 40°С;

- конечная температура t = 85°С;

- расход пара ;

- доля отбора ;

- индикаторный коэффициент полезного действия .

2. Общие сведения

Коэффициент полезного действия современных ТЭС с паровыми турбинами достигает 40%. На ТЭС с паротурбинным приводом возможно использование любого вида топлива. К минусам паровой турбины можно отнести малую маневренность. Дело в том что давление пара, подаваемого в турбину, высокое - до 23,5 МПа и корпус турбины для обеспечения прочности очень массивен. Это не позволяет быстро и равномерно прогреть паровую турбину при пуске.

По виду отпускаемой энергии паротурбинные ТЭС на органическом топливе подразделяются на конденсационные электрические станции (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) На КЭС установлены турбоагрегаты конденсационного типа, они производят только электроэнергию. ТЭЦ отпускают внешним потребителям тепловую и электрическую энергию с паром или горячей водой. Поскольку ТЭЦ связана с предприятием или жилым районом трубопроводами пара или горячей воды, а их чрезмерное удлинение вызывает повышенные тепловой потери, станция этого типа обычно располагается непосредственно на предприятии, в жилом массиве или вблизи них. В данной курсовой работе объектом исследования является простейшая ТЭЦ с одним промежуточным отбором рабочего пара для целей теплофикации. Для преобразования тепла в работу используется термодинамический цикл Ренкина. По известному расходу энергетического пара D₀ и доли пара, направляемого в промежуточный отбор б, определяются теоретическая и реальная электрические мощности ТЭЦ по формулам:

- реальная:

- теоретическая:

Тепловая мощность рассчитывается по формуле:



3. Идеальный цикл Ренкина

Для оценки установок с термодинамической точки зрения ограничимся рассмотрением идеального термодинамического цикла Ренкина, в которой предполагается, что все элементы установки работают идеально, т. е. без потерь теплоты. На рис. 1 в координатах Т, s показан идеальный цикл паросиловой установки, получивший название цикл Ренкина. Точка 3 соответствует состоянию воды при выходе из смесителя конденсатов. Так как конденсат имеет температуру насыщения, соответствующую давлению пара в деаэраторе, то точка 3 лежит на нижней пограничной кривой. Процесс сжатия воды в насосе из-за не сжимаемости жидкости и неизменяемости температуры можно считать изохорным и изотермическим. В координатах Т,s точки 3 и 4 практически совпадают, ибо температура и энтропия воды в результате сжатия в насосе остаются неизменными. Далее по линии 4-5 проходит изобарный процесс подогрева воды до кипения. По линии 6-1 - процесс перегрева пара до нужной температуры. Процесс 4-5-6-1 осуществляется в котловом агрегате. Перегретый пар, характеризуется точкой 1, поступает в турбину, где расширяется. Пар характеризуется точкой 2. Затем пар конденсируется по линии 2-3 и цикл повторяется снова.

Рисунок 1. - Идеальный цикл Ренкина:



Таким образом формула для нахождение цикла Ренкина примет вид:

4. Построение теплофикационного цикла

Построение цикла теплофикации проводят по T-s диаграмме (рис. 2). Линию х = 0 (полная конденсация пара) до критической точки К и линию х = 1 (насыщенный водяной пар) строят по табличным данным зависимости энтропии воды и насыщенного пара от температуры.

Линию 1-2-3, характеризующую процесс охлаждения пара в турбине, строят по значениям температуры и энтропии перегретого пара в отборах (см. табл. 1).

Из точки 3 (пар в конденсаторе) проводят изотерму Т_К до пересечения с линией х = 0 - получают точку 4 (конденсат в конденсаторе). Затем проводят изотерму от линии х = 0 (точка 6) до линии х = 1 (точка 7). Полученная таким образом линия 6 - 7 отражает процесс испарения воды в парогенераторе.

Проводя изотерму Т₃ и соединяя точки 8 и 2, получают линию 2-8-5, характеризующую процесс охлаждения и конденсации пара в сетевом подогревателе.

Соединяя точки 7 и 1, получают линию 1-2-3-4-5-6-7-1 - теплофикационный цикл.

Сетевой подогреватель:

Назначение сетевого подогревателя состоит в нагреве заданного количества сетевой воды до заданной температуры.

По параметрам теплоносителей сетевые подогреватели работают в существенно более сложных условиях, чем конденсаторы. Зато объемные расходы теплоносителей, поступающих в подогреватели, существенно меньше и, как результат, их габариты значительно меньше, чем конденсаторов.

Расчет сетевого подогревателя проводится по упрощенной методике и сводится к определению теплообменной поверхности. Температуру теплоносителя, поступающего от потребителя тепла принимаем 40 ⁰С. Температуру теплоносителя, направляемого потребителю тепла принимаем 80 ⁰С. По заданным температурам теплоносителей на входе и выходе аппарата рассчитывается средний логарифмический температурный напор. Коэффициент теплопередачи можно принять по справочным данным. Средний логарифмический температурный напор рассчитывается по формуле:

Расход сетевого теплоносителя определяется по формуле:

Расчет теплообменной поверхности сетевого подогревателя производится по формуле:

По полученным данным подбирается аппарат, подходящий по характеристикам.



Рисунок 2. - Построение цикла теплофикации:

Конденсатор:

Конденсатор - теплообменный аппарат для конденсации (превращения в жидкость) паров вещества путём охлаждения. Для конденсации пара какого-либо вещества необходимо отвести от каждой единицы его массы теплоту, равную удельной теплоте конденсации. Для обратимых процессов она равна удельной теплоте парообразования. Поскольку при конденсации, как и при испарении, температура не изменится, пока не сконденсируется весь пар, процесс происходит практически при постоянных параметрах пара. Параметры пара при конденсации близки к состоянию насыщения. В то же время при поступлении всё новых порций пара в конденсаторе устанавливается динамическое равновесие, и в разных частях конденсатора параметры среды могут несколько отличаться друг от друга. Для охлаждения пара используется более холодная среда, в основном - обычная вода.

Тепловой расчет конденсатора проводится аналогично расчету сетевого подогревателя.

Деаэратор:

Деаэратор - техническое устройство, реализующее процесс деаэрации некоторой жидкости (обычно воды или жидкого топлива), то есть её очистки от присутствующих в ней нежелательных газовых примесей. На многих электрических станциях также играет роль ступени регенерации и бака запаса питательной воды.

Расчет производится по методике, известной из курса “Процессы и аппараты химической технологии”. По полученным данным подбирается аппарат, подходящий по характеристикам.

5. Разработка и описание технологической схемы

1. - блок парогенератора;

2. - паровая турбина;

3 - электрический генератор;

4 - сетевой подогреватель;

5 - конденсатор;

6,9 - насосы;

7 - деаэратор;

8 - вентиль прямоточный.

В блок парогенератора (1) насосом подается вода, которая подогревается до температуры кипения, превращается в пар (затем пар перегревается) за счет теплоты полученной при сгорании топлива. Перегретый пар поступает в Паровую турбину (2) где передает энергию лопаткам турбины, которые валом соединены с электрическим генератором (3) в котором вырабатывается электроэнергия. Часть пара в целях теплофикации не полностью проходит турбину, а на определенном этапе отбирается и подается в сетевой подогреватель (4). Пар, отобранный на теплофикацию, охлаждается сетевой водой, а затем и конденсируется, проходящая сетевая вода, через теплообменную поверхность, получает тепло. Далее конденсат проходит по трубам и попадает в смеситель конденсатов - деаэратор (7), где перемешивается с другой водой, полученной при конденсации в конденсаторе (5).

В конденсатор (5) поступает пар не пошедший на теплофикацию и прошедший всю турбину. Он обладает низкой температурой и не пригоден для теплофикации, поэтому вся энергия, выделившаяся при его конденсации, отпускается в окружающую среду. Это снижает КПД ТЭЦ. Смешанный конденсат и деаэратора нагнетается насосом (1) и вновь поступает в блок парогенератора. Потери воды в цикле восполняются подпиткой воды, регулируемой вентилем (8).

Рисунок 3. - Технологическая схема производства тепла и электроэнергии:

6. Практическая часть

1. По индивидуальным исходным данным на I-S диаграмме строим линию реального процесса расширения пара в турбине, определяем энтальпии энергетического пара на входе и выходе турбины. В данной работе реальная точка выхода пара из турбины примерно попадает на правую пограничную кривую: кДж/кг, кДж/кг.

2. По заданному давлению в смесителе конденсатов МПа на I-S диаграмме определяем температуру перегретого пара в точке промежуточного отбора и его энтальпия , которая одновременно является энтальпией греющего пара на входе в сетевой подогреватель.

3. По известному расходу пара и доли пара, направляемого в промежуточный отбор , определяем теоретическую и реальную электрическую мощность ТЭЦ.

- реальная:

- теоретическая:

- тепловая мощность ТЭЦ:

При определении расхода топлива теплоту его сгорания принимаем 45 МДж/кг, т. е. для условного топлива. Количество теплоты на получение энергетического пара определяем по разности энтальпии пара на входе турбины и энтальпии питательной воды подаваемой в котловой агрегат. КПД котлового агрегата принимаем равным 0,85.



Энтальпию пара i' находим по таблице при , i'=257,4 кДж/кг.

Расход условного топлива составил 5,41 кг/с.

4. Определяем дополнительные данные для теплового расчета аппаратов:

- энтальпию конденсата пара и его температура на выходе из сетевого подогревателя определяем по таблицам для насыщенного пара на линии насыщения МПа: , .

- при заданном давлении МПа в конденсаторе для отработавшего в турбине энергетического пара определяем температуру конденсации , энтальпию пара и конденсата , для этого используем таблицы для насыщенного пара: , , .

5. Рассчитываем смеситель конденсата по методике, известной из курса «Процессы и аппараты химической технологии»:

При расчете не учитываем потери воды в цикле, поэтому

Следовательно массовый расход составляет 230 т/ч



По данным о массовому расходу 230 т/ч и давлению 0,02 МПа подбираем вакуумный деаэратор ДВ-200.

Таблица 1. - Основные характеристики вакуумного деаэратора ДВ-200:

Производительность номинальная, т/ч	200
Диапазон производительности т/ч	60 - 240
Температура деаэрированной воды, ос	40 - 80
Высота агрегата, м	3,55
Диаметр, м	1,62

6. Тепловой расчет сетевого подогревателя проводим по упрощенной методике и сводим к определению теплообменной поверхности. Температуру теплоносителя, поступающего от потребителя тепла принимаем 40. Температуру теплоносителя, направляемого потребителю тепла принимаем 85. По заданным температурам теплоносителей на входе и выходе аппарата рассчитываем средний логарифмический температурный напор.

⁰с

Коэффициент теплопередачи принимаем по справочным данным. Коэффициент теплопередачи: .

По рассчитанной на первом этапе тепловой мощности ТЭЦ определяем расход сетевого теплоносителя.

Рассчитываем теплообменную поверхность сетевого подогревателя. Расход сетевого теплоносителя:

Где:

Q - тепло равное тепловой мощности (81МВт).

.

Расчет теплообменной поверхности сетевого подогревателя:

По полученным числовым характеристикам подбираем подходящий сетевой подогреватель - БПР-350.

Таблица 2. - Основные характеристики подогревателя БПР-350:

Поверхность нагрева, м2	350
Расчетный расход воды, м3/ч	1100
Сечение для прохода воды, м2	0,158
Диаметр корпуса, м	1,5
Общая высота подогревателя, м	6,5

Тепловой расчет конденсатора проводим аналогично расчету сетевого подогревателя. Теплоту конденсации рассчитываем по формуле:



Где:

r - удельная теплота конденсации, Дж/кг.

.

Общую площадь теплопередачи находим по формуле:

Тогда: .

Находим массовый расход охлаждающей воды:

.

Массовый расход охлаждающего теплоносителя составляет 1226 кг/с.

8. Для оценки экономичности разработанной ТЭЦ определяем ее КПД по следующей формуле:

Где:

N_тепл и N_эл тепловая и электрическая мощности соответственно;

Q - общее тепло.



.

КПД ТЭЦ по термодинамическому циклу Ренкина рассчитываем по формуле:

_{ренкина}=%

7. Сводная таблица результатов

В сводной таблице отражены основные результаты количественного расчета ТЭЦ.

Таблица 3:

Электрическая мощность ТЭЦ составила 49 МВт, что составляет 37% от общей производимой мощности.

Тепловая мощность составила 81 МВт, что составило 63% от общей производимой мощности.

При доле отбора равной 0,5 можно сделать вывод, что производство тепловой энергии более выгодно. Общее КПД ТЭЦ 54% > 40%, что говорит о экономической выгодности производства.

Термодинамический КПД Ренкина составил 30%. Следовательно, можно сделать вывод, что теплофикаций удалось достичь большой прибавки в экономичности. При этом площади теплообменных аппаратов относительно не велики. Поэтому данную ТЭЦ можно применять для снабжения теплом и электроэнергией, как промышленных предприятий, так и жилых массивов.

Список использованной литературы

1. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. - М: «Наука», 1979. - 512 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - 13-е изд., стереотипное. М.:ООО ТИД «Альянс», 2006. - 576 с.

3. Баскаков А.П., Берг П. В. Теплотехника . 2-е издание переработанное - «Энергоатомиздат», 1991 - 224 с.:ил.

4. Егорушкин Е.В., Цеплович Б.И. Основы гидравлики и теплотехники - Москва «Машиностроение», 1981. - 268с.: ил.

5. Труб И.А., Литвин О.П. Вакуумные деаэраторы. М., «Энергия», 1976. - 100с. с илл.

6. Лукин С.В., Юдин Р.А. Расчет тепловой схемы ТЭЦ, учебно-методическое пособие, ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет», 2009 - 32 с.

7. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. Издание пятое, переработанное, М., «Машиностроение», 1973, 344 с.



Приложение 1

Таблица - Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи:

Вид теплового обмена	Вынужденное движение	Свободное движение
От газа к газу (при невысоких давлениях)	10-40	4-12
От газа к жидкости (газовые холодильники)	10-60	6-20
От конденсирующего пара к газу (воздухоподогреватели)	10-60	6-12
От жидкости к жидкости (вода)	800-1700	140-340
От жидкости к жидкости (углеводороды, масла)	120-270	30-60
От конденсирующегося пара к воде (конденсаторы, подогреватели)	800-3500	300-1200
От конденсирующегося пара к органическим жидкостям (подогреватели)	120-340	60-170
От конденсирующегося пара органических веществ к воде (конденсаторы)	300-800	230-460
От конденсирующегося пара к кипящей жидкости (испарители)	-	300-2500



Приложение 2

t, єС	РН, МПа	, кг/м3	i/, кДж/кг	i//, кДж/кг	s/, кДж/кгК	s//, кДж/кгК
0	0,0006108	0,004847	0,000	2500,8	0	9,1644
5	0,0008718	0,006793	21,06	2510,0	0,0762	9,0242
10	0,001227	0,009398	42,04	2519,2	0,1511	8,8995
15	0,001704	0,01282	62,97	2528,4	0,2244	8,7806
20	0,002337	0,01729	83,90	2537,2	0,2964	8,6663
25	0,003167	0,02304	104,80	2546,4	0,3672	8,5570
30	0,004241	0,03036	125,69	2555,6	0,4367	8,4623
35	0,005622	0,03960	146,58	2564,8	0,5049	8,3518
40	0,007375	0,05115	167,51	2573,6	0,5723	8,2560
45	0,009582	0,06545	188,41	2582,4	0,6385	8,1638
50	0,012335	0,08302	209,30	2591,6	0,7038	8,0751
55	0,015741	0,1044	230,19	2600,4	0,7679	7,9901
60	0,01992	0,1302	251,12	2609,2	0,8311	7,9084
65	0,02501	0,1613	272,06	2617,6	0,8935	7,8297
70	0,03116	0,1982	292,99	2626,4	0,9550	7,7544
80	0,04736	0,2933	334,94	2643,1	1,0752	7,6116
90	0,07011	0,4235	376,98	2659,5	1,1924	7,4785
100	0,10132	0,5977	419,10	2675,8	1,3071	7,3545
110	0,14327	0,8263	416,34	2691,3	1,4185	7,2386
120	0,19854	1,122	503,7	2706,3	1,5278	7,1289
130	0,27011	1,496	546,4	2710,6	1,6345	7,0271
140	0,3614	1,966	589,1	2734,0	1,7392	6,9304
t, єС	РН, МПа	, кг/м3	i/, кДж/кг	i//, кДж/кг	s/, кДж/кгК	s//, кДж/кгК
150	0,4760	2,547	632,2	2746,5	1,8418	6,8383
160	0,6180	3,259	675,3	2757,8	1,9427	6,7508
170	0,7920	4,122	719,3	2768,7	2,0419	6,6666
180	1,0027	5,157	763,3	2778,4	2,1395	6,5858
190	1,2553	6,395	807,6	2786,3	2,2358	6,5075
200	1,5550	7,863	852,4	2793,0	2,3308	6,4318
210	1,9080	9,578	897,6	2798,0	2,4246	6,3577
220	2,3202	11,62	943,7	2801,4	2,5179	6,2848
230	2,7979	13,99	990,2	2803,1	2,6101	6,2132
240	3,3480	16,76	1037,5	2803,1	2,7022	6,1425
250	3,978	19,98	1086,1	2801,0	2,7934	6,0721
260	4,694	23,72	1135,0	2796,4	2,8851	6,0014
270	5,505	28,09	1185,3	2789,7	2,9764	5,9298
280	6,419	33,19	1236,8	2779,6	3,0685	5,8573
290	7,445	39,17	1290,0	2766,2	3,1610	5,7824
300	8,592	46,21	1344,8	2749,1	3,2548	5,7049
310	9,869	54,61	1402,2	2727,3	3,3507	5,6233
320	11,280	64,74	1462,0	2699,6	3,4495	5,5354
330	12,864	77,09	1526,1	2665,7	3,5521	5,4412
340	14,608	92,77	1594,8	2621,8	3,6605	5,3361
350	16,537	113,6	1671,4	2564,4	3,7786	5,2117
360	18,674	144,1	1761,4	2481,1	3,9163	5,0530

Приложение 3

теплоэлектроцентраль термодинамический подогреватель

Таблица - Технические характеристики и габаритные размеры вакуумного деаэратора:

Размещено на Allbest.ru

...