Расчет термодинамической эффективности паросиловой установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ПГУ им. Т. Г. Шевченко

Бендерский политехнический филиал

Кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Техническая термодинамика»

Тема: Расчет термодинамической эффективности паросиловой установки

Специальность: 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Выполнил: студент гр. 22 ТГВ

Петров Денис Игоревич

ПРОВЕРИЛ: Лохвинская Т.И.

Бендеры 2014



Задание

Рассчитать характеристики термодинамической эффективности цикла паросиловой установки при следующих начальных параметрах состояния пара:

Начальное давление пара P₁ 3.0 , МПа 30 бар

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 P₂ 0,1, МПа 1 бар

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.



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.



1. Общий раздел

1.1 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:

1) давление пара в конце его расширения выше атмосферного (0,2-0,5 МПа), и отработавший в машине пар используют для удовлетворения нужд потребителя теплоты;

2) 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.

1.2 Описание работы кругового цикла Карно

В термодинамике цикл Карном 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.

1.3 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.



2. Расчетно-технологический раздел

2.1 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 Р_1, t_1. 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-, (2)

Теоретическое количество отведенной удельной теплоты в основном цикле

q₂ = i₂- , (3)

Теоретическое количество полезной удельной работы в основном цикле.

l = q₁- q₂ = (i₁- i_2?)- (i₂- i_2?) = i₁- , (4)

Тепломеханический коэффициент основного теоретического цикла паросиловой установки, вычисленный через энергобалансовые характеристики (q_1, q_2, l)

(5)

Таблица

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 Т_н1, Т_н0, Т_н2; 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 Р_1?, t_1?. На пересечении изобары Р_1? и изотермы t_1? находим точку 3. По диаграмме I-S определяем значение энтальпии I_1? и энтропии S_1?. 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 I_2?. 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- ,

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- i_2?)- (i₂- i_2?) = i₁- ,

Тепломеханический коэффициент основного теоретического цикла паросиловой установки, вычисленный через энергобалансовые характеристики (q_1, q_2, l.2)

Вычисленные энергобалансовые характеристики заносятся в таблицу 3

Таблица 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.

Таблица 4 значений параметров водяного пара на линии насыщения.

P МПа	Р Бар	t	Т К
Р1 =	35	243	516	2,73	6,12
Ро =	2	120	393	1,53	7,13
Р2 =	1	100	373	1,30	7,36

2.2 Цикл расширения водяного пара в турбине с повышенной начальной температурой

При понижении начальной температуры пара, поступающего в турбину от Т₁ до Т₁' (при прочих равных условиях) тепломеханический коэффициент цикла Ренкина уменьшается. На I -S диаграмме строится процесс расширения водяного пара в турбине с параметрами P₁ и t₁'. Построение проводятся аналогично описанному ранее в разделе II. При этом параметры рабочего тела вносят в таблицы аналогично таблицам 3 и 4.

С снижении начальной температуры пара тепломеханический коэффициент цикла уменьшается, конечная влажность пара увеличивается. Снижение начальной температуры пара связаны с ограниченной жаростойкостью металлов. паросиловой электростанция карно теплоперепад

Повышение начальной температуры пара в значительной степени компенсирует недостатки, связанные с повышением начального давления. Поэтому наилучшие результаты оказываются при одновременном повышении начальных температур и давления рабочего тела.

Теоретический располагаемый теплоперепад в турбине.

h = i₁- ,

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- i_2?)- (i₂- i_2?) = i₁- ,

Тепломеханический коэффициент основного теоретического цикла паросиловой установки, вычисленный через энергобалансовые характеристики (q_1, q_2, l,3)

Вычисленные энергобалансовые характеристики заносятся в таблицу 5

Таблица 5

Р1 МПа	t1			Р2 МПа	t2					Х2 -	h				%
3,0	350	3120	6,77	0,1	100	2450	6,18	417,47	1,3026	0,90	670	2702,53	2032,53	670	24,79

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.

Таблица 6 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

Цикл расширения водяного пара в турбине при снижении конечного давления ,Мпа

При снижении конечного давления пара P₂ (при прочих равных условиях) тепломеханический коэффициент цикла Ренкина возрастает в связи с одновременным снижением температуры насыщения влажного пара. В I-S и T-S координатах процесс расширения пара при снижении давления строится аналогично описанию в разделе I. При этом параметры рабочего тела заносятся в таблицы, аналогично таблицам 5 и 6.

Понижение конечного давления пара P₁' приводит к увеличению эффективности энергоиспользования ПСУ.

Теоретический располагаемый теплоперепад в турбине.

h = i₁- ,

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- i_2?)- (i₂- i_2?) = i₁- ,

Тепломеханический коэффициент основного теоретического цикла паросиловой установки, вычисленный через энергобалансовые характеристики (q_1, q_2, l)

Вычисленные энергобалансовые характеристики заносятся в таблицу 7

Таблица 7

Р1 МПа	t1			Р2 МПа	t2					Х2 -	h				%
3,0	300	2990	6,57	0,06	88	2300	6,18	359,9	1,1453	0,85	690	2630,1	1940,1	690	26,23

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 2.4

Таблица 8 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 =	0,6	88	361	1,15	7,53



Таблица 9 Сводная таблица результатов расчетов

Циклы Ренкина паросиловой установки	p1 мПа	p2 мПа	t1 °С	t2 °С	x2 -	q1 кДж кг	q2 кДж кг	? кДж/ кг*К	зt %
1-2- основной теоретический цикл	3,0	0,1	300	100	0,87	2572,53	1957,53	615	23,9
3-4- цикл с повышенным давлением Р1	3,5	0,1	300	100	0,85	2562,53	1917,53	645	25,17
5-6-цикл с повышенным начальной температурой t1 C	3,0	0,1	350	100	0,90	2702,53	2032,53	670	24,79
7-8- цикл при снижении конечного давления Р2	3,0	0,06	300	88	0,84	2630,1	1940,1	690	26,23



Выводы

По итогу выполненной работы, с проведением расчетов и анализа термодинамических показателей теплосиловой установки и относящихся к ней циклов мы более глубоко самостоятельно изучили раздел "Цикл паровых установок", приобрели навыки работы с hs - диаграммой и таблицей свойств водяного пара, научились определять по ним параметры пара различного состояния, исследовать и анализировать циклы с помощью диаграмм. Рассчитав параметры данной установки, мы выяснили, что наибольший КПД достигается при снижении конечного давления Р₂.



Список использованной литературы:

1. С.Л. Ривкин и А.А.Александров. Термодинамические свойства воды и водяного пара - Издательство: “Энергия”,1975г.

2. Н.Н. Лариков. Теплотехника - Издательство М.: “Стройиздат”, 1985г.

3. Справочные материалы для практических и лабораторных занятий Буянов О.Н., Архипова Л.М. Кемерово 2005

Размещено на Allbest.ru

...