Проектирование тепловых электрических станций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Сибирский Федеральный Университет»

Территориальный центр организационно технического обеспечения

Дистанционной технологий образования

Курсовая Работа

По дисциплине: «Техническая термодинамика»

На тему : Пректирование цикла ПТУ тепловых электрических станций

Выполнил: Ст-т 2 курса

Специальность ТГВ

учебный шифр:

№0903525

Ощепков В,В.

Проверила: Доцент

Белянина И.Н.

г. Шарыпово

2011г.

Содержание

Введение

1 Цели и задачи

2 Теоретические сведения

2.1 Цикл Карно

2.2 Цикл Карно на диаграмме Pv(давление -- объём), Ts (температура и энтропия

2.3 Цикл паротурбинной установки. Принципиальная схема ПТУ Карно

2.4 Паросиловой цикл Ренкина схемы установки - изображение в Рv; Tv и is(hs) диаграммах

2.5 Влияние начальных и конечных параметров пара на КПД цикла Ренкина

2.6 ПТУ с вторичным перегревом пара

2.7 Регенеративный цикл

2.8 Отличия цикла Карно от цикла Ренкина

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В современной теплоэнергетике широко используются паросиловые установки. Наибольшее распространение получили стационарные паротурбинные установки (ПТУ) 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 ПТУ изменяет своё состояние вплоть до полной конденсации.

Тепловые процессы получили самое широкое распространение в технике, и сегодня очень трудно назвать оборудование или технологию, где бы тепловая энергия не играла определяющей роли. Тепло используется как для выработки механической и электрической энергии, так и для проведения и интенсификации технологических процессов. Широкое распространение нашли также установки для разделения воздуха, газотурбинные установки для дожигания вредных отходов и другое оборудование. Энергетическая эффективность и степень совершенства такого оборудования определяется тем, насколько широко и правильно был проведен термодинамический анализ еще на этапе их проектирования.

Для анализа процессов трансформации различных видов энергии в таких машинах и установках в термодинамике используется метод циклов, сущность которого состоит в том, что путем некоторого упрощения и идеализации реальных процессов рабочий процесс устройства описывают рядом последовательных термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело (обычно газ или пар) приходит в первоначальное состояние. Такие круговые процессы или циклы могут повторяться неограниченное число раз, каждый раз сопровождаясь определенной трансформацией и перераспределением подводимой извне энергии.

Цели

Изучить цикл паротурбиной установки .

Задачи

· Овладеть навыком работы с is(hs) - диаграммой и таблицей свойств водяного пара.

· Изучить теорию о цикле Карно и ц.Ренкина со вторичным перегревания пара и регенеративный цикл в ПТУ.

· Рассчитать ц.Ренкина по заданным параметрам .

· Уметь исследовать и анализировать циклы с помощью диаграмм, построить ц.Ренкина в Pv,Ts,is - координатах .

2 Теоретические сведения

2.1 Цикл Карно

Цикл Карно -- идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатический изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту). К. ц. состоит из последовательно чередующихся двух изотермических и двух адиабатных процессов. Превращение теплоты в работу сопровождается переносом рабочим телом двигателя определённого количества теплоты от более нагретого тела (нагревателя) к менее нагретому (холодильнику).

2.2 Цикл Карно на диаграмме P- V (давление - объём), T и S (температура и энтропия)

?Q₁ -- количество теплоты, получаемой рабочим телом от нагревателя,

?Q₂ -- количество теплоты, отдаваемой им холодильнику. Площадь ABCD численно равна работе цикла Карно.

К. ц. осуществляется следующим образом: рабочее тело (например, пар в цилиндре под поршнем) при температуре T₁приводится в соприкосновение с нагревателем, имеющим постоянную температуру T₁, и изотермически получает от него количество теплоты ?Q₁ при этом пар расширяется и совершает работу. Этот процесс изображен отрезком изотермы AB. Затем рабочее тело, расширяясь адиабатически по адиабате BC, охлаждается до температуры T₂. При этой температуре, сжимаясь изотермически CD, рабочее тело отдаёт количество теплоты ?Q₂ холодильнику с температурой T₂.Завершается К. ц. адиабатным процессом DA , возвращающим рабочее тело в исходное термодинамическое состояние. При постоянной разности температур (T₁ -- T₂) между нагревателем и холодильником рабочее тело совершает за один К. ц. работу



 К. ц. обратим, и его можно осуществить в обратной последовательности (в направлении ADCBA. При этом количество теплоты ?Q₂ отбирается у холодильника и вместе с затраченной работой ?А превращенной в теплоту передаётся нагревателю. Тепловой двигатель работает в этом режиме как идеальная холодильная машина.

 К. ц. имеет наивысший кпд

? = ?A/?Q₁ = (T₁ -- T₂)/T₁

 среди всех возможных циклов, осуществляемых в одном и том же температурном интервале (T₁ -- T₂). В этом смысле кпд К. ц. служит мерой эффективности др. рабочих циклов.

Обратимый цикл Карно, осуществляется в интервале Т1 и Т2 изображается в координатах T и S (температура и энтропия) прямоугольникам 1234.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий

1. Изотермическое расширение (на рисунке -- процесс 1>2). В начале процесса рабочее тело имеет температуру T₁, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты Q₁. При этом объём рабочего тела увеличивается.

2. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке -- процесс 2>3). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

3. Изотермическое сжатие (на рисунке -- процесс 3>4). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру T₂ приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты Q₂.

4. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке -- процесс 4>1). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия .

Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия). Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

.

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдало холодильнику

.

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно



2.3 Цикл паротурбинной установки. Принципиальная схема ПТУ Карно

Паротурбинная установка является основой современных тепловых и атомных электростанций. Рабочим телом в таких установках является пар какой-либо жидкости (водяной пар). Основным циклом в паротурбинной установке является цикл Ренкина.

Принципиальная схема ПТУ Карно

Принципиальная схема ПТУ показана на рисунке и процесс получения работы происходит следующим образом. В паровом котле (1) и в перегревателе (2) теплота горения топлива передается воде. Полученный пар поступает в турбину (3), где происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе (4). Отработанный пар поступает в конденсатор (5), где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат насосом (6) отправляется в питательный бак (7), откуда питательным насосом (8) сжимается до давления, равного в котле, и подается через подогреватель (10) в паровой котел (1).

трансформация паротурбина теплопередача

2.4 Паросиловой цикл Ренкина схемы установки - изображение в Рv; Tv и is(hs) диаграммах

Цикл Ренкина - теоретический термодинамический цикл паровой машины, состоящий из четырех основный операций:

-1- испарения жидкости при высоком давлении;

-2- расширения пара;

-3- конденсации пара;

-4- увеличения давления жидкости до начального значения.

На рис. 1 представлена технологическая схема паросиловой установки для производства электроэнергии.

Пар большого давления и температуры подается в сопловые аппараты турбины, где происходит превращение потенциальной энергии пара в кинетическую энергию потока пара (скорость потока - сверхзвуковая). Кинетическая энергия сверхзвукового потока превращается на лопатках турбины в кинетическую энергию вращения колеса турбины и в работу производства электроэнергии.

На рис. 1 показана одна турбина, на самом деле турбина имеет несколько ступеней расширения пара.

После турбины пар направляется в конденсатор. Это обычный теплообменник, внутри труб проходит охлаждающая вода, снаружи - водяной пар, который конденсируется, вода становится жидкой.

Схемы установки



Рис. 1. Принципиальная технологическая схема паросиловой установки.

Эта вода поступает в питательный насос, где происходит увеличение давления до номинальной (проектной) величины.

Далее вода с высоким давлением направляется в котельный агрегат (на рис. 1 он обведен штриховой линией). В этом агрегате вода сначала нагревается до температуры кипения от дымовых газов из топки котла, затем поступает в кипятильные трубы, где происходит фазовое превращение вплоть до состояния сухого насыщенного пара.

Наконец, сухой насыщенный пар идет в пароперегреватель, обогреваемый топочными дымовыми газами из топки. Состояние пара на выходе из пароперегревателя характеризуется точкой 1. Так замыкается цикл. Этот цикл паросиловой установки предложил немецкий инженер Ренкин, и потому его и назвали циклом Ренкина.

Рассмотрим цикл Ренкина на трех термодинамических диаграммах P v, T s, i - s(hs)

Рис. 2. Цикл Ренкина на термодинамических диаграммах

Цикл Ренкина на термодинамических диаграммах

Нумерация точек совпадает с нумерацией на рис. 1. Процесс 1 - 2 - расширение пара в соплах турбины; 2 - 3 - процесс конденсации пара; 3 - 4 - процесс в питательном насосе;4 - 5 - процесс нагрева воды и ее кипение; 5 - 1 - процесс перегрева пара. Заштрихованы те области диаграмм, площадь которых численно равна работе и теплоте за цикл, причем q_ц = w_ц.

Из технологической схемы на рис. 1 и диаграммы Т - s на рис. 2 следует, что теплота подводится к рабочему телу в процессах 4 - 5 - 1, у которых ds > 0. И эти процессы характеризуются инвариантом p₁ = const. Поэтому подводимая в цикле Ренкина теплота q_подв равна: h-энтальпия.

q_подв = h₁ - h₄. Дж.

Теплота отводится от рабочего тела в процессе 2 - 3 (ds < 0) и этот процесс тоже p₂ = const. Поэтому

q_отв = h₂ - h₃. Дж.

Разность между подведенной теплотой и отведенной представляет собой теплоту цикла q_ц, превращенную в работу A_ц

A_ц = q_ц = (h₁ - h₄) - (h₂ - h₃) = (h₁ - h₂) - (h₄ - h₃)

Разность энтальпии воды до питательного насоса (точка 3) и после (точка 4) ничтожно мала. В связи с этим

A_ц = q_ц = h₁ - h₂.

Термический коэффициент полезного действия цикла Ренкина (а это отношение «пользы», т.е. A_ц, к «затратам», т.е q_подв) равен

?_t = (h₁ - h₂)/(h₁ - h₄).

Иллюстрация причины малого КПД цикла Ренкина по сравнению с циклом Карно. Потери работы - заштрихованная площадь. Нумерация точек совпадает с нумерацией на рис. 1 и 2.

2.5 Влияние начальных и конечных параметров пара на КПД цикла Ренкина

Исследование термического к, п. д. цикла Ренкина при различных начальных и конечных состояниях пара позволяет сделать вывод, что с увеличением начального давления и начальной температуры пара и понижением конечного давления в конденсаторе КПД паротурбинной установки растет. Выясним влияние этих параметров на величину к.п.д цикла Ренкина.

Влияние начального давления пара. При увеличении начального давления пара и одном и том же конечном давлении в конденсаторе термический к.п.д паротурбинной установки значительно увеличится, а удельный расход пара уменьшится.

Увеличение начального давления с р1 по р1? связано с повышением температуры насыщенного пара, т.е. с повышением средней температуры подвода теплоты, что ясно видно из TS-диаграммы(рис.а). Возрастание средней температуры подвода теплоты и отвода теплоты

В конденсаторе при р = const приводит к увеличению к.п.д. цикла. Следовательно, не начальное давление является причиной увеличения к.п.д. паросиловой установки а увеличение средней температуры подвода теплоты. Из is-диаграммы (Рис,.б) так же можно установить, что с увеличением начального давления пара увеличивается адиабатное теплопадение h1, но повышается конечная влажность пара и капли воды разрушают лопатки последних ступеней турбины. Конечная влажность пара свыше 13-14% не допускается. Значительное увеличение к.п.д. с ростом начального давления пара имеет существенное в повышении экономичности работы паротурбинных установок. В настоящее время осваиваются давления до 300 бар.

Влияние начальной температуры пара. При повышении начальной температуры пара происходит увеличение к.п.д. паротурбинного цикла, так как увеличивается среднеинтегральная температура подвода теплоты и при этом растет адиабатное теплопадение h.

Увеличение к.п.д. цикла будет значительным, если с увеличением температуры будет возрастать и начальное давление пара. Одновременно с увеличением начальной температуры уменьшается удельный расход пара. В настоящее время используют пар с температурой до 565?С и осваивается пар с температурой до 600?С и выше. Повышение температуры перегрева пара ограничивается способностью металла, из которого сделаны трубы, выдерживать большие давления при высоких температурах, т. е. конечные параметры пара определяются наличием относительно дешевых жаропрочных металлов.

Влияние конечного давления в конденсаторе. Понижение давления в конденсаторе является особенно эффективным средством для повышения к.п.д. паротурбинной установки. Из is-диаграммы

Видно, что понижение понижение давления в конденсаторе значительно уменьшает срединтергарльную температуру отвода теплоты и увеличивает адиабатное теплопадение h, а следовательно и к. п .д. цикла. Однако выбор конечного давления в конденсаторе определяется температурой охлаждения воды , так как для интенсивного теплообмена разность температур между паром и охлаждающей водой должно быть 10-15?С.

2.6 ПТУ с вторичным перегревом пара

В этом цикле используется многоступенчатую турбину, состоящую из цилиндра высокого давления и нескольких низкого давления. Пар из парового котла направляется сначала в цилиндр высокого давления, где расширяясь, совершает работу. После этого пар возвращается в паровой котел (промежуточный пароперегреватель), где осушается и нагревается до более высокой температуры (но уже при более низком и постоянном далении) и поступает в цилиндр низкого давления, где, продолжая расширяться, снова совершает работу.

Исследование работы паротурбинной установки показывает, что повышение начального давления и уменьшение конечного давления ве дет к увеличению к. п. д. цикла. Однако одно повышение начального давления увеличивает конечную влажность пара. Одним из способов повышения степени сухости пара на выходе из турбины является вторичный его перегрев. Этот способ состоит в том, что перегретый пар из котла с начальными давлением и температурой поступает в первый цилиндр турбины, состоящий из нескольких ступе ней, где расширяется по адиабате до некоторого давления р1. Такой цикл с вторичным перегревом пара представлен на рис. Точка 1 соответствует начальному состоянию пара; точка 2 конечному состоянию пара за турбиной после вторичного перегрева; точка 2' соответствует конечному состоянию пара при от сутствии вторичного перегрева. Конечная степень сухости в резуль тате введения промежуточного перегрева повышается от х₂ до x_v Кроме того, вторичный перегрев пара дает некоторый экономический эффект (2-3%), если средняя температура подвода теплоты в дополни тельном цикле 7-2-2'-6-7 будет выше средней температуры подвода теп лоты в цикле с однократным перегревом, и эффект будет тем больше, чем выше температура в начальной и ко нечной точках промежуточного перегрева.

При давлениях, близких к критическому и сверхкритическому, иногда применяют два и более промежуточных перегрева. Тогда термический к. п. д. цикла равен

?t = [(i₁ --i_в ) + (i₇ --i₂ )]/ (i₁ --i₃ ) + (i₇ --i_в )

где(i₁ --i_в ) и (i₇ --i₂ )-- адиабатное теплопадение в первом и втором цилиндрах турбины; (i₁ --i₃ ) -- количество теплоты, подведенное в котле и пер вом перегревателе; (i₇ --i_в ) -- количество теплоты, подведенное во втором перегревателе.

Массовый удельный расход пара в килограммах на 1 Мдж равен

d = 1000/(i₁ --i_в ) + (i₇ --i₂ )

Процесс парообразование в PV, Hs(is) и TS диаграммах, выглядит следующим образом:

2.7 Регенеративный цикл

Регенеративный цикл -- цикл паротурбинной установки, в котором питательная вода до её поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагреву паром, отбираемым из промежуточной ступени паровой турбины. Подогрев реализуется посредством специального теплообменника - регенеративного подогревателя.

Увеличение КПД при применении регенерации составляет 10-15 %. При этом экономия теплоты в цикле возрастает с повышением начального давления p₁ пара. Это связано с тем что с повышением p₁ увеличивается температура кипения воды, а следовательно повышается количество теплоты, которое можно подвести к воде при подогреве её отработанным паром. В настоящее время регенеративный подогрев применяется на всех крупных электростанциях.

2.8 Отличия цикла Карно от цикла Ренкина

В цикле Ренкина осуществляется полная конденсация рабочего тела в конденсаторе ,вследствие чего вместо громоздкого малоэффективного компрессора для подачи воды в котел принимают питательный водяной насос , который имеет малый габарит и высокий К.П.Д. При сравнительно не большой мощности ,потребляемый насосом ,потери в нем оказываются малыми по с равнению с обшей мощностью паротурбинной установки. Кроме того, в цикле Ренкина возможно применение перегретого пара ,что позволяет повысить среднеинтегральную температуру подвода теплоты и тем самым увеличить термический К.ПД. цикла .

Заключение

В ходе продельной работы я изучил цикл паротурбинной установки, и в процессе изучения овладел навыкам работы с is - диаграммой и с Pv,Ts и с помощью их исследовать и анализировать циклы. Также изучил теорию о ц.Карно и ц.Ренкина - со вторичным перегреваниям пара и регенеративный цикл ПТУ. Расчетал ц.Ренкина для паротурбинной установки по заданным параметрам . Вследствие выше приведенных доводов сделал несколько выводов . Одним из первых моих выводов будет то что .

· Применения пара высоких начальных параметров и низкого конечного давления приводит к повышению К.П.Д. ц.Ренкина и снижения удельного расхода за единицу работы .

· Установки со вторичным перегревания пара имеют большее К.П.Д.

· Также из за большой сухости пара продлевается срок службы частей турбины в связи с меньшим износом .

· На паротурбинных установках по ц. Ренкина со вторичным перегреваниям пара уменьшается затраты пара .

В конце своих выводов хотелось бы сказать что турбины работающие на ц.Ренкина гораздо выгоднее и удобней чем те которое работаю по ц.Карно.

Список использованной литературы

Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебн. Пособие для неэнергетических спецальных вузов. М . “Высшая школа”, 496 с. С ил .

http://ru.wikipedia.org/wiki/

http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/93809/

http://teplotehniki.ru/29-lekciya-71-cikly-paroturbinnyx-ustanovok-ptu.html

Размещено на Allbest.ru