Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ТЕМА 2.
ПАРОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ (ПТУ)
Вопрос 1.
Схема и принцип действия паротурбинной установки
Принцип работы ПТУ на перегретом паре.
Перегретый пар после парогенератора поступает в турбину, в которой он расширяется, и давление его уменьшается. Потенциальная энергия давления пара в турбине преобразуется в техническую работу на валу турбины. Эта робота далее может быть преобразована в электроэнергию с помощью электрогенератора или использована для привода различных машин (например: компрессоров, вентиляторов, насосов и т.п.). Расширенный пар после турбины поступает в конденсатор, в котором от него отводится теплота с помощью охлаждающей воды, подаваемой в конденсатор из окружающей среды конденсатным насосом. В конденсаторе пар конденсируется, превращаясь в жидкость в состоянии насыщения (кипящая жидкость). Эта жидкость питательным насосом подается в парогенератор, состоящий обычно из трех секций: экономайзера (подогревателя воды), испарителя (парового котла), пароперегревателя. В экономайзере вода подогревается до состояния насыщения, в испарителе жидкость испаряется, превращаясь в сухой насыщенный пар, и в пароперегревателе этот пар перегревается до состояния перегретого пара. Затем перегретый пар поступает в турбину и цикл повторяется.
Достоинства ПТУ:
- большой ресурс работы;
- надежность;
- сравнительная простота эксплуатации;
- возможность использования различных топлив.
Недостатки:
- низкая эффективность;
- усложнение конструкции при повышении эффективности;
- необходимость водоподготовки;
- высокая стоимость.
Вопрос 2.
Термодинамическая модель элементов ПТУ
ПТУ состоит из элементов, в которых протекают поточные процессы.
Система уравнений поточного процесса.
1) Уравнение неразрывности
(1)
2) Уравнение первого закона термодинамики
(2)
3) Уравнение сохранения механической энергии
-lтех (3)
4) Уравнение второго закон термодинамики
(4)
5) Уравнение состояния (может применяться для перегретого пара)
. (5)
Применим уравнения (2), (3) и (4) к элементам ПТУ: турбине, насосу, котельному агрегату, конденсатору. Для всех этих элементов скорости рабочего тела на входе в элемент и на выходе из него мало отличаются (с2с1). Поэтому можно принять . Также разность потенциальных энергий положения на выходе и входе элементов и поэтому можно принять
1) Турбина
Для турбины характерен адиабатный процесс: . Кроме того, ; .
Тогда
(2т)
(3т);
(4т)
Т.е. видно, что хотя процесс адиабатный, но энтропия увеличивается за счет потерь энергии на трение, которые переходят в теплоту (за счет диссипации энергии).
2) Насос
Для насоса: ; ; ; ; .
Тогда
(2н).
(3н).
(4н)
3) Котельный агрегат (парогенератор)
Для парогенератора ;; ; ; .
Тогда
или (2КА)
(3КА)
(4КА),
где - средняя температура подвода теплоты.
4) Конденсатор
Для конденсатора ; ; ;;.
Тогда
(2К)
(3К)
(4К).
Вопрос 3.
Теоретические циклы Ренкина
3.1 Теоретический цикл Ренкина на перегретом паре в р-, Т-s и i-s диаграммах.
1-2s – процесс изоэнтропного расширения пара в турбине;
2s-2' - процесс конденсации пара в конденсаторе;
2'-3s – процесс повышения давления конденсата (воды) в изоэнтропном процессе в питательном насосе;
3s -4 – подогрев воды в экономайзере до состояния насыщения (кипения);
4-5 – процесс испарения (парообразования) в испарителе (паровом котле);
5-1 – процесс перегрева пара в пароперегревателе.
На диаграммах можно показать удельную работу и удельную теплоту:
3.2 Существуют также цикл Ренкина для сухого насыщенного пара и цикл Ренкина для влажного насыщенного пара.
3.3 Термический к.п.д цикла Ренкина – это отношение полезной работы за цикл к количеству теплоты, подведенной за цикл:
Иногда изменением температуры и энтальпии при повышении давления воды в насосе пренебрегают и принимают и . Тогда
Вопрос 4.
Действительный цикл паротурбинной установки
Действительный цикл паротурбинной установки сопровождается потерями при расширении пара в турбине и при повышении давления в насосе за счет трения.
Эти потери учитываются относительным внутренним КПД турбины
и относительным внутренним КПД насоса
.
В этих формулах:
lT – удельная работа турбины в действительном процессе 1-2
;
lH – удельная работа, затраченная на повышение давления в действительном процессе в насосе 2'-3
,
где р2, р1 – давление на входе и выходе насоса соответственно.
Параметры в точках цикла находятся с использованием i-s диаграммы водяного пара и таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения.
Полезная работа в действительном цикле (внутренняя работа)
Абсолютный внутренний к.п.д. цикла (внутренний к.п.д.) – отношение внутренней работы к количеству теплоты, подведенной в действительном цикле
Так как , то работой насоса можно пренебречь. Тогда получим внутренний к.п.д. цикла в виде
Работа, произведенная турбиной, не может быть полностью использована, так как часть ее расходуется на механические потери в трущихся частях турбины. Поэтому работа, полученная на валу турбины, меньше внутренней работы li на величину механических потерь, которые учитываются механическим КПД
,
где lе – удельная работа, полученная на валу турбины, или эффективная работа.
Произведение внутреннего и механического КПД называется эффективным КПД ПТУ:
Этот КПД определяется также по формуле
,
где - эффективная мощность турбины (мощность на валу турбины);
- низшая теплота сгорания топлива;
- массовый расход пара;
- массовый расход топлива.
Так как преобразование механической энергии в электрическую связано с потерями в электрогенераторе, то вводят понятие КПД электрогенератора
где lэл – работа 1 кг пара, превращенная в электрическую энергию;
Nэл – электрическая мощность электрогенератора.
Для оценки экономичности паротурбинной установки в целом необходимо знать КПД котельного агрегата КА, который определяется из уравнения энергетического баланса для котельного агрегата и равен отношению полезно использованной теплоты к теплоте сгорания топлива:
.
Необходимо также знать КПД паропровода пар, который учитывает потери, обусловленные теплообменом с окружающей средой.
Поэтому КПД паровой электростанции будет равен
Вопрос 5.
Способы повышения эффективности ПТУ
5.1 Способы увеличения термического КПД.
Термический КПД цикла увеличивается с увеличением давления и температуры t1 пара перед турбиной и с уменьшением давления в конденсаторе. В настоящее время материалы, применяемые в пароперегревателях и турбинах, выдерживают температуры не более 535 – 565оС; при этом давление на входе в турбину может быть и выше критического, т.е.22 МПа.
Понижение давления в конденсаторе также имеет свои пределы, связанные с ограничением температуры влажного насыщенного пара в конденсаторе в диапазоне 25–35оС. Этот диапазон температур соответствует абсолютному давлению пара в конденсаторе (например, при ). Дальнейшее снижение давления в конденсаторе невозможно из-за отсутствия естественных (природных) охладителей с более низкой температурой.
5.2. Промежуточный перегрев пара.
Этот способ применяется при больших давлениях (часто больше Ркр). Если рас-ширять пар от этого большого давления до давления в конденсаторе р2=3-5 кПа, то степень сухости пара будет х2<0,85, что может привести к быстрому износу лопаток турбины. В этом случае применяют дополнительный (промежуточный) подогрев пара, что увеличивает работу цикла и степень сухости х2. В настоящее время созданы ПТУ на суперпараметры: р1=45 МПа и Т1=720-760 0С.
5.3. Регенеративный подогрев.
В этом случае из турбины из средних или последних ступеней отбирается часть пара для подогрева питательной воды после насоса. Может быть до 10 таких регенеративных подогревов.
За счет изложенных в п.п. 5.2, 5.3 мероприятий эффективный КПД ПТУ может быть увеличен с 28-30 % до 38-40%.
5.4. Теплофикационный цикл.
Паротурбинные установки, в которых вырабатывается только электроэнергия, называются конденсационными. В конденсаторе этих установок давление равно 3-5 кПа и температура - 25-35 0С, а охлаждающая вода нагревается до 15-30 0С. Теплота этой воды не может быть использована из-за низкой температуры. Потери с охлаждающей водой составляют в конденсационных установках до 60% теплоты, выделившейся при сгорании топлива. Чтобы использовать теплоту, уносимую с охлаждающей водой, пар в турбине расширяют до более высокого давления, равного 1-1,3 бар и соответственно более высокой температуры – 100-110 0С; при этом температура охлаждающей воды составляет 80-950С. Теперь эту теплоту охлаждающей воды можно использовать для отопления зданий, в технологических процессах и т.п.
Установки, в которых осуществляется комбинированная выработка электрической энергии и теплоты, называются теплофикационными установками или теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).
Повышение противодавления пара (т.е. давления на выходе из турбины) приводит к уменьшению вырабатываемой электрической энергии, но общее использование теплоты значительно повышается. В идеале можно использовать всю теплоту q2, но в действительных условиях часть теплоты теряется, и экономичность теплофикационных установок достигает 70-75%. Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии является основой теплофикации.