ТТ 18 образец. И. О. Фамилия Термодинамический анализ пту мощностью N100 мвт и производством теплоты Q100 Гкалч

• Название: И. О. Фамилия Термодинамический анализ пту мощностью N100 мвт и производством теплоты Q100 Гкалч
• Дата: 31.03.2022
• Размер: 306.9 Kb.
• Имя файла: ТТ 18 образец.docx
• Тип: Пояснительная записка; #432094

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт заочно-вечернего обучения

Кафедра теплоэнергетики

наименование кафедры

Допускаю к защите

Руководитель
	подпись
	И.О.Фамилия

Термодинамический анализ ПТУ мощностью N=100 МВт и производством теплоты Q=100 Гкал/ч

наименование темы



ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

Техническая термодинамика

1.0хх.00.00ПЗ

обозначение документа

Выполнил студент		ТЭбз-хх-1
		шифр		подпись		И.О. Фамилия
Нормоконтроль
				подпись		И.О. Фамилия
Курсовая работа защищена с оценкой

Иркутск 201х г








Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЗАДАНИЕ

НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
По курсу: Техническая термодинамика

Студенту: ТТТ

Тема работы: Термодинамический анализ ПТУ мощностью N=100 МВт и производством теплоты Q=100 Гкал/ч в виде пара с давлением 1.3 МПа

Исходные данные: Теплота сгорания топлива = 16МДж/кг; Давление пара перед турбиной =12Мпа; Температура пара перед турбиной =530 ; Давления пара на выходе из турбины =6кПа; Температура питательной воды =170 ; Температура конденсата, возвращаемого от потребителя =60 ;Внутренний КПД теплофикационной паровой турбины =0,85; КПД котельного агрегата =0,92; Электрический КПД =0,97; Механический КПД =0,97
Рекомендуемая литература:

1. В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин «Техническая термодинамика», 5-ое издание, Издательский дом МЭИ, 2008г. 416 стр.

2. Сборник задач по технической термодинамике: Учеб. пособие С232 / Т.Н.Андрианова, Б.В. Дзампов, В. Н. Зубарев, С. А. Ремизов, Н. Я. Филатов.4-е изд., перераб. И доп. –М.: Издательство МЭИ, 2000. – 356,: ил.

3. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. Александров А.А., Григорьев Б.А. Рек. Гос. Служба стандартных и справочных данных ГСССД Р-776-98 – М.: Издательство МЭИ, 1999 – 168.; ил. 4. Диаграмма HS для воды и водяного пара v2.

Дата выдачи задания

«

»

20 г.

Задание получил

ТТТ

подпись

И.О. Фамилия

Дата представления работы руководителю

«

»

20 г.

Руководитель курсовой работы

ААА

Содержание

Введение 4

Основная часть 5

1Постановка задачи 5

2Анализ термодинамической эффективности ПТУ методом коэффициента использования топлива 6

2.1Принципиальная схема паротурбинной установки и цикл в диаграммах T-s и h-s 6

2.2Определения параметров водяного пара в характерных точках цикла и расчет регенеративной схемы ПТУ 8

2.3Определение коэффициента использование топлива 10

2.4Определение удельных расходов топлива 12

3 Анализ эффективности ПТУ на основе теплового баланса 13

4 Анализ эффективности ПТУ на основе эксергетического баланса 15

Заключение 19

Список используемых источников 20

Введение

Паротурбинные установки занимают ведущее место в Российской энергетике. В ближайшей перспективе не ожидается замены мощных паровых турбин другими типами двигателей, в том числе и газотурбинными установками, поскольку последние имеют малую предельную мощность и относительно низкий электрический КПД. Вследствие этого циклы паротурбинных установок ещё многие годы будут оставаться основой устройства и работы тепловых и атомных электрических станций. Одним из основных способов повышения термодинамической эффективности циклов ПТУ является приближение цикла Ренкина к циклу Карно путём регенеративного подогрева питательной воды. Рабочим телом цикла является водяной пар, который в определенных элементах схемы ПТУ меняет свое состояние. Более выгодной установкой по выработке энергии является комбинированная установка, при которой вырабатывается электроэнергия и теплота, их называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Термодинамический анализ преследует две цели: учет степени термодинамического совершенства рабочих процессов энергетических установок и указание путей увеличения экономии топлива или электроэнергии, вводимых в установку. Под термодинамическим совершенством следует понимать идеальный (наиболее желательный) эффект тепловых процессов. Так, например, совершенство перехода тепла в работу определяется получением из этого тепла максимально возможного (при заданных условиях) количества работы. Из термодинамики известно, что все совершенные процессы обратимы. И процесс перехода работы в тепло может считаться совершенным только в случае его обратимости.

Так как реальные процессы, как правило, не могут быть совершенными, для них вводится понятие степени совершенства, которое характеризует степень приближения реального процесса к идеальному. С увеличением степени совершенства уменьшаются удельный расход топлива в силовых установках и удельный расход электроэнергии в холодильных установках.

Целью работы является проведение термодинамических расчетов на заданные параметры. При этом исследование цикла ПТУ связано с определением энергетических показателей и потерь энергии в цикле. Энергетические показатели определяются на основе тепловых (энергетических) балансов, потери в цикле на основе эксергетических показателей. Эксергия или другими словами работоспособность рабочего тела связана с энтропией системы, а потери с ростом энтропии. Свойство роста энтропии системы используется для расчета потерь энергии, возникающих вследствие необратимых явлений в процессе преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую).

Основная часть

1. Постановка задачи

В задании курсовой работы определены величины мощностей потребителей электрической энергии и теплоты. Производство этих видов энергии осуществляется комбинированным способом с применением теплофикационной паротурбинной установки (ПТУ). В процессе выработки электроэнергии на теплоэлектростанциях, пар генерируемый в котельном агрегате за счет теплоты выделяемой при горении топлива, направляется в паровую турбину. В процессе расширения пара происходит превращение его механической энергии движения в энергию вращения ротора турбины. При расширении пара до промежуточного давления, часть его отбирается и направляется потребителю (производственный отбор) или в сетевые подогреватели воды направляемой тепловому потребителю (на отопление, горячее водоснабжение). Оставшаяся часть пара расширяется до конечного давления и поступает в конденсатор, в котором происходит отвод теплоты охлаждающей воде и превращение пара в жидкость (конденсат).

Основные параметры и характеристики выбираются в соответствии с вариантом в таблице с исходными данными. Для выбранной ПТУ необходимо выполнить термодинамический анализ ее эффективности с помощью методов, которые подробно изложены в литературе [1].

Термодинамический анализ паротурбинной установки может оценивать эффективность как отдельных элементов, так и всей установки в целом. В соответствие с заданием требуется выполнить анализ следующими тремя способами:

1. Методом коэффициента использования топлива, основанном на первом законе термодинамике;

2. Методом на основе теплового баланса;

3. Эксергетическим методом, который основывается на полном использование первого и второго законов термодинамики.
Выполнение работы включает следующие позиции:

• 
  Изображение принципиальной схемы ПТУ;
  
• 
  Построение цикла ПТУ в h-S и T-S диаграммах;
  
• 
  Определение значений параметров пароводяного рабочего тела в характерных точках цикла;
  
• 
  Термодинамический анализ цикла ПТУ;
  
• 
  Заключение по результатам анализов.
  

2. Анализ термодинамической эффективности ПТУ методом коэффициента использования топлива

1. Принципиальная схема паротурбинной установки и цикл в диаграммах T-s и h-s

Принципиальная схема теплофикационной ПТУ с выработкой электрической энергии и теплоты в виде пара на теплофикацию изображена на рисунке 1.

Процессы, протекающие в основных элементах установки, образуют цикл. В паровом котле теплота, выделяемая при сгорании топлива, передается воде, нагреваясь, вода превращается в перегретый пар. Полученный пар поступает в паровую турбину, где происходит преобразование теплоты перегретого пара в механическую работу, для вращения роторов турбины, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе. Отработанный пар поступает в конденсатор, где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат насосом отправляется через регенеративные подогреватели питательной воды (РППВ1, 2) в паровой котел (смотри рисунок 1).


КА- котлоагрегат; ПТ –паровая турбина; ТП – Тепловой подогреватель сетевой воды; 1 – параметры пара на входе в паровую турбину; 2 – параметры пара на выходе из паровой турбины; 3 – параметры воды на выходе из конденсатора; 4 – параметры воды на входе в паровой котел;

Рисунок 1 – Принципиальная схема теплофикационной ПТУ

Регенеративные подогреватели питательной воды 1 и 2 по ходу пара изображены на рисунке 2.



-греющий пар РППВ1, - греющий пар РППВ2, - температура входа питательной воды в РППВ2, - температура входа питательной воды в РППВ1, - температура питательной воды на выходе из РППВ1;

Рисунок 2 – Схема регенеративных подогревателей питательной воды

Цикл Ренкина ПТУ с регенеративными отборами пара и отбором пара на теплофикацию, а также линии действительного процессов расширения пара в турбине по характерным точкам 1-2д изображены на рисунке 3 и рисунке 4.



1 - пар перед турбиной с параметра­ми P₁ t₁; 2 -пар после турбины с параметрами P₂, t₂; 3 - конденсат на выходе из конденсатора;

Рисунок 3 – Цикл паротурбиной установки ПТУ в координатах h-s



1 - пар перед турбиной с параметра­ми P₁ t₁; 2 -пар после турбины с параметрами P₂, t₂; 3 - конденсат на выходе из конденсатора;

Рисунок 4 – Цикл паротурбиной установки ПТУ в координатах Т-s

2. Определения параметров водяного пара в характерных точках цикла и расчет регенеративной схемы ПТУ

Определение параметров воды и пара в характерных точках изложены в литературе [2]. Недостающие параметры в точках определяем с помощью таблиц теплофизических свойств воды и водяного пара[3] и h-s диаграммы водяного пара [4]. При нахождении значений параметров используются исходные данные из задания на курсовую работу. Полученные значения параметров в характерных точках сведены в таблицу 1.

В точке 1от определяем по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара, исходя из условия (Р1от) ≥ температура равна , а давление P1от =0,79Мпа

Общий подогрев питательной воды в регенеративных подогревателях принимаем равномерно распределенным между всеми подогревателями

= – = 170 – 36,16 = 133,84 ;

Подогрев питательной воды в каждом из двух подогревателей будет равен:



Температура воды на выходе из подогревателя РППВ2 будет равна 104 ;

= + = 36,16+ 67 = 103,16 , округляем в большую сторону и принимаем равной 104 .

Давление во втором отборе пара на РППВ2 определяем по таблицам теплофизических свойств [3], исходя из условия (Р2от) ≥ давление принимаем P2от = 0.12Мпа.
Таблица 1 – Параметры рабочего тела в характерных точках

№ х.т.	Р,МПа	t,	h,кДж/кг	s, кДж/кг*К	Х,
1	12	530	3428	6,58	1
ПО	1,3	191,61	2824	6,58	1
ПОд	1,3	191,61	2960	6,87	1
1от	0,79	170	2740	6,58	0,98
1отд	0,79	170	2888	6,9	1
2от	0,12	104	2400	6,58	0,88
2отд	0,12	104	2586	7,05	0,96
2	0,006	36,16	2024	6,58	0,77
2д	0,006	36,16	2234,6	7,26	0,86
3	0,006	36,16	150,82	0,5187
4	12	170	719,2	2,04

Определение действительных отборов пара в турбине на РППВ:

Доли отборов определяются выражениям, полученным из уравнений тепловых балансов подогревателей.

Первый подогреватель: Определяем на РППВ-1 по уравнению:





определяется по диаграмме h-s по значению энтальпии в точке (1отд) пересечения линии изобары с линией действительного процесса расширения пара в турбине 1-2д.

Второй подогреватель: Определяем на РППВ2 по уравнению:



определяется по значению энтальпии в точке (2отд) пересечения изобары с линией процесса 1-2д.

3. Определение коэффициента использование топлива

Коэффициент использования топлива находится из отношения суммы, выработанной электрической энергии и отпущенной потребителю теплоты за единицу времени, к теплоте выделенной при горении топлива за эту же единицу времени:



Расход пара тепловому потребителю определяется по заданной тепловой мощности:



где Q_mп=100*4.184*10⁶=418400000кДж/ч–мощность теплового потребителя;

- энтальпия пара, идущего тепловому потребителю (2960) кДж/кг;

h^,_сп- энтальпия конденсата, возвращаемого от теплового потребителя (251,15) кДж/кг



Найдем общий расход пара на турбину, кг/ч





Доля пара, отбираемого из турбины тепловому потребителю, определяется как отношение:




Определим термический к.п.д. цикла Ренкина ПТУ по формуле:







Определяем абсолютный КПД цикла по формуле:





Удельный расход пара на выработку единицы электрической энергии:







Расход топлива в единицу времени для выработки тепловой и электрической энергий:





Расход топлива в единицу времени в конденсационном режиме:











Количество электрический энергии, отпущенной потребителю:





Количество тепловой энергии, отпущенной потребителю :

4. Определение удельных расходов топлива

Удельный расход топлива на выработку электрической энергии:



Удельный расход условного топлива на выработку электрической энергии:



Удельный расход топлива на выработку тепловой энергии:





Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, используется для производства электрической энергии и теплоты, отпускаемой тепловому потребителю.

Коэффициент использования теплоты является показателем полезного использование теплоты, выделившейся при сгорании топлива.

Недостатком использования данного показателя является то, что электрическая и тепловая энергия не являются равноценными видами энергии.

3 Анализ эффективности ПТУ на основе теплового баланса

Находим теплоту, подведенную к 1 кг рабочего тела по уравнению:



Учитывая КПД парового котла, определяем теплоту, первоначально внесенную в установки за счет сгорания топлива:



Рассчитываем испарительную способность по уравнению



Потеря теплоты при горении топлива определяется по формуле:



Теплоту, отданную охлаждающей воде в конденсаторе, определяем по уравнению


Теплота, отданная сетевой воде:



Найдем действительную работу турбины:





Механические потери работы на трении в подшипниках турбины:



Работа эффективная (с учетом механических потерь в турбине), переданная электрогенератору:



Потеря теплоты при горении топлива:


Электрические потери в электрогенератора:



Работа на клеммах электрогенератора:



Баланс энергии имеет вид:

+q_э

=2929,22

Относительная погрешность составит:



Баланс не сходится, так как в расчетах регенеративной схемы температура конденсата на входе в РППВ2 принята без учета температуры конденсата поступающего из сетевого подогревателя в линию основного конденсата.

Подсчитываем КПД установки (брутто) с учетом равноценности электроэнергии и теплоты по уравнению:





Коэффициент полезного действия не является объективным показателем эффективности ПТУ с позиции законов термодинамики (второго закона термодинамики).

4 Анализ эффективности ПТУ на основе эксергетического баланса

В термодинамике существует понятие эксергии энергии какого либо тела. Тело может обладать внутренней энергией (химическая энергия топлива) и энергией макро тела (энергия всего тела в целом). Под эксергией понимают ту максимальную часть энергии, которая может быть превращена в полезную работу (механическую энергию). Эксергия химической энергии топлива, а так же механическая энергия и электрическая равны по величине самой энергии. Важное значение имеет понятие эксергии теплоты, которая зависит от температуры источника теплоты и температуры окружающей среды. Эксергетический баланс паротурбинной установки представляет из себя равенство между приходом и расходом эксергии. Баланс составляется относительно рабочего тела (воды и водяного пара), в одних элементов происходит увеличение эксергии тела, а в других её уменьшение.

Прирост эксергии в парогенераторе представляет собой первоначально внесенную эксергию за вычетом потерь, которые складываются:

а) Из потерь, учитываемых КПД парового котла



б) Из потерь эксергии при окислении топлива

в) Из потерь , которые возникают по причине внешней необратимости процесса теплообмена между продуктами сгорания топлива и рабочим телом.

Суммарные потери не зависят от средней температуры продуктов сгорания, а зависят только от средней интегральной температуры рабочего тела в процессе подвода к нему тепла:



где То.с. температуру окружающей среды принимаем равной 300К

Искомое увеличение эксергии в паровом котле:



Уменьшение эксергии в проточной части турбины определяем по уравнению:













Уменьшение эксергии в конденсаторе определяем по уравнению:



Уменьшение эксергии пара, отпускаемого потребителю определяем по уравнению:



Увеличение эксергии в регенеративных подогревателях определим по уравнению:





Для 1-го подогревателя по ходу пара



Для 2-го подогревателя по ходу пара



Суммарное увеличение эксергии в регенеративных подогревателях питательной воды



Уменьшение эксергии греющего пара в подогревателях определим по уравнению:

Для 1-го подогревателя по ходу пара



Для 2-го подогревателя по ходу пара



Суммарное уменьшение эксергии греющего пара в подогревателях



Теперь сведем эксергетический баланс для тех узлов установки, в которых происходит изменение состояния рабочего тела.

Таблица 2 – Эксергетический баланс узлов паротурбинной установки

Увеличение эксергии, кДж/кг	Уменьшение эксергии, кДж/кг
В котле =	В турбине =
В регенеративных подогревателях =	В регенеративных подогревателях =
	В конденсаторе =
	В сетевом подогревателе=
Итого=1443,7899	Итого=1467,3833

Погрешность составляет:

( 1,6

Определение эксергетических КПД основных элементов ПТУ

Эксергетический КПД парового котла,



Эксергетический КПД турбины,



Эксергетический КПД конденсатора

,

где









Эксергетический КПД регенеративных подогревателей питательной воды



Эксергетический КПД (брутто) всей установки всей установки:









Удельные расходы топлива эксергетическим методом.









На выработку теплоты:

Заключение

Анализ паротурбинной комбинированной установки может быть сделан разными методами: методом коэффициента использование топлива (теплоты), в котором механическая энергия (электрическая) и теплота считаются равноценными; методом теплового баланса, который основан на первом законе термодинамики и частичном использовании второго закона термодинамики и эксергетическим методом на основе первого закона термодинамики и полного использования второго закона термодинамики.

При определении методом коэффициента использование топлива продукт производства - электрическая энергия и теплота считаются равноценными и поэтому конечное суммарное производство определяются как сумма величин этих продуктов. Коэффициент использования топлива определяется как отношение суммы величин электрической энергии и теплоты к общему количеству энергии (топлива) затраченной на их производства. Тем самым не делается отличия между электрической энергией и теплотой в отношении их качественной стороны, что не соответствует реальности. Это можно показать на сравнении процессов их взаимных превращений. Известно, что электрическая энергия может полностью превращаться в тепловую (электронагреватель), а при обратном процессе не вся теплота может быть превращена в электрическую. Следовательно коэффициент использования топлива не является объективным (научным) показателем эффективности паротурбинной установки.

Метод анализа на основе теплового баланса так же не позволяет определить одним каким - то показателем эффективность теплофикационной ПТУ. Так же этот метод не позволяет определить эффективность отдельных элементов этой установки и определить значения удельных расходов топлива на выработку электрической энергии и теплоты на основе полного применения первого и второго законов термодинамики.

Эксергетический метод термодинамического анализа позволяет определить эффективность ПТУ в целом одним показателем (эксергетическим КПД), а так же эффективность каждого элемента установки. Этот метод основан на понятии эксергии и позволяет на полной научной основе определить удельные расходы топлива на выработку электрической энергии и теплоты в комбинированных установках.

Список используемых источников

1. В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин «Техническая термодинамика», 5-ое издание, Издательский дом МЭИ, 2008г. – 416 стр.

2. Сборник задач по технической термодинамике: Учеб. пособие С232 / Т.Н.Андрианова, Б.В. Дзампов, В. Н. Зубарев, С. А. Ремизов, Н. Я. Филатов.4-е изд., перераб. И доп. –М.: Издательство МЭИ, 2000. – 356,: ил.

3. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. Александров А.А., Григорьев Б.А. Рек. Гос. Служба стандартных и справочных данных ГСССД Р-776-98 – М.: Издательство МЭИ, 1999 – 168.; ил. 4. Диаграмма HS для воды и водяного пара v2.

4. Симулятор диаграмм HS, TS, PS, PT, PV для воды и водяного пара с расчетом теплофизических свойств.

5. Гохштейн Д.П Современные методы термодинамического анализа энергетических установок. М,: Энергия, 1969. 368 с.