Курсовой проект по дисциплине Газотурбинные и парогазовые тэс

• Название: Курсовой проект по дисциплине Газотурбинные и парогазовые тэс
• Дата: 30.01.2023
• Размер: 0.9 Mb.
• Имя файла: 626165412.docx
• Тип: Курсовой проект; #912428
• страница: 1 из 5

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Школа ИШЭ

Направление подготовки 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»

Центр Научно-образовательный И.Н. Бутакова

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Газотурбинные и парогазовые ТЭС»

^{(Название дисциплины)}

на тему: «Проект двухконтурной парогазовой установки с ГТУ мощностью 700 МВт»

Выполнил студент гр. 5БМ02 Федоринов М.Д.

^{(Подпись)}

Дата сдачи работы преподавателю : 2020 г.
Руководитель: канд. ф.м.н., доцент НОЦ И.Н. Бутакова Слюсарский К.В.
<sup>(Ученая степень, ученое звание, должность) (Ф.И.О)


(Оценка руководителя) (Подпись)</sup>
____ __________ 2020 г.
^{(Дата проверки)}

Курсовую работу студент Федоринов М.Д. выполнил и защитил
^(Ф.И.О)

с оценкой
Члены комиссии:



_____ ________________ 20___г.
^{(дата защиты)}
Томск – 2020 г.

ЗАДАние на курсовой проект

по дисциплине «Газотурбинные и парогазовые ТЭС»

Тема: «Проект двухконтурной парогазовой установки с ГТУ мощностью 700 МВт»

Выполнить проект утилизационной парогазовой установки, которая имеет в своем составе:

• 
  высокотемпературную газотурбинную установку (ГТУ) простой схемы с охлаждением и КВОУ;
  
• 
  двухконтурный котел-утилизатор (КУ);
  
• 
  конденсационную паротурбинную установку (ПТУ).
  

Газы, отработавшие в газовой турбине, направляются в котел-утилизатор, где происходит получение пара высокого и низкого давлений для паровой турбины. Требуемая температура конденсата на входе в котел-утилизатор поддерживается за счет рециркуляции.

Выполнить:

1. 
   Расчеты тепловой схемы ГТУ для условий ISO.
   
2. 
   Приближенный расчет основных элементов ГТУ (компрессор, камера сгорания, турбина).
   
3. 
   Формирование тепловой схемы парогазовой установки с выбором основных параметров (давление сепарации).
   
4. 
   Расчет тепловой схемы ПГУ, определение показателей тепловой экономичности.
   
5. 
   Выбор вспомогательного оборудования ТЭС.
   
6. 
   Конструкторский тепловой расчет горизонтального котла-утилизатора.
   
7. 
   Определение энергетических показателей ПГУ.
   
8. 
   Экологические расчеты ПГУ.
   
9. 
   Чертежи.
   

Реферат

Курсовой проект 66 с., 5 рисунков, 13 таблиц, 8 источников, 4 л. графического материала, 2 приложения.

Ключевые слова: Парогазовая установка, двухконтурный горизонтальный котел утилизатор, газовая турбина, паровая турбина, показатели тепловой экономичности, уходящие газы.

Объектом проектирования является парогазовая установка на базе газовой турбины электрической мощностью 700 МВт.

Цель работы – выполнить расчет основных элементов парогазовой установки. Разработать и начертить развернутую тепловую схему, чертёж котла утилизатора, компоновочный чертеж ПГУ.

Курсовой проект выполнен в текстовом редакторе Microsoft Word 2010, расчеты производились в Microsoft Excel 2010. Чертежи выполнены в КОМПАС – 3D v18.1 учебная версия.

Задание

Выполнить проект утилизационной парогазовой установки, которая имеет в своем составе:

− высокотемпературную газотурбинную установку (ГТУ) простой схемы;

− двухконтурный (одноконтурный) котел-утилизатор (КУ);

− конденсационную паротурбинную установку (ПТУ).

Газы, отработавшие в газовой турбине, направляются в котел-утилизатор, где происходит получение пара высокого и низкого давлений для паровой турбины. Требуемая температура конденсата на входе в котел-утилизатор поддерживается за счет рециркуляции.

Оглавление

1.Исходные данные 8

2.Расчёт тепловой схемы простой ГТУ 9

3.Приблизительный расчёт элементов ГТУ 15

3.1. Приближенный расчет компрессора 15

3.2. Приближенный расчет камеры сгорания 17

3.3. Расчет числа ступеней газовой турбины 19

4.Формирование тепловой схемы ПГУ 22

5.Расчет тепловой схемы ПГУ, определение показателей тепловой экономичности 24

5.1. Расчёт двухконтурного котла-утилизатора ПГУ 24

Газы, отработавшие в газовой турбине, направляются в КУ, где происходит получение пара высокого и низкого давлений для ПТУ. 24

5.1.1.Расчёт контура высокого давления 24

5.1.2. Расчёт контура низкого давления 27

5.2. Расчёт паровой турбины 32

5.2.1. Расчёт ЦВД 32

5.2.1.1. Расчёт КПД проточной части первого отсека ЦВД 32

5.2.1.2. Расчёт КПД проточной части второго отсека ЦВД 33

5.2.2. Расчёт сепаратора 36

5.2.3. Расчёт КПД проточной части ЦНД 37

6. Технико-экономические параметры 40

7. Выбор вспомогательного оборудования 41

7.1. Выбор деаэратора питательной воды 41

7.2. Конденсатные насосы 42

7.3. Выбор питательных насосов 42

7.3.1. Питательный насос контура высокого давления 42

7.3.2. Питательный насос контура низкого давления 43

7.4. Выбор насоса рециркуляции 44

7.5. Сепаратор 44

8. Конструкторский расчёт горизонтального двухконтурного котла утилизатора 45

8.1 Прототип котла утилизатора 45

8.2 Параметры секции 45

8.3. Расчет температурных напоров 45

8.3.1 Пароперегреватель высокого давления: 46

8.3.2 Испаритель высокого давления: 46

8.3.3 Экономайзер высокого давления: 46

8.3.4 Пароперегреватель низкого давления: 46

8.3.5 Испаритель низкого давления: 46

Результаты расчета сведем в таблицу 10. 47

8.4. Расчет характеристик труб 47

8.4.1 Площадь гладкой трубы: 47

8.4.2 Относительный поперечный шаг: 47

8.4.3 Относительный продольный шаг: 47

8.4.4 Диаметр ребра: 47

8.4.5 Коэффициент оребрения для спирально-ленточного типа оребрения: 48

8.4.6 Площадь поверхности трубы с оребрением: 48

8.4.7 Площадь секции: 48

8.4.8 Вспомогательный параметр для шахматных пучков труб: 48

8.4.9 Поправочный коэффициент на компоновку и степень оребрения труб в пучке: 48

8.4.10 Поправочный коэффициент на число рядов труб в пучке по ходу газов: 48

8.4.11 Показатель степени в формуле для расчёта конвективного коэффициента теплоотдачи со стороны газа: 48

8.5. Расчет скорости газа 49

8.5.1 Расчет живого сечения 49

8.5.2 Плотность газов в ППВД: 49

8.5.3. Объёмный расход газов: 49

8.5.4 Средняя скорость газа в ППВД: 49

8.6. Расчет характеристик поверхностей теплообмена 50

8.7. Компоновка котла утилизатора 53

8.8. Конструкция поверхностей нагрева 53

8.8.1. Пароперегреватель ВД 53

8.8.2. Испаритель ВД 53

8.8.3. Экономайзер ВД 53

8.8.4. Пароперегреватель НД 54

8.8.5. Испаритель НД 54

9. Экологический расчёт ПГУ 55

9.1. Дополнительные данные 55

9.2. Выбросы оксида азота 55

9.3. Выбросы углерода 57

9.4. Расчет тепловых выбросов 59

Заключение 60

Список использованных источников 61

Приложение 1 62

Приложение 2 63

Введение

Строительство мощных парогазовых установок (ПГУ) на базе высокотемпературных газотурбинных установок (ГТУ), использующих в качестве топлива природный газ, стало преобладающей тенденцией в наращивании энергетических мощностей в мире.

В частности, парогазовая установка (ПГУ) утилизационного типа с котлом-утилизатором наиболее перспективная и широко распространенная в энергетике, отличающаяся простотой и высокой эффективностью производства электрической энергии. Выхлопные газы газотурбинной установки (ГТУ) поступают в теплообменник противоточного типа – котел-утилизатор (КУ), в котором за счет их тепловой энергии генерируется перегретый пар, направляемый в паровую турбину. Дополнительное топливо при этом в КУ не сжигается. Эти ПГУ – единственные в мире энергетические установки, которые при работе в конденсационном режиме отпускают потребителям электроэнергию с КПД 55-60%.

Целью данного курсового проекта является разработка проекта двухконтурной парогазовой установки с ГТУ мощностью 600 МВт, имеющей в своем составе высокотемпературную газотурбинную установку (ГТУ), котел-утилизатор (КУ) и конденсационную паротурбинную установку (ПТУ)

1. 
   Исходные данные
   

Таблица 1 – Исходные данные

Параметр		Ед. Изм.	Значение
Полезная электрическая мощность		МВт	700
Температура на входе в газовую турбину		℃	1300
Степень повышения давления		-	19,00
Давление в контуре высокого давления		МПа	7,8
Давление в контуре низкого давления		МПа	0,7
Давление в конденсаторе		МПа	0,008
Температура наружного воздуха		℃	15
Внутренний относительный КПД компрессора		–	0,85
Внутренний относительный КПД газовой турбины		–	0,9
Коэффициент использования теплоты топлива в камере сгорания		–	0,99
Используемое топливо в цикле	-	Углеводородное

2. 
   Расчёт тепловой схемы простой ГТУ
   
   1. 
      Дополнительные исходные данные для расчёта простой схемы ГТУ
      

Газотурбинная установка простого цикла полезной электрической мощностью работает при температурах на входе в компрессор и на входе в турбину .

Принять:

- Произведение

- Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания топлива

- Потери давления в камере сгорания – 2% от абсолютного давления на выходе из компрессора.

Примечание

- Утечки и расход воздуха на охлаждение деталей газовой турбины не учитывать

- Состав топлива – стандартное углеводородное (85 % углерода и 15 % водорода).

2. 
   Итерационный расчёт температуры за компрессором
   

Для оптимизации этого и последующих этапов расчет производился в МО Excel с использованием итерационного вычислений циклических формул с точностью 0,001. В последующих пунктах представлены результаты итоговой итерации.

Определяются параметры процесса сжатия воздуха в компрессоре.

По значению и находится удельная изобарная теплоёмкость:



Рассчитывается температура воздуха за компрессором:



По таблице удельной изобарной теплоёмкости и энтальпии сухого воздуха [1, табл.12.5] определяются значения энтальпии воздуха для стандартного углеводородного топлива:





Вычисляется средняя теплоемкость воздуха в процессе сжатия:



Уточняется значение :



Уточняется температура воздуха за компрессором:



Вычисляется расхождение между величинами после итерации:



Расхождение между значениями больше 1 градуса, необходимо выполнять итерации до достижения используя в расчётах значение от предыдущей итерации в текущей. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты итераций для температуры воздуха за компрессором

№ итерации	2
	0,278
	443,31
	0,278
	443,68
	0,37

Уточняется значение энтальпии воздуха , пользуясь [1, табл.12.5]:

3. 
   Расчёт значения коэффициента избытка воздуха
   

Определяется значение коэффициента избытка воздуха при этом предварительно находим:





Формула для расчёта коэффициента избытка воздуха, полагая, что получаем:

4. 
   Расчёт энтальпии газа перед турбиной
   

Находится энтальпия газа перед газовой турбиной:

5. 
   Итерационный расчёт температуры газа за турбиной
   

Определяются параметры процесса расширения газа в турбине.

Температура газа за турбиной по первой формуле, в которой: ,





Чтобы найти энтальпию газа за турбиной, вычисляем:





Рассчитывается значение энтальпии по формуле:





Средняя теплоемкость газа в процессе расширения:



Определяется объёмная доля воздуха в продуктах сгорания, где





Молекулярная масса уходящих газов (смесь продуктов сгорания и воздуха):





Газовая постоянная продуктов сгорания:



Уточненное значение



Уточняется температура за турбиной:



Вычисляется расхождение между величинами после итерации:



Расхождение между значениями больше 1 градуса, необходимо выполнять итерации до достижения используя в расчётах значение от предыдущей итерации в текущей. Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Результаты итерации для температуры уходящих газов за турбиной

№ итерации	2	3
	0,2343	0,2337
	597,85	599,13
	0,2337	0,2337
	599,13	599,18
	2,81	0,05

Следовательно, температура уходящих газов за турбиной принимает значение:



Далее вычисляются энтальпии воздуха и продуктов сгорания для , пользуясь [1, табл.12.5]:





Затем уточняется значение энтальпии уходящих газов на выходе из газовой турбины без охлаждения



Аналогично составляется таблица энтальпий уходящих газов при разных температурах (приложение 1). По приложению 1 интерполяцией определяется температура уходящих газов за неохлаждаемой ГТУ:

6. 
   Работа расширения 1 кг газа в турбине:
   

7. 
   Работа, затраченная на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре:
   

8. 
   Работа ГТУ на валу агрегата:
   

где величина рассчитывается по формуле:

9. 
   Расход газа через газовую турбину без охлаждения:
   

10. 
    Расход воздуха, подаваемого компрессором:
    

11. 
    Расход топлива:
    

12. 
    Мощность газовой турбины без охлаждения:
    

13. 
    Мощность, потребляемая компрессором:
    

14. 
    Коэффициент полезной работы:
    

15. 
    Коэффициент полезного действия ГТУ (электрический КПД ГТУ):
    

16. 
    Электрический КПД турбины:
    

Результаты расчетов сведены в таблицу 4.

Таблица 4 – Результаты расчетов

-
		40,58

3. 
   Приблизительный расчёт элементов ГТУ
   

Дополнительные исходные данные для приблизительного расчёта элементов ГТУ:

• 
  скорость газа перед первой ступенью турбины с_о20÷50 м/с;
  
• 
  скорость за последней ступенью с_z125÷200 м/с;
  
• 
  КПД входного патрубка 0,93÷0,98;
  
• 
  Степень повышения давления в компрессоре ε – оптимальная;
  
• 
  Относительные внутренние КПД турбины и компрессора - _oi^т=0,90 и _oi^к=0,880; произведение _м_г=0,985;
  
• 
  коэффициент использования теплоты топлива в камере сгорания _кс=0,994.
  

3.1. Приближенный расчет компрессора

3.1.1. Объемная подача компрессора:



где: – – массовый расход воздуха, кг/с (из расчета ИДЗ №1);

–плотность воздуха на входе в компрессор:





газовая постоянная воздуха.

3.1.2. Среднее значение осевой скорости по коэффициенту расхода:



Принимаем окружную скорость концов рабочих лопастей , и коэффициент расхода .

3.1.3. Наружный диаметр окружности по концам рабочих лопастей первой ступени:



где: втулочное отношение есть отношение диаметров втулки и концов лопастей рабочего колеса компрессора.

3.1.4. Необходимая частота вращения ротора компрессора:



При приводе компрессора от электродвигателя с синхронной частотой необходимо включение между двигателем и компрессором понижающей передачи с отношением 1:0,46.

3.1.5. Диаметр втулки:



3.1.6. Длина лопатки первой ступени:



3.1.7. Средний диаметр первой ступени:



3.1.8. Окружная скорость лопатки на среднем диаметре:



3.1.9. Коэффициент напора:



где – коэффициент закрутки, определяется по графику как функция , степени реактивности и частоты решетки .

– изоэнтропный КПД ступени компрессора, .

Принимаем: по графику рисунка – 1, , имеем откуда получаем



Рисунок 1 – График зависимости между относительными значениями коэффициента закрутки и степени реактивности для решеток различной густоты

3.1.10. Изоэнтропная работа первой ступени:



3.1.11. Изоэнтропная работа компрессора по заданным параметрам в проточной части:



степень повышения давления в компрессоре (из расчета ИДЗ №1).

3.1.12. Количество ступеней:



3.2. Приближенный расчет камеры сгорания

3.2.1. Расход первичного воздуха:



где – коэффициент избытка первичного воздуха; значение выбирается в зависимости от вида сжигаемого топлива и конструкции камеры сгорания

расход топлива в камеру сгорания (из расчета ИДЗ №1);

– минимально необходимое количество воздуха для сжигания газа.

3.2.3. Объём пламенной (жаровой) трубы КС:



где – приведенная теплонапряженность пламенной трубы, значение выбирается в зависимости от конструкции КС: = 60 – 180 Вт/(м³ ∙ Па);

Па; – давление в камере сгорания;

– низшая теплота сгорания стандартного углеводородного топлива;

– КПД камеры сгорания.

3.2.4. Диаметр пламенной трубы, м:



где – отношение длины пламенной трубы к её диаметру . выбирается по прототипу для данной конструкции камеры сгорания, для цилиндрических камер _ПТ = 2,5…3.

3.2.5. Длина пламенной трубы:



3.2.6. Общая длина КС:



3.2.7. Расход вторичного воздуха:



3.2.8. Площадь кольцевого канала для прохода вторичного воздуха, м²:



где: – плотность воздуха при температуре и давлении на входе в КС, кг/м³;

– температура воздуха на входе в КС;

– скорость потока вторичного воздуха в кольцевом пространстве между пламенной трубой и кожухом, принимают от 30 до 40 м/с.

Внутренний диаметр кожуха КС:



где – толщина стенки пламенной трубы, м.

3.2.9. Наружные размеры кожуха камеры устанавливаются по прототипу или на основании конструктивных соображений.

Т.к. все размеры кожуха известны, а он представляет из себя ни что иное как цилиндр, то изготовить подобный кожух не вызовет затруднений.