Расчет тепловой схемы парогазовой установки утилизационного типа. Курсовая работа по дисциплине Газотурбинные установки Расчет тепловой схемы парогазовой установки утилизационного типа
 Скачать 5.47 Mb.
|
|
КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Газотурбинные установки» «Расчет тепловой схемы парогазовой установки утилизационного типа» Введение Паротурбинные установки (ПТУ) составляют основу современной энергетики. Они применяются как на обычных тепловых, так и на атомных электростанциях. Работа их базируется на осуществлении прямого термодинамического цикла преобразования теплоты, в механическую работу вращения ротора турбины и привода электрогенератора с использованием в качестве рабочего тела воды и ее пара. Современные ПГУ характеризуются низким уровнем вредных выбросов в атмосферу. Выработка значительной доли мощности газотурбинной установкой обеспечивает меньшие потребности ПГУ в охлаждающей воде и меньшее тепловое загрязнение окружающей среды по сравнению с паротурбинными энергоблоками равной мощности. В настоящее время наиболее перспективной с точки зрения экономичности и возможности практической реализации является парогазовая установка (ПГУ), работающая по комбинированному циклу Брайтона (ГТУ) – Ренкина (ПТУ). На долю ПГУ приходится примерно 35% общего объема новых мощностей, вводимых в настоящее время на тепловых электростанциях. Мощные ПГУ работают главным образом на природном газе, который резервируется жидким топливом. Наряду с этим разрабатываются проекты и существуют опытные ПГУ на базе различных технологий газификации угля. Существенным достоинством ПГУ являются меньшие удельные капитальные затраты и высокая маневренность. Так, удельные капиталовложения для ПГУ мощностью 350 МВт составляют примерно 300 долл. США на 1 кВт. Для ПГУ малой мощности (от 3 до 100 МВт) эта цифра возрастает до 600...1200 долл./кВт. Прогнозируется, что рост энергетических мощностей в развитых странах (США, Японии, Германии и России) в ближайшие десятилетия будет достигаться в основном за счет ввода ПГУ. Первым этапом будет являться строительство на ПГ ТЭС ГТУ, которые быстро устанавливаются и служат для покрытия пиков нагрузки. В дальнейшем они достраиваются паровой частью для преобразования в ПГУ. 1. Исходные данные Тепловая схема включает в себя одну ГТУ с КУ, деаэратор и паровую турбину с конденсацией отработавшего пара. Деаэратор питается паром из коллектора, к которому присоединены трубопроводы контуров НД КУ. Поток перегретого пара, выходящий из контура ВД КУ, подается к паровой турбине. Потоки пара, вышедшие из контура НД, перемешиваются друг с другом и подаются в камеру смешения, расположенную в ЦВД. ГТУ Siemens, V94.2A имеет следующие характеристики: Электрическая мощность Nэ = 130,0 МВт; Расход воздуха на входе в компрессор Gв = 624 кг/с; Температура газов на выходе Tвых = 5850С; Электрический КПД ГТУ ηэ = 35,2 % Температура наружного воздуха tнв =15 0С; Давление в конденсаторе Pк =6,5 кПа; Давление перед стопорно-регулирующими клапанами (СРК) ЦВД: Pвд=6,5 МПа, перед СРК ЦНД Рнд =0,6 МПа; Давление в деаэраторе Pд = 0,61МПа; КПД генератора η =0,98, механический η =0,99. Химический состав природного газа:
2. Описание работы и схемы ГТУ Газотурбинной установкой (ГТУ) считают установку, имеющую три основных элемента (См. рис. 1. Схема простейшей открытой газотурбинной установки (ГТУ) непрерывного горения): воздушный компрессор К камеру сгорания КС газовую турбину Т Принцип действия ГТУ сводится к следующему: В компрессор газотурбинного силового агрегата подается чистый воздух. Под высоким давлением воздух из компрессора направляется в камеру сгорания, куда подается и основное топливо — газ. Смесь воспламеняется. При сгорании газовоздушной смеси образуется энергия в виде потока раскаленных газов. Этот поток с высокой скоростью устремляется на рабочее колесо турбины и вращает его. Вращательная кинетическая энергия через вал турбины приводит в действие компрессор и электрический генератор (ЭГ). С клемм электрогенератора произведенное электричество, обычно через трансформатор, направляется в электросеть, к потребителям энергии. В настоящее время газотурбинные установки начали широко применяться в малой энергетике. ГТУ предназначены для эксплуатации в любых климатических условиях как основной или резервный источник электроэнергии и тепла для объектов производственного или бытового назначения. Области применения газотурбинных установок практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, муниципальные образования. 3 Описание работы и схемы ПГУ На рис. 2. показан пример принципиальной тепловой схемы двухконтурной ПГУ утилизационного типа. ГТУ вырабатывает электрическую мощность  , а ее уходящие газы направляются в котел-утилизатор (КУ), имеющий два контура генерации пара. Контур ВД генерирует пар ВД в количестве и направляет его в паровую турбину. Расширившись в части высокого давления (ЧВД) турбины, этот пар смешивается с паром, генерируемым контуром НД. Суммарный поток пара расширяется в части низкого давления (ЧНД) и поступает в конденсатор. В результате паровая турбина вырабатывает мощность .Из конденсатора конденсат отработавшего в турбине пара конденсатным электронасосом (КЭН) направляется в газовый подогреватель конденсата (ГПК). Перед входом в КУ к конденсату подмешивается часть конденсата, нагретого в ГПК (рециркуляция  ), и на входе в КУ обеспечивается температура конденсата  , исключающая коррозию выходных поверхностей нагрева КУ. Расход конденсата  , где  - расход пара НД,  - расход греющего пара в деаэратор, направляется из ГПК в деаэратор для термической деаэрации, осуществляемой нагревом конденсата паром из контура НД.Из аккумуляторного бака деаэратора питательная вода разводится на контуры ВД и НД. Питательными электронасосами НД (ПЭННД) питательная вода подается в барабан НД. Образующийся насыщенный пар поступает в пароперегреватель НД (ППНД), перегревается и направляется в количестве в деаэратор для нагрева конденсата; остальной парНД направляется в камеру смешения паровой турбины. Питательные электронасосы ВД (ПЭНВД) подают питательную воду в количестве из деаэратора в экономайзер ВД (ЭВД), из которого она поступает в барабан ВД, а из него уже в виде насыщенного пара - в пароперегреватель ВД (ППВД). Из ППВД перегретый пар поступает в паровую турбину.4. Определение теплофизических характеристик уходящих газов Низшую теплоту сгорания природного газа определяем из соотношения  ;  ;Расход топливного газа в камеру сгорания ГТУ рассчитываем по формуле:   Массовый расход уходящих газов ГТУ равен:   .Стехиометрический (теоретически необходимый) расход воздуха определяем по формуле:   Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах ГТУ:   где - фактический и теоретический объемы (расходы) воздуха, ; плотность воздуха при нормальных условиях, . Теоретические объемы компонентов продуктов сгорания природного газа в (нм3 п.с)/ определяем из соотношений: азота:  трехатомных газов:  водяных паров:   .Действительный объем водяных паров:  Полный объем продуктов сгорания:   Теплоемкость в  составляющих уходящих газов ГТУ при температуре определяем из следующих соотношений:       Энтальпию в  чистых продуктов сгорания и энтальпию воздуха в уходящих газах ГТУ при температуре рассчитываем по формулам:     Энтальпию уходящих газов, отнесенную к 1 сожженного топливного газа, определяем по формуле:  Для коэффициента избытка воздуха получаем:  Рассчитываем удельную весовую энтальпию уходящих газов ГТУ для температуры :  5. Расчет котла-утилизатора Выбрав температурный напор на выходе из ППВД  , из (4.1) определяем температуру пара перед СРК: 585-25=560  Энтальпия пара перед СРК ВД  3560 кДж/кг.Давление пара в барабане ВД определяем по (4.5):  МПа.Температура насыщения в нем  .Энтальпия насыщенного пара  кДж/кг.Выбираем значение недогрева питательной воды, поступающей в барабан ВД,  . Тогда согласно (4.8) энтальпия недогретой воды: кДж/кг.Температуру газов за ИВД определяем по соотношению (4.2):  ,где  - принятый температурный напор в точке ВД.По  585 и  находим энтальпии газов соответственно на входе в КУ и выходе из ИВД : 651,28 кДж/кг, кДж/кг.Из уравнения (4.9) определяем расход пара ВД, генерируемого одним КУ:  кг/с.Параметры питательной воды в деаэраторе, из которого она поступает в контур ВД, соответствует давлению  0,61 МПа:температура насыщения  159,5 энтальпия насыщенной воды  673,3 кДж/кг.По соотношению (4.11) найдем энтальпию газов за контуром ВД:   Дж/кг,которой соответствует температура  .Энтальпию газов за ППВД рассчитываем по соотношению (4.12):   кДж/кг,а температура  .9. Определяем тепловые мощности поверхностей нагрева контура ВД. Тепловые мощности ППВД, ИВД и ЭВД :   кВт;  кВт;  кВт.Переходим к расчету контура НД КУ. Выбрав температурный напор на выходе из ППВД  , находим температуру пара перед СРК НД: .Так как давление пара перед СРК НД  МПа, то энтальпия  кДж/кг.Давление в барабане НД находим из соотношения (4.6):  МПа.Тогда температура насыщения в нем  , энтальпия насыщенной воды  кДж/кг, а энтальпия насыщенного пара  кДж/кг.Энтальпия недогретой воды, поступающей в барабан НД из деаэратора,  кДж/кг.Приняв температурный напор в точке НД  , находим в ней температуру газов: Паропроизводительность контура НД:  кг/с.Принимаем температуру питательной воды на входе в ГПК  . Тогда ей соответствует энтальпия:  кДж/кг.Примем недогрев конденсата за ГПК до температуры насыщения в деаэраторе  . Тогда температура и энтальпия недогретого конденсата, поступающего в деаэратор, соответственно равны: 159,5-7,5=152  636,88кДж/кг.Из уравнения теплового баланса для деаэратора найдем расход пара на деаэратор:  кг/с.По заданному давлению в конденсаторе  кПа определяем температуру конденсата  , энтальпию конденсата, поступающего к точке смешения с рециркуляцией (см. рис. 2),  кДж/кг, энтальпию конденсирующегося пара  кДж/кг и удельный объем пара  .По аналогии с (4.14), используя, определяем расход рециркуляции (для одного КУ):  кг/с.Расход конденсата через ГПК:  кг/с.Энтальпия уходящих газов КУ определяется по аналогии с (4.15):  кДж/кг,а их температура  .22. При температуре наружного воздуха  энтальпия уходящих газов  кДж/кг, и тогда КПД КУ по соотношению (4.16): .Энтальпия газов за ППНД:  кДж/кг,а температура газов за ППНД  .24. Тепловые мощности ППНД, ИНД и ГПК :  кВт; кВт; кВт.25. Тепловая мощность, отданная газами ГТУ в паротурбинный цикл:  кВт.26. Тепловая мощность, полученная паром КУ:   (См рис. 3. Тепловая диаграмма =f(Q) и t=f(Q) для котла-утилизатора ПГУ). 6. Приближённый расчёт паровой турбины Суммарный объёмный расход, проходящий через последние ступени паровой турбины:  , м3/с,где  м3/кг – удельный объём пара за последней ступенью; м3/с.Пользуясь рисунком из прил. 3 [1], выбираем двухпоточный ЦНД с рабочей лопаткой последней ступени длиной  м и корневым диаметром  мм. При объёмном расходе пара через один поток 594,6 м3 «сухой» КПД последней ступени составляет 0,825, а потеря с выходной скоростью  кДж/кг.Таким образом, паровая турбина для рассматриваемой ПГУ должна быть двухцилиндровой с ЦВД и двухпоточным ЦНД. Поступив во внутренний корпус ЦВД, пар проходит 1-й отсек и поступает в поворотную камеру с давлением  . В ней он разворачивается на 180º, проходит между внутренним и внешним корпусом ЦВД и поступает во 2-й отсек, за которым расположена камера смешения и поддерживается давление  . После камеры смешения пар расширяется в 3-м (последнем в ЦВД) отсеке и поступает на вход двухпоточного ЦНД с давлением  .Исходя из количества ступеней в 1-м и 2-м отсеках и давлений перед (СРК) ЦВД (и ЧНД), принимаем давление  МПа. Давление перед ЦНД оценим в  МПа. (рис. 5.6), определяем энтальпию  =3102,2 кДж/кг и удельный объем  =0,1502 м3/кг в конце процесса расширения.Принимаем потерю давления в СРК НД  и по соотношению находим давление в камере смешения: , МПа; МПа.Аналогично давление пара перед проточной частью ЦВД:  , МПа,где, как и в предыдущем случае, потеря давления в СРК ВД  ; МПа.По этому давлению и энтальпии перед СРК ВД  3619 кДж/кг (точка О) определим все параметры перед проточной частью ЦВД: температура  560 , удельный объём  0,06098м3/кг, энтропия  10,27кДж/(кг·К).Строим изоэнтропический адиабатный процесс расширения пара в 1-м отсеке (рис. 4), определяем энтальпию  3102,2кДж/кг и удельный объём  м3/кг в конце процесса расширения.Рассчитываем изоэнтропический теплоперепад 1-го отсека:  , кДж/кг; кДж/кг.Относительный внутренний КПД 1-го отсека оцениваем по приближённой эмпирической формуле для группы ступеней малой верности при работе в сухом паре:  ,где  м3/кг – средний для отсека удельный объём, а коэффициент, учитывающий влажность пара,  ; .Рассчитываем использованный теплоперепад 1-го отсека:  , кДж/кг; кДж/кг.Внутренняя мощность 1-го отсека:  , кВт; кВт.Определяем энтальпию пара в поворотной камере:  , кДж/кг; кДж/кг.Энтальпия  и давление МПа определяют все параметры пара в поворотной камере:  335,3ºС,  м3/кг,  10,19кДж/(кг·К). Они используются для расчёта 2-го отсека (от поворотной камеры до камеры смешения).Строя изоэнтропический процесс расширения пара во 2-м отсеке до давления в камере смешения  МПа, вычисляем энтальпию  кДж/кг и удельный объём  м3/кг в конце процесса расширения.Изоэнтропический теплоперепад 2-го отсека:  , кДж/кг; кДж/кг.Относительный внутренний КПД 2-го отсека:  ,где  м3/кг – средний для отсека удельный объём, а коэффициент, учитывающий влажность пара, ; .Рассчитываем использованный теплоперепад 2-го отсека:  , кДж/кг; кДж/кг.Внутренняя мощность 2-го отсека:  , кВт; кВт.Определяем энтальпию пара, поступающего в камеру смешения из 2-го отсека:  , кДж/кг; кДж/кг.Энтальпия пара в камере смешения (перед ЧНД точка О1) рассчитывается по условию смешения соотношением:  , кДж/кг; кДж/кг.Эта энтальпия и давление МПа определяют все параметры пара в камере смешения  197,9ºС,  3748м3/кг,  10,21кДж/(кг·К). Они используются для расчёта 3-го отсека (ЧНД).18. Строя изоэнтропический процесс расширения пара в 3-м отсеке до давления  , определяем энтальпию  , удельный объем  и сухость  в конце процесса расширения (перед ЦНД). Изоэнтропический теплоперепад отсека  . Линия процесса расширения пересекает пограничную кривую в точке с энтальпией  , и тогда «влажная» часть процесса расширения  .19. Расход пара через 3-й отсек  Средний для отсека удельный объем  20. Коэффициент, учитывающий влажность пара, определяем по соотношению  Здесь учтено отсутствие системы влагоудаления ( , влажность перед отсеком , а влажность в конце действительного процесса расширения для первого приближения принята равной . 21. Относительный внутренний КПД 3-го отсека   22. Использованный теплоперепад 3-го отсека  .23. Внутренняя мощность 3-го отсека  .24. Энтальпия пара на выходе из ЦВД (точка А)  .25. Параметры и дают значение сухости за ЦВД  , т.е. влажность . Так как ее отличие от принятого невелико, то уточнение расчетов по пп. 1921 не требуется.26. Строя изоэнтропический процесс расширения пара в 4-м отсеке (рис. 4) по давлению , определяем энтальпию  . Изоэнтропический теплоперепад отсека  . Весь процесс расширения протекает в области влажного пара.28. Коэффициент, учитывающий влажность пара, определяем по соотношению   где учтено протекание всего процесса расширения в области влажного пара, использование внутриканальной сепарации влаги ( ), а влажность в конце действительного процесса расширения в качестве 1-го приближения принята равной (в дальнейшем при необходимости это значение можно будет уточнить). 29. Потерю с выходной скоростью определяем по характеристике выбранной последней ступени (прил. 3) из [1]:  и в соответствии с эмпирической зависимостью (6.48) из [4]. Относительный внутренний КПД 4-го отсека  30. Использованный теплоперепад 4-го отсека  31. Энтальпия пара на выходе из ЦНД  32. Параметры и дают значение сухости за ЦВД , т.е. влажность . Значение энтропии  33. Внутренняя мощность ЦНД  34. Внутренняя мощность ЦВД  35. Внутренняя мощность паровой турбины  36. В соответствии с (п.23) электрическая мощность паровой турбины    7. Определение экономических показателей ПГУ Абсолютный электрический КПД ПТУ  Абсолютный электрический КПД ПТУ находим по (п.26):  Электрическая мощность ПГУ определяется по (п.24):  .Теплота подведенная в камеру сгорания одной ГТУ:  Абсолютный электрический КПД брутто ПГУ  Заключение В результате расчета тепловой схемы были получены: - параметры пара и воды по всему тракту (давления, температуры, влажность, энтальпии и расходы); 3560 кДж/кг;  560  МПа; ; кДж/кг;  кг/с;  ; МПа ;  кг/с; кДж/кг;  МПа ; ; кДж/кг; кДж/кг;  кг/с;  кг/с.- количество теплоты, передаваемое от греющих газов к рабочему телу (пару или воде) каждым элементом КУ;  кВт;  кВт; кВт;  кВт;  кВт;  кВт;- процесс расширения пара в турбине, КПД и внутренние мощности отсеков паровой турбины;  ; ; ;  кВт;  кВт; ; - электрическая мощность на зажимах генератора паровой турбины (ПТ) - электрическая мощность парогазовой установки - КПД котла-утилизатора 84% - КПД паросиловой установки (ПСУ) 26,3% - абсолютный электрический КПД паротурбинной установки 22,1% - КПД парогазовой установки 60% Список используемой литературы Кудинов А.А. Парогазовые установки тепловых электрических станций: учеб. Пособие/ А.А. Кудинов. – Самара: Самар. Гос. Техн. Ун-т, 2009. – 116 с. Костюк А.Г. Турбины тепловых и атомных электрических станций/ А.Г. Костюк, В.В. Фролов, А.Е. Булкин, А.Д. Трухний. – М.: Изд-во МЭИ, 2001. – 448с. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара/ А.А. Александров, Б.А. Григорьев. – М.: Издательство МЭИ. 1999. – 168с. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||