Расчет показателей тепловой схемы мощного энергоблока ТЭС

КУРСОВАЯ РАБОТА

«РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ МОЩНОГО ЭНЕРГОБЛОКА ТЭС»

Вступление

Преобразование энергии топлива в электрическую осуществляется на современных паротурбинных электростанциях на основе сложных тепловых схем. Как известно, применение сложных термодинамических циклов с использованием теплоты отработавшего пара для внешнего потребления и регенеративного подогрева питательной воды с применением промежуточного перегрева пара способствует повышению тепловой экономичности энергоблоков. В данных методических указаниях представлена методика расчета теплового баланса парогенератора и термодинамический расчет принципиальной (упрощенной) тепловой схемы паротурбинной энергоустановки номинальной мощностью 290−310МВт. Принципиальная тепловая схема энергоустановки соответствует реальной тепловой схеме энергоблока с турбоустановкой сверхкритического давления К-300−240 Харьковского турбинного завода, перед которой устанавливаются прямоточные парогенераторы типов ТПП-210, ТПП-210-А или ПК-41 номинальной производительностью 950т/ч.

1. Цель и задачи выполнения работы

Целью выполнения работы является закрепление теоретических знаний и приобретение практических навыков в проведении расчетов показателей тепловых схем мощных паротурбинных энергоблоков тепловых электрических станций.

Задачами расчета теплового баланса парогенератора являются:

— определение теплоты сгорания топлива;

— расчет объемов продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании топлива;

— определение КПД генератора

— определение расхода топлива в парогенераторе.

Задачами термодинамического расчета тепловой схемы паротурбинной установки являются:

— определение параметров паров узловых точках тепловых схем;

— тепловой расчет конденсатора;

— расчет насосного оборудования тепловой схемы;

— определение теплоты и работы цикла ПТУ;

— расчет материального баланса ПТУ;

— расчет показателей тепловой экономичности ПТУ и сравнительный анализ посчитанных вариантов.

Термодинамический расчет тепловой схемы выполняется в одном варианте схемы включения питательного насоса:

— питательный насос приводится в движение за счет турбинного привода (ТП).

2. Описание принципиальной тепловой схемы энергоустановки

Принципиальная тепловая схема энергетической паротурбинной установки изображена на рис. 2.1. В парогенераторе (ПГ) теплота, образующаяся при сжигании топлива, расходуется на выработку перегретого пара с давлением и температурой. Пройдя через стопорный и регулирующий клапан, острый пар дросселируется до давления. Далее пар поступает в паровую турбину, состоящую из цилиндров высокого (ЦВД), среднего (ЦСД) и низкого давления (ЦНД).

После расширения в ЦВД пар направляется в промежуточный пароперегреватель (ПП) на вторичный перегрев, где подогревается до температуры. Из ЦВД и непосредственно после него осуществляется два нерегулируемых отбора пара в поверхностные регенеративные подогреватели питательной воды высокого давления (ПВД). Пар после промежуточного перегревателя поступает в ЦСД, откуда осуществляется четыре нерегулируемых отбора пара. Из одного из них часть потока пара направляется в поверхностный ПВД, другая часть потока поступает в деаэратор (регенеративный подогреватель смешивающего типа), а третья — на турбинный привод питательного насоса (ТП). Пар из трех других отборов направляется в поверхностные регенеративные подогреватели низкого давления (ПНД). Отработавший пар после ТП смешивается с основным потоком пара после ЦСД, и весь поток направляется на ЦНД. ЦНД выполнен по двухпоточной схеме. Из него осуществляется три отбора на регенерацию, которые направляются в ПНД. После ЦНД пар расширяется до давления в конденсаторе, где происходит его конденсация. Поток основного конденсата подается группой конденсатных насосов первой и второй ступени (КН) в систему ПНД, где он подогревается за счет теплоты конденсации пара из отборов. Далее поток основного конденсата направляется деаэратор (Д), где происходит его очистка от растворенных агрессивных газов и подогрев за счет пара из отбора. Из деаэратора поток очищенной (питательной) воды под высоким давлением подается питательным насосом (ПН) в группу ПВД, и далее — в парогенератор. В зависимости от схемы включения питательный насос может приводиться в движение за счет турбинного привода (ТП) или электрического привода (ЭП). Поток конденсата каскадного слива после ПНД закачивается в линию основного конденсата дренажным насосом (ДН), а после ПВД — поступает в деаэратор (Д).

3. Исходные данные для расчета

Исходными величинами являются:

— номинальная электрическая мощность МВт;

— доли расходов пара в отборы из турбины, т/ч (нумерация отборов — сквозная в сторону от первого отбора в ЦВД до последнего отбора в ЦНД);

— доля расхода пара на ТП, т/ч;

— температура острого пара, ;

— температура пара после промежуточного пароперегревателя, ;

— температура охлаждающей воды на входе в конденсатор, ;

— давление острого пара, МПа;

— давление пара после ЦВД, МПа;

— давление пара после ЦСД, МПа

— давление пара в деаэраторе, МПа;

— давлене основного конденсатора, МПа;

— давление пара в отборах из турбины, МПа;

— давление пара в отборе из турбины на ТП, МПа;

— относительное внутренние КПД ЦВД, ЦСД и ЦНД;

— относительный внутренний КПД ТП;

и — внутренние КПД ПН, КН и ДН, учитывающие потери в насосах;

и — КПД электродвигателей, трансформаторов, редукторов или гидромуфты, если частота вращения насоса регулируется;

— механические КПД турбины и ТП;

— КПД електрогенератора;

— КПД, учитывающий потери теплоты в окружающую среду;

— потери давления пара при дросселировании на стопорном и регулирующем клапанах, %;

— потери давления пара при прохождении по тракту промежуточного пароперегревателя до ЦСД, %;

— потери давления пара при прохождении по тракту от оборана ТП до самого турбопривода, %;

— потери давления пара при прохождении по тракту от ТП до места смешивания с потоком из ЦСД, %;

m — кратность охлаждения в конденсаторе;

z — число ходов охлаждающей воды в конденсаторе;

— площадь поверхности охлаждения конденсатора, м;

— внутренний диаметр трубок в конденсаторе, мм;

— удельная паровая нагрузка при номинальном расходе пара в конденсатор, — внутренний диаметр трубок в конденсаторе, мм; кг/(мч);

— скорость охлаждающей воды в трубках, м/с.

Давление

В деаэраторе принято 0,687 МПа на всех режимах работы установки. Давление основного конденсата, создаваемое группой конденсатных насосов принимается равным 2 МПа.

Значение остальных КПД: ПН; КН; ДН; электродвигателей =0,9; трансформаторов; редукторов или гидромуфт насосов; механической турбины =0,987; механического турбопривода ПН =0,985; электрогенератора =0,9875; учитывающий потери теплоты окружающую среду

Расчетные характеристики топлива

Параметры тепловой схемы турбоустановки К 300-240

Основные характеристики конденсатора 300-КЦС-1 (К-300-240 ЛМЗ)

4. Тепловой баланс парогенератора

Для заданного состава низшая теплота сгорания газообразного топлива может быть определена по формуле:

Q=339C+1025H-108,5 (O-S)-25W=17 959,65 кДж/ м,

где — доля затрат на собственные нужды парогенератора, принимаем 3%.

5. Определение параметров пара в узловых точках тепловой схемы

5.1 Рабочий процесс в ЦВД

Энтальпия и энтропия острого пара (на выходе из парогенератора перед стопорным клапаном) определяется согласно диаграмме по заданным давлению и температуре. Принимаем = 23,5 МПа =235 бар. На диаграмме ставится точка 0 ().

Перед входом в ЦВД пар дросселируется в стопорном и регулирующем клапанах до давления. Давление пара после дросселирования с учетом потерь, %:

•= (1−5/100) •23,5 = 22,325 МПа На диаграмме процесс адиабатного дросселирования условно обозначается горизонтальной линией от изобары до пересечения с изобарой. Таким образом, определяются параметры пара на входе в ЦВД, и ставится точка 1. Находится температура пара на входе в ЦВД .

Параметры пара после ЦВД определяются так:

а) от точки 1откладывается вертикальная линия до пересечения с изобарой =3,87 МПа. Ставится точка

2.

Отрезок (теплоперепад)

= 3470−2990 = 480 кДж/кг характеризуется процесс идеального адиабатного (т.е. изоэнтропического) расширения пара в ЦВД;

б) находится действительный теплоперепад в ЦВД

;

в) считается действительная энтальпия пара на выходе из ЦВД:

= 3470−410= кДж/кг;

г) на диаграмме ставится точка действительного окончания рабочего процесса в ЦВД 2. Она лежит на линии пересечения горизонтальной линии с изобарой ;

д) для упрощения расчетов действительный процесс расширения в ЦВД на диаграмме изображается прямой линией между точками 1 и 2.

5.2 Рабочий процесс в ЦСД

Давление пара на входе в ЦСД с учетом потерь по тракту промежуточного пароперегревателя (ПП) и на дросселирование в клапане ПП будет таким:

= 0,9•=0.9•3,87=3,483 МПа

Энтальпия и энтропия пара на входе в ЦСД после промежуточного пароперегревателя определяется по давлению и заданной температуре =570 ^? С. На диаграмме ставится точка

.

Параметры пара после ЦСД находится аналогично, как и после ЦВД:

а) от точки 1откладывается вертикальная линия до пересечения с изобарой. Ставится точка

2.

Отрезок (теплоперепад)

= 3618−2865= 753 кДж/кг;

характеризует процесс идеального адиабатного (т.е. изоэнтропического) расширения пара в ЦСД;

б) находится действительный теплоперепад в ЦСД:

= 753*0.901 = 678,5 кДж/кг;

в) считается действительная энтальпия пара на выходе из ЦСД:

= 3618−678,5 = 2934 кДж/кг;

г) на диаграмме ставится точка действительного окончания рабочего процесса в ЦСД .Она лежит на линии пересечения горизонтальной линии энтальпии с изобарой ;

д) для упрощения расчетов действительный процесс расширения в ЦСД на диаграмме изображается прямой линией между точками и .

5.3 Рабочий процесс в турбинном приводе питательного насоса

Расчет рабочего процесса в ТП будет таким:

а) давление пара на входе в ТП определяется с учетом заданных потерь (%) на линии от отбора на него до входа в турбопривод:

= 0.96•= 0.96•1,49 = 1,43 МПа;

б) давление пара на выходе из ТП определяется с учетом заданных потерь на линии выхода из ТП до выхода из ЦСД:

= 1,04•= 1.04•0,243 = 0,25 272 МПа;

в) на диаграмме ставится точка ТП .Она находится на пересечении линии действительного процесса в ЦСД и изобары .

г) от точки ТП откладывается условная горизонтальная линия до пересечения с изобарой, выражающая процесс адиабатного дросселирования пара на линии от отбора до ТП. Ставится точка ;

д) от точки откладывается вертикальная линия до пересечения с изобарой. Ставится точка .

Отрезок (теплоперепад)

= 3350−2905 = 445 кДж/кг;

характеризует процесс идеального адиабатного (т.е. изоэнтропического) расширения пара в ТП;

е) находится действительный теплоперепад в ТП:

= 445•0.79 = 351,6 кДж/кг;

ж) считается действительная энтальпия пара на выходе из ТП:

= 3350−351,6 = 2998,5 кДж/кг з) на диаграмме ставится точка действительного окончания рабочего процесса в ТП .Она лежит на линии пересечения горизонтальной линии энтальпии с изобарой ;

и) для упрощения расчетов действительный процесс расширения в ТП на диаграмме изображается прямой линией между точками 1и 2.

5.4 Тепловой расчет конденсатора

Конденсатор (см. рис. 5.1) представляет собой теплообменный аппарат, в котором происходит превращение отработавшего в турбине пара в жидкое состояние (т.е. конденсат). Конденсация пара происходит на поверхности труб, имеющих температуру меньше, чем температура насыщение при парциальном давлении пара в конденсаторе. Такое давление, кА правило, предусматривается ниже, чем атмосферное (т.е. вакуум). Это сделано для повышения термодинамической эффективности цикла ПТУ.

Исходными для теплового расчета конденсатора являются уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи.

Удельная паровая нагрузка на поверхность конденсатора, кг/(мч):

.

Так как изначально расход пара в конденсатор неизвестен, то в первом приближении можно определить, используя номинальную мощность, на которую рассчитывался конденсатор МВт:

= 36,6•300/300=36,6 кг/(м•ч) Кратность охлаждения в конденсаторе m = W/D=63,7

Здесь и W — расходы отработавшего в турбине пара и охлаждающей воды, кг/ч.

Коэффициент теплопередачи в конденсаторе К для большинства конденсаторов ПТУ с латунными трубками можно посчитать по формуле Л. Д. Бермана:

= = кВт/(мК), где

— a = 0.65, т. к. используется оборотное водоснабжение при грязной воде и возможности образования минеральных или биологических отложений;

— = 25- температура охлаждающей воды на входе в конденсатор;

— - скорость охлаждающей воды в трубках конденсатора. В расчетах принять 2 м/с;

—  = 26 мм — внутренний диаметр трубок;

— показатель степени х, х = 0.12= 0.12•0.65• (1+0,15•25) = 0.37;

— коэффициент, учитывающий число ходов воды :

;

— коэффициент, учитывающий влияние паровой нагрузки на конденсатор. Так как паровая нагрузка находится в пределах и в расчетах режимов, близких к номинальному, коэффициент = 1.

=(0.9−0.012•25) •36,6 = 22 кг/(мч).

Исходя из совместного решения уравнений теплового баланса и теплопередачи, вычисляется температура насыщенного пара в конденсаторе:

=, где

r = 2430 кДж/кг — теплота фазового перехода;

= 4.19 кДж/(кг •).

Давление отработавшего пара = 7,375 кПа в конденсаторе считалось по температуре насыщения согласно параметрам воды и водяного пара на линии насыщения.

Для упрощения расчетов следует принять переохлаждения конденсата С (т.е. = 40С).

Значение энтальпии конденсата рассчитывается по температуре и давлению пара в конденсаторе. Так как, то величина эквивалентна энтальпии конденсата на линии насыщения = 167,5кДж/кг.

5.5 Рабочий процесс в ЦНД

Питательный насос работает за счет турбопривода:

а) энтальпия пара на входе в ЦНД считается с учетом подмешивающего потока из ТП:

=кДж/кг, где — количество отборов пара на регенерацию на ЦВД и ЦСД или последний отбор пара в ЦСД;

б) на диаграмме ставится точка (). Она находится на пересечении горизонтальной линии и изобары ;

в) от точки откладывается вертикальная линия до пересечения с изобарой. Таким образом, ставится точка 2().Отрезок (теплоперепад) характеризует процесс идеального адиабатного (т.е. изоэнтропического) расширение пара в ЦНД;

г) находится действительный теплоперепад в ЦНД:

= 589•0,846 = 498,3 кДж/кг;

д) считается действительная энтальпия пара на выходе из ЦНД:

= 2945−498,3 = 2446,7 кДж/кг;

е) на диаграмме ставится точка действительного окончания рабочего процесса в ЦНД. Она лежит на линии пересечения горизонтальной линии энтальпии с изобарой ;

ж) для упрощения расчетов действительный процесс расширения в ЦНД на диаграмме изображается прямой линией между точками 1 и 2.

5.6 Параметры пара в узловых точках отбора пара на регенерацию

Надиаграмме ставятся точки. Эти точки находятся на пересечении линий рабочих процессов в ЦВД, ЦСД и ЦНД с изобарами

5.7 Расчет насосного оборудования

Напор и давление, создаваемые питательным насосом считаются в зависимости от условий. Так как питательный насос работает за счет ТП, напор, создаваемый ПН определяется с учетом механических потерь ТП и внутреннего КПД насоса:

кДж/кг Давление питательной воды за насосом:

МПа, где

— средняя плотность питательной воды в насосе.

Напор, развиваемый группой конденсатных насосов:

кДж/кг, где

— средняя плотность основного конденсата в группе КН, определяемые согласно давлению .

Напор, развиваемый дренажным насосом:

кДж/кг, где

— плотность дренажа греющего пара восьмого отбора турбины (определяется по давлению).

5.8 Параметры питательной воды на входе в парогенератор

Энтальпия питательной воды на входе в парогенератор считается исходя из баланса смешений всех потоков из отборов турбины и конденсатора с учетом напоров, создаваемых насосами:

=

где n-количество всех отборов пара (кроме отбора на ТП).

Температура питательной воды =273,9С определяется по и .

6. Расчет теплоты и работы цикла ПТУ

Удельное количество теплоты, подведенной к рабочему телу в парогенераторе:

кДж/кг, где

— количество отборов пара из ЦВД.

Удельное количество теплоты, отведенной от рабочего тела в конденсаторе:

кДж/кг.

Удельная работа пара в термодинамическом цикле установки:

кДж/кг.

Удельная внутренняя работа турбины:

кДж/кг.

7. Материальный баланс ПТУ

Расход острого пара, поступающего на турбину, определяется исходя из заданной электрической мощности энергоблока:

т/ч.

Расходы пара в каждый отбор:

т/ч Расход пара, отбираемого на ТП ПН

= 0,11 279• = 98,89 т/ч.

Расход отработавшего пара, поступающего в конденсатор:

= (1−0,34 302) • = 576 т/ч.

Расход пара, поступающего в промежуточный пароперегреватель, вычисляется с учетом пара, отобранного в ЦВД:

= 0.857• = 751,4 т/ч.

Расход питательной воды в парогенератор согласно материальному балансу тепловой схемы ПТУ должен быть равен расходу острого пара .

8. Расчет показателей тепловой экономичности энергоблока

Расходуемая тепловая мощность турбогенераторной установки:

=2826,9•688,5 МВт.

Расходуемая электрическая мощность, необходимая на приводы:

а) ПН. Так как ТП, то

=МВт;

б) группы КН:

= МВт;

в) ДН:

=

= МВт.

Электрическая мощность, отбираемая на собственные нужды турбоустановки с учетом только приводов насосов:

= 9,66 + 0,53 + 0,097 = 10,29 МВт.

Доля мощности, отбираемой на собственные нужды установки:

=.

Абсолютный электрический КПД турбогенераторной установки:

.

Удельный расход пара на турбогенераторной установке:

=кг/(кВт•ч).

Расход рабочей массы используемого и условного топлива для осуществления номинального режима работы энергоблока:

т/ч.

т/ч, где

— низшая теплота сгорания условного топлива.

Удельный расход топлива на энергоблок:

кг/(кВт ч).

кг/(кВт ч).

Абсолютный электрический КПД — брутто энергоблока:

или 37,8%

Абсолютный электрический КПД — нетто энергоблока:

или 36,4%

Заключение

энергоустановка тепловой схема экономичность В результате выполнения расчета были определены основные параметры тепловой схемы:

Температура насыщенного пара в конденсаторе — 40

Температура питательной воды на входе в парогенератор — 273,9С Давление питательной воды за насосом — 29,12 МПа Расход острого пара, поступающего на турбину — 876,8 т/ч Электрическая мощность, отбираемая на собственные нужды турбоустановки — 10,53 МВт Абсолютный электрический КПД турбогенераторной установки — 42%

Абсолютный электрический КПД — нетто энергоблока — 36,4%

Удельный расход условного топлива на энергоблок — 0,324 кг/(кВт•ч)

1. Тепловое оборудование и тепловые сети /Арсеньев Г. В., Белоусов В. П., Дранченко А. А. др. — М.: Энергоатоминздат, 1988. — 400 с.

2. Алобанский А. Н., Недужий И. А. Техническая термодинамика и теплопередача. — К.: Вища школа, 1990. — 246 с.

3. Паровые и газовые турбины / Под. ред. А. Г. Костюка и В. В. Фролова. — М.: Энергоатоминздат, 1985. — 352 с.

4. Тепловой расчёт котельных агрегатов (Нормальный метод) / Под ред. Н. В. Кузнецова. — М.: Энергия, 1973. — 295 с.

5. Методические указания к курсовой работе «Расчет показателей тепловой схемы мощного энергоблока ТЭС» для студентов энергетических и электротехнических специальностей