Расчет термодинамической эффективности паросиловой установки

КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Техническая термодинамика»

Тема: Расчет термодинамической эффективности паросиловой установки

Содержание Введение

1. Общий раздел

2. Расчетно-технологический раздел

2.1 Основной теоретический цикл расширения водяного пара в турбине

2.2 Анализ влияния начальных и конечных параметров рабочего тела на термодинамическую эффективность паросиловой установки

2.3 Влияние начальной температуры пара

2.4 Влияние конечного давления пара

2.5 Сводная таблица результатов расчетов

2.6 Выводы об эффективности работы рассчитываемой паросиловой установки Библиография водяной пар турбина термодинамический

Введение

Основой современной энергетики являются теплосиловые станции, обеспечивающие более 80% вырабатываемой энергии. Расчет и анализ термодинамических показателей теплосиловых установок и относящихся к ним циклов составляет фундаментальную прикладную задачу курса технической термодинамики.

Здесь важно умение термодинамически объективно оценить эффективность циклов и установок, осознать причины, ограничивающие эти показатели и понимать пути повышения эффективности.

Первый закон термодинамики является основой термодинамической теории и имеет огромное прикладное значение при исследовании термодинамических процессов, так как позволяет установить их энергетические балансы.

Сущность этого закона состоит в том, что энергия не создается и не уничтожается, различные формы энергии могут превращаться одна в другую в строго эквивалентных соотношениях. Любая форма движения способна и вынуждена при определенных для каждого случая условиях превращаться прямо или косвенно в любую другую форму движения.

1. Общий раздел Общая характеристика циклов паросиловых установок (ПСУ) тепловых электростанций (ТЭС) Схема простейшей паросиловой установки.

Паросиловой установкой называют теплосиловую установку, в которой теплосиловым двигателем является паровая турбина, использующая в качестве рабочего тела пар какого-либо вещества. В качестве рабочего тела в ПСУ используется главным образом вода или водяной пар. Это рабочее тело совершает круговой процесс, причем полезная работа кругового процесса может быть преобразована в зависимости от назначения установки в механическую энергию (работу) или электрическую энергию (электричество) Органическое топливо, непрерывно подаваемое в топочное устройство котла (1), после сгорания превращается в парообразные продукты сгорания, которые передают теплоту рабочему телу в котле и пароперегревателе. Вода в парогенераторе (котел + пароперегреватель) превращается в пар, направляемый в турбину (4). Пар в турбине расширяется, поступает в конденсатор (5), где после конденсации превращается в воду (конденсат). После конденсатора конденсат с помощью насоса (6) возвращается в парогенератор. Неиспользованная теплота отводится с выходящей из конденсатора (5) охлаждающей водой.

В зависимости от типа парового двигателя и способа использования отработавшего пара, давление этого пара в конце его расширения может быть различным. При этом возможны следующие случаи:

1) давление пара в конце его расширения выше атмосферного (0,2−0,5 МПа), и отработавший в машине пар используют для удовлетворения нужд потребителя теплоты;

2) расширение пара в машине происходит до давления, значительно более низкого, чем атмосферное (конденсационные установки).

В этом случае за машинами устанавливают специальные теплообменники — конденсаторы, в которых отработавший пар превращается в конденсат, перекачиваемый насосом обратно в котел.

В заданных пределах изменения температуры при переводе теплоты в работу наиболее экономичен процесс Карно, причем его КПД не зависит от природы рабочего тела. При осуществлении цикла Карно для газов основным препятствием является поддержание постоянства температур при изотермическом подводе и отводе теплоты от газа. Если же рабочим телом является влажный пар, то это препятствие отпадает, так как постоянство температуры в избранных процессах повода и отвода теплоты обеспечивается испарением или конденсацией части рабочего тела. Однако практически цикл Карно в паросиловых установках не используется из-за громоздкости насосной установки.

Описание работы кругового цикла Карно.

В T-Sдиаграмме этот процесс изобразится прямой, параллельной оси абсцисс, причем точка 2 будет правее точки 1, и площадь фигуры 1−2-5−6 графически будет измерять количество проведенной теплоты q₁, от точки 2. Карно предложил продолжать процесс расширения до нижней мертвой точки (НМТ), по адиабате 2−3; полная работа расширения в Р-V-диаграмме измеряется площадью под линией 1−2-3. В T-S-диаграмме адиабата расширения от точки 2 пойдет вниз, так как температура рабочего тела снижается из-за уменьшения внутренней энергии, затрачиваемой на работу расширения газа.

Точка 3 характеризует конечное состояние рабочего тела, и для возврата его в начальное состояние (точка 1). Карно предложил осуществлять процесс сжатия по изотерме 3−4. Но, так как этот процесс может протекать лишь при отводе теплоты от газа, то на участке 3−4 рабочее тело приходит в соприкосновение с холодным источником, имеющим температуру Т₂, и отдает ему количество теплоты Т ₂ на Р-V-диаграмме_. Температура газа в этом обратимом процессе будет также Т₂. В

T-S-диаграмме этот процесс изображается изотермой Т_2, пересечение которой с адиабатой, выходящей из точки 2, и даст точку 3.

Конец изотермического процесса сжатия (точка 4) выбирают так, чтобы газ, продолжая сжиматься, вернулся в свое исходное состояние (точка 1), но уже по адиабате. Таким образом, процесс 4−1 представляет собой адиабату сжатия. Суммарная работа, затрачиваемая на сжатие газа в Р-V-диаграмме, графически изобразится площадью под кривой процесса 3−4-1.

Работа в цикле Карно — А_ц в Р-V-диаграмме измеряется площадью 1−2-3−4, ограниченной двумя изотермами 1−2 и 3−4, и двумя адиабатами 2−3 и 4−1, а полезная теплота q_ц в T-S-диаграмме измеряется площадью 1−2-3−4.

Термический КПД для рассмотренного обратимого цикла Карно может быть выражен так:

Следует, что ?_t зависит исключительно от температуры источника и от температуры холодильника.

Для получения более высокого КПД при осуществлении любого прямого цикла, следует стремиться к тому, чтобы средняя температура подвода теплоты в цикле, была по возможности высокой, а средняя температура отвода теплоты в цикле — по возможности низкой.

Теоретический цикл современной паросиловой установки (цикл Ренкина). Теоретический цикл Ренкина в диаграмме P-V имеет вид.

P-V диаграмма для цикла Ренкина.

Точка 3 характеризует состояние воды на выходе из конденсатора, линия 3−4 — процесс повышения давления в питательном насосе, 4−5 — подогрев воды в паровом котле, точка 5 — состояние воды при температуре насыщения, 5−6 — парообразование в котле, 6−1 перегрев пара в перегревателе. Точка 1 характеризует состояние пара, поступившего в турбину; 1−2 — адиабатное расширение пара в турбине; 2 — состояние отработавшего пара, выходящего из турбины; 2−3 — процесс конденсации пара в конденсаторе.

Цикл Ренкина в диаграмме T-S.

Кривая 3−4 изображает процесс повышения давления питательным насосом, 4−5 нагревание воды в паровом котле. Точка 5 соответствует температуре кипящей воды при давлении Р₁ в котле. Площадь, лежащая под кривой 3−4-5, измеряет количество теплоты, подведённой к воде при её нагреве до точки кипения.

Прямая 5−6 изображает процесс парообразования. Точка 6 соответствует состоянию сухого насыщенного пара. Кривая 6−1 изображает процесс перегрева пара в пароперегревателе, а точка 1 — состояние перегретого пара после пароперегревателя. Прямая 1−2 изображает адиабатное расширение пара. Точка 2 соответствует состоянию отработавшего пара при давлении P₂. Прямая 2−3 изображает процесс конденсации пара.

2. Расчетно-технологический раздел

2.1 Основной теоретический цикл расширения водяного пара в турбине Процесс расширения пара на i-s диаграмме.

Анализ влияния на характеристики термодинамической эффективности.

Построение цикла в TS-диаграмме на миллиметровой бумаге.

Выкопировка рабочего процесса расширения пара в турбине из масштабной из i-s диаграммы.

Цикл расширения водяного пара в турбине с повышенным давлением .

Процесс расширения пара на i-s диаграмме.

Анализ влияния на характеристики термодинамической эффективности.

Построение цикла в TS-диаграмме на миллиметровой бумаге.

Выкопировка рабочего процесса расширения пара в турбине из масштабной из i-s диаграммы.

Цикл расширения водяного пара в турбине с повышенной начальной температурой ⁰C.

Процесс расширения пара на i-s диаграмме.

Анализ влияния на характеристики термодинамической эффективности.

Построение цикла в TS-диаграмме на миллиметровой бумаге.

Выкопировка рабочего процесса расширения пара в турбине из масштабной из i-s диаграммы.

Цикл расширения водяного пара в турбине при снижении конечного давления, МПа.

Процесс расширения пара на i-s диаграмме.

Анализ влияния на характеристики термодинамической эффективности.

Построение цикла в TS-диаграмме на миллиметровой бумаге.

Выкопировка рабочего процесса расширения пара в турбине из масштабной из i-s диаграммы.

Сводная таблица результатов расчетов.

Выводы об эффективности работы рассчитываемой паросиловой установки.

2.2 Анализ влияния начальных и конечных параметров рабочего тела на термодинамическую эффективность паросиловой установки Влияние начального давления пара.

Используя I-S диаграмму водяного пара строим процесс расширения пара основного теоретического цикла, начальное состояние которого при входе в турбину характеризуется параметрами Р_1, t_1. На пересечении изобары Р₁ и изотермы t₁ находим точку 1. По диаграмме I-S определяем значение энтальпии I₁ и энтропии S₁. Затем отмечаем изобары P₀ и P₂ -давления пара при отборе и давление пара при выходе из турбины и из точки 1 опускаем перпендикуляр до пересечения с линиями, соответствующими P₀ и P₂, получив точки 0 и 2. Точка 0 соответствует состоянию пара при выходе из турбины. Отрезок 1−2 численно равен адиабатному теплоперепаду одного килограмма пара в идеальной однокорпусной турбине. Найдя точку 2, определяем по диаграмме значение энтальпии пара I₂. Затем, используя, таблицы «Термодинамических свойств воды и водяного пара» определяем, энтальпию I₂' и энтропию S₂' кипящей жидкости при давлении пара в конденсаторе. По I-S диаграмме водяного пара определяем степень сухости пара Х₂ в конце теоретического процесса расширения пара в турбине.

Теоретический располагаемый теплоперепад в турбине.

h = i₁-i₂=3080−2545=535 (1)

Теоретическое количество подведенной удельной теплоты в основном цикле.

q₁ = i₁-i₂=3080−417,47=2662,53 (2)

Теоретическое количество отведенной удельной теплоты в основном цикле

q₂ = i₂-i₂=2545−417,47=2127,53 (3)

Теоретическое количество полезной удельной работы в основном цикле.

l = q₁— q₂ = (i₁— i₂) — (i₂— i₂) = i₁— i₂=2662,53−2127,53=535 (4)

Тепломеханический коэффициент основного теоретического цикла паросиловой установки, вычисленный через энергобалансовые характеристики (q_1, q_2, l)

(5)

Вычисленные энергобалансовые характеристики заносятся в таблицу 1.

По исходным и полученным в расчете данным строим T-S-диаграмму основного цикла паросиловой установки (цикл Ренкина). Линии кипящей жидкости (Х =0) и сухого насыщенного пара (Х =1) наносятся на график по данным, приведенным в таблице 2.

Таблица значений параметров водяного пара на линии насыщения.

Диаграмма выполняется на миллиметровой бумаге в выбранном масштабе. Значения параметров пара откладываются на осях T-S. Пограничные кривые диаграммы T-S (линии кипящей жидкости Х=0 и линия сухого насыщенного пара Х=1), наносятся по данным, приведенным в таблице 2 значений исходных данных Р₁, Р₀, Р₂; значения абсолютных температур насыщения Т_н1, Т_н0, Т_н2; энтропий кипящей жидкости S₁, S₀, S₂ и энтропии сухого насыщенного пара S₁", S₀", S₂", выбираются по таблицам термодинамических свойств воды и пара по соответствующим значениям давлений. Из точек значений энтропий кипящей жидкости и сухого насыщенного пара восстанавливаем перпендикуляры до пересечения с соответствующими значениями температур, полученные точки соединяем плавными кривыми, соответствующими нижней пограничной кривой (кривой кипящей жидкости) и верхней пограничной кривой (кривой сухого насыщенного пара). Далее изображается цикл Ренкина (рис.4). Начальное состояние пара перед турбиной (точка 1) определяется на пересечении изотермы Т₁ — абсолютной температуры пара перед турбиной и линии постоянного значения энтропии S₁ (значение S₁ определяется по диаграмме I-S). Конечное состояние пара на выходе из турбины (при входе в конденсатор) определяется точкой 2, лежащей на пересечении изобары Р₂ и линии постоянного значения энтропии S₂= S₁.

Аналогичным образом строим процесс расширения пара в турбине с параметрами Р₁' и t₁, т. е. с повышенным давлением пара, поступающего в турбину и с той же температурой. Для этого случая определяются значения тепломеханического коэффициента через энергобалансовые характеристики.

Построение проводятся аналогично описанному ранее. При этом параметры рабочего тела вносят в таблицы аналогично таблицам 1 и 2.

Теоретический располагаемый теплоперепад в турбине.

h = i₁-i₂=3075−2475=600 (1)

Теоретическое количество подведенной удельной теплоты в основном цикле.

q₁ = i₁-i₂=3075−417,47=2657,53 (2)

Теоретическое количество отведенной удельной теплоты в основном цикле

q₂ = i₂-i₂=2475−417,47=2057,53 (3)

Теоретическое количество полезной удельной работы в основном цикле.

l = q₁— q₂ = (i₁— i₂) — (i₂— i₂) = i₁— i₂=2657,53−2057,53=600 (4)

Тепломеханический коэффициент основного теоретического цикла паросиловой установки, вычисленный через энергобалансовые характеристики (q_1, q_2, l)

(5)

Вычисленные энергобалансовые характеристики заносятся в таблицу 1.

По исходным и полученным в расчете данным строим T-S-диаграмму основного цикла паросиловой установки (цикл Ренкина). Линии кипящей жидкости (Х =0) и сухого насыщенного пара (Х =1) наносятся на график по данным, приведенным в таблице 2.

Таблица значений параметров водяного пара на линии насыщения.

Повышение начального давления приводит к росту конечной влажности пара, следствием чего является уменьшение полезной работы цикла, ухудшение условий работы ступеней турбины и снижение надежности эксплуатации паровых турбин, поэтому в современных ПСУ чрезмерное повышение влажности пара предотвращают введением промежуточного перегрева пара. Вместе с тем само по себе повышение начального давления оказывает неблагоприятное влияние на массогабаритные характеристики паротурбинного оборудования и трубопроводов, приводит к усложнению и удорожанию установки.

2.3 Влияние начальной температуры пара Теоретический располагаемый теплоперепад в турбине.

h = i₁-i₂=3150−2580=570 (1)

Теоретическое количество подведенной удельной теплоты в основном цикле.

q₁ = i₁-i₂=3150−417,47=2732,53 (2)

Теоретическое количество отведенной удельной теплоты в основном цикле

q₂ = i₂-i₂=2580−417,47=2162,53 (3)

Теоретическое количество полезной удельной работы в основном цикле.

l = q₁— q₂ = (i₁— i₂) — (i₂— i₂) = i₁— i₂=2732,53−2162,53=570 (4)

Тепломеханический коэффициент основного теоретического цикла паросиловой установки, вычисленный через энергобалансовые характеристики (q_1, q_2, l)

(5)

Вычисленные энергобалансовые характеристики заносятся в таблицу 1.

По исходным и полученным в расчете данным строим T-S-диаграмму основного цикла паросиловой установки (цикл Ренкина). Линии кипящей жидкости (Х =0) и сухого насыщенного пара (Х =1) наносятся на график по данным, приведенным в таблице 2.

Таблица значений параметров водяного пара на линии насыщения.

При повышении начальной температуры пара, поступающего в турбину от Т₁ до Т₁' (при прочих равных условиях) тепломеханический коэффициент цикла Ренкина увеличивается. На I-S диаграмме строится процесс расширения водяного пара в турбине с параметрами P₁ и t₁'. Построение проводятся аналогично описанному ранее. При этом параметры рабочего тела вносят в таблицы аналогично таблицам 1 и 2. С увеличением начальной температуры пара тепломеханический коэффициент цикла увеличивается, конечная влажность пара снижается. Ограничение в повышении начальной температуры пара связаны с ограниченной жаростойкостью металлов. Повышение начальной температуры пара в значительной степени компенсирует недостатки, связанные с повышением начального давления. Поэтому наилучшие результаты оказываются при одновременном повышении начальных температур и давления рабочего тела.

2.4 Влияние конечного давления пара Теоретический располагаемый теплоперепад в турбине.

h = i₁-i₂=3080−2400=680 (1)

Теоретическое количество подведенной удельной теплоты в основном цикле.

q₁ = i₁-i₂=3080−317,62=2762,38 (2)

Теоретическое количество отведенной удельной теплоты в основном цикле

q₂ = i₂-i₂=2400−317,62=2082,38 (3)

Теоретическое количество полезной удельной работы в основном цикле.

l = q₁— q₂ = (i₁— i₂) — (i₂— i₂) = i₁— i₂=2762,38 -2082,38=680 (4)

Тепломеханический коэффициент основного теоретического цикла паросиловой установки, вычисленный через энергобалансовые характеристики (q_1, q_2, l)

(5)

Вычисленные энергобалансовые характеристики заносятся в таблицу 1.

По исходным и полученным в расчете данным строим T-S-диаграмму основного цикла паросиловой установки (цикл Ренкина). Линии кипящей жидкости (Х =0) и сухого насыщенного пара (Х =1) наносятся на график по данным, приведенным в таблице 2.

Таблица значений параметров водяного пара на линии насыщения.

При снижении конечного давления пара P₂ (при прочих равных условиях) тепломеханический коэффициент цикла Ренкина возрастает в связи с одновременным снижением температуры насыщения влажного пара. В I-S и T-S координатах процесс расширения пара при снижении давления строится аналогично описанию в разделе 1. При этом параметры рабочего тела заносятся в таблицы, аналогично таблицам 1 и 2.

Понижение конечного давления пара P₁' приводит к увеличению эффективности энергоиспользования ПСУ.

2.5 Сводная таблица результатов расчетов

2.6 Выводы об эффективности работы рассчитываемой паросиловой установки После того, как мы произвели необходимые расчеты и изучили сводную таблицу можно сделать следующий вывод, что повышение начального давления приводит к росту конечной влажности пара, следствием этого является уменьшение полезной работы цикла, ухудшение условий работы ступеней турбины и снижение надежности эксплуатации паровых турбин. С увеличением начальной температуры пара тепломеханический КПД цикла увеличивается, конечная влажность пара снижается. При снижении конечного давления пара тепломеханический КПД цикла Ренкина возрастает в связи с тем, что одновременно снижается температура насыщения влажного пара.

1. С. Л. Ривкин и А. А. Александров. Термодинамические свойства воды и водяного пара — Издательство: «Энергия», 1975 г.

2. Н. Н. Лариков. Теплотехника — Издательство М.: «Стройиздат», 1985 г.