Расчет технико-экономических показателей и принципиальной тепловой схемы энергоустановки

КУРСОВАЯ РАБОТА

Расчет технико-экономических показателей и принципиальной тепловой схемы энергоустановки

Теплоснабжение является одной из основных подсистем энергетики. На теплоснабжение народного хозяйства и населения расходуется около 1/3 всех используемых в стране первичных топливно-энергетических ресурсов.

Основными направлениями совершенствования этой подсистемы являются концентрация и комбинирование производства теплоты и электрической энергии (теплофикация) и централизация теплоснабжения. В РБ сооружены и работают свыше 50 ТЭЦ, обеспечивающих теплоснабжение свыше 80 городов, промышленных районов и населенных пунктов.

Централизованное теплоснабжение от теплоэлектроцентралей сочетается с целесообразным применением экономичных котельных установок и утилизацией вторичных энергоресурсов промышленных предприятий. Каждый из этих источников теплоснабжения имеет свою область целесообразного использования. Развитие промышленности и широкое жилищно-коммунальное строительство вызывает непрерывный рост тепловой нагрузки. Одновременно идет процесс концентрации этой нагрузки в крупных городах и промышленных районах, что создает базу для дальнейшего развития теплофикации и централизованного теплоснабжения.

В отдельных районах страны возникают крупные территориальные формирования с высокой концентрацией тепловой нагрузки, что вызывает необходимость создания комплексных систем, с использованием различных источников теплоснабжения на отдельных этапах развития этих территориальных формирований. Ужесточение экологических и планировочных требований к современным городам и промышленным районам приводит к размещению ТЭЦ на органическом (особенно твердом), а также на ядерном топливе на значительном расстоянии от районов теплового потребления, что усложняет тепловые и гидравлические режимы систем теплоснабжения и выдвигает повышенные требования к их надежности. Развитие теплофикации и централизованного теплоснабжения выдвигает сложные научные и инженерные задачи, успешное решение которых в значительной мере зависит от подготовки инженерно-технических и научных кадров.

1. Цель и задачи курсовой работы

Целью курсовой работы является отработка навыков выполнения теплоэнергетических расчетов.

Задачи курсовой работы включают:

— изучение методов оценки тепловых нагрузок промышленно-жилого района;

— изучение технико-экономических преимуществ комбинированной выработки электроэнергии и отпуска теплоты от ТЭЦ;

— изучение методических основ выбора варианта энергоснабжения;

— закрепление навыков работы с таблицами и H-S диаграммой воды и водяного пара при выполнении теплотехнических расчетов; изучение методов выбора теплоэнергетического оборудования и расчета технико-экономических показателей.

2. Определение тепловых нагрузок промышленно-жилого района

тепловой жилой промышленный энергоснабжение Необходимость в сооружении ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) определяется требованиями покрытия тепловых нагрузок промышленных и коммунально-бытовых потребителей.

К коммунально-бытовым потребителям относятся жилые, общественные и производственные здания, в которых поступающая тепловая энергия затрачивается на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Расход и параметры пара на производство определяются технологическими нуждами и указываются в задании к курсовой работе. Заданными считаются также: географическое местоположение промышленно-жилого района, число жителей, структура производства и другие количественные показатели. На основании этих данных выполняется расчет расхода тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений.

Методика этого расчета приводится ниже.

2.1 Определение максимального расхода теплоты на отопление промышленных предприятий, жилых и общественных зданий

Расход теплоты на отопление промышленных предприятий определяется из выражения:

— отопительная характеристика здания, представляющая тепловые потери здания при разности внутренней и наружной температур ;

Для ориентировочного расчета теплового потребления промышленных зданий можно принимать следующие значения отопительных характеристик для всех климатических районов:

· для производственных промышленных зданий:

; берем: ;

— общий наружный объем промышленных зданий:

— внутренняя температура отапливаемых помещений (для промышленных зданий ориентировочно);

— расчетное значение наружной температуры наиболее холодных 5-дневок, взятых из восьми наиболее холодных зим за 50-летний период (выбирается для Свердловска, [I, табл. 6.2]).

Расчет:

;

Максимальный расход теплоты на отопление производственных промышленных зданий:

Расход теплоты на отопление жилых зданий определяется с помощью выражения:

где — укрупненный показатель расхода теплоты на отопление зданий,, зависит от расчетной температуры наружного воздуха, табл. 1 (промежуточные значения определяются интерполяцией); - жилая площадь, принимается на одного человека; - количество единиц потребления, чел.

Таблица 1.

Расход теплоты на отопление общественных зданий определяется из выражения:

где — коэффициент, учитывающий расход теплоты на отопление общественных зданий, принимается 0,25.

Расчет:

Суммарные потери теплоты на отопление:

2.2 Определение максимального расхода теплоты на вентиляцию промышленных предприятий, жилых и общественных зданий

Расход теплоты на вентиляцию промышленных зданий определяется из выражения:

где — вентиляционная характеристика здания, представляющая расход теплоты на вентиляцию здания при разности внутренней и наружной температур,; - расчетная наружная температура для вентиляции (выбирается для Свердловска, [I, табл. 6.2]).

Приближенно вентиляционную характеристику промышленных зданий можно определить по формуле[I, c. 356]:

где — кратность обмена воздуха,; - объемная теплоемкость воздуха,,; - вентилируемый объем промышленных зданий,,. для промышленных зданий при ориентировочных расчетах можно принимать .

Расчет:

;

Расход теплоты на вентиляцию жилых и общественных зданий определяется из следующих выражений:

где — коэффициент, учитывающий расход теплоты на вентиляцию жилых зданий, принимаем 0,1…0,2; - то же для общественных зданий, принимается 0,4.

Расчет:

Суммарные потери теплоты на вентиляцию:

2.3 Определение максимального расхода теплоты на горячее водоснабжение промышленных предприятий, жилых и общественных зданий

Расход теплоты на горячее водоснабжение промышленных зданий определяется из выражения:

где — количество единиц потребления на промышленных предприятиях, чел.; - суточная норма расхода горячей воды в, при для промышленных зданий на единицу потребления принимается по СНиП 2.04.01−85 в пределах .; - теплоемкость подогреваемой воды,,; - температура горячей воды, подаваемой в систему горячего водоснабжения, принимается; - температура холодной воды, в отопительный период принимается; - число часов работы системы горячего водоснабжения в течении суток, для промышленных предприятий принимают равным числу часов зарядки баков-аккумуляторов,

Расчет:

Расход теплоты на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий определяется из выражения:

где — суточная норма расхода горячей воды в, при для жилых зданий на одного человека принимается по СНиП 2.04.01−85 в пределах .; - то же для общественных зданий, принимается .; - число часов в сутках; - коэффициент часовой неравномерности, ориентировочно принимается

Расчет:

Суммарный расход теплоты на горячее водоснабжение:

Суммарная потребность в горячей воде составляет:

Расчет:

МВт;

3. Построение годового графика тепловых нагрузок по продолжительности

Режим работы любой ТЭЦ зависит от величины и графика тепловых нагрузок. Технологическое потребление тепла предприятиями осуществляется преимущественно в виде пара, определяется особенностями производства и имеет, как правило, круглогодовой характер, хотя обычно и снижается несколько в летний период. Потребление тепла на отопление и вентиляцию имеет сезонный характер, изменяясь от максимальной величины в зимний период до нуля в летний и определяется температурой наружного воздуха. Потребление же тепла на горячее водоснабжение практически постоянно в течение года. Обычно режимы расходов тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение принято изображать в виде зависимости от наружной температуры и по длительности стояния нагрузок в часах в течение года (годовой график тепловых нагрузок по продолжительности). Строится он следующим образом. По оси абсцисс от начала координат вправо откладывают в произвольном масштабе в часах продолжительность отопительного периода, для Свердловска она будет [I, табл. 6.2]. Далее, то же по оси абсцисс (от начала координат), для нескольких промежуточных температур наружного воздуха (, ,…,+8), в том же масштабе откладывают в часах время (0,, ,…, ,…,), в течение которого наружный воздух имеет температуру, равную или ниже каждой из заданных промежуточных. Расчетные температуры и длительность их стояния за отопительный сезон определяются по [I, табл. 6.4.].

Расчет тепловых нагрузок (,…,), соответствующих температурам наружного воздуха (, ,…,), производится по формуле:

где 16 °C и 18 °C — температуры воздуха внутри производственных помещений и жилых зданий. Построенные графики являются расчетными по которым производится выбор оборудования ТЭЦ.

Таблица 2.

Расчёт тепловых нагрузок:

Результаты вычислений

Расчёт нагрузки на отопление производится по формуле:

МВт;

Рассчитаем нагрузки на отопление:

Расчёт нагрузки на вентиляцию производится по формуле:

МВт;

Рассчитаем нагрузки на вентиляцию:

расчёт нагрузки на горячее водоснабжение:

4.Выбор варианта энергоснабжения промышленно-жилого района

Целью выбора варианта энергоснабжения являются получение основных технико-экономических показателей, включающих расчет капиталовложений в генерирующее оборудование, расчет расхода топлива и топливных затрат на обеспечение выработки электрической и тепловой энергии. Исходными данными для анализа являются величины электрической, и структура отпускаемого потенциала теплоты, по которым выбирается основное оборудование.

4.1 Вариант комбинированного энергоснабжения от ТЭЦ

Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) предназначена для отпуска потребителям двух видов энергии: электрической и тепловой. В течение года ТЭЦ вырабатывает электрическую энергию по двум циклам. Зимой при отпуске теплоты из отборов турбин выработка электроэнергии турбоагрегатами ТЭЦ осуществляется по теплофикационному циклу без энергетических потерь в холодном источнике. В летний и переходный осенне-весенний период выработка электроэнергии на ТЭЦ осуществляется по конденсационному циклу. Причем экономичность такой выработки всегда ниже, чем на конденсационной электростанции с оборудованием такого же класса. Последнее обусловлено снижением КПД проточной части турбин вследствие их конструктивных особенностей.

4.2 Выбор основного оборудования ТЭЦ

Тепловая нагрузка ТЭЦ покрываемая паром:

Где — коэффициент теплофикации ();

— расчетная тепловая нагрузка ТЭЦ;

Выбор турбоагрегатов

Выбираемые турбоагрегаты должны соответствовать трем условиям:

1) Вырабатывать электрическую энергию

2) Покрывать технологическую нагрузку и отпускать пар давления

3) Покрывать отопительную нагрузку

Для этой цели выбираем следующие турбоагрегаты:

1. 1 турбоагрегат ПТ-135-130/15:

1) Электрическая мощность одного турбоагрегата ПТ-135−130/15:

2) Тепловую производственную нагрузку отбора одного турбоагрегата ПТ-135−130/15 вычисляем по формуле:

-номинальная тепловая нагрузка производственного отбора для ПТ-135−130/15 Д_П=88,89 кг/с[1, приложение 1].

— выбирается по H-S диаграмме.

3) Тепловая отопительная нагрузка отбора одного турбоагрегата ПТ-135−130/15 вычисляем по формуле:

-номинальная тепловая нагрузка производственного отбора для ПТ-135−130/15 Д_т=58,33 кг/с[1, приложение 1].

— выбирается по H-S диаграмме.

2. 2 турбоагрегат ПТ-50−130/7:

1) Электрическая мощность ПТ-50−130/7:

2) Тепловая производственная и отопительная нагрузка отбора одного турбоагрегата ПТ-50−130/7 вычисляется аналогично:

Проверка правильности выбора турбоагрегатов:

1. Электрическая мощность всех турбоагрегатов:

Первое условие выполнено.

2. Тепловая производственная нагрузка отборов всех турбоагрегатов:

Табл.4.1 Характеристики выбранных турбоагрегатов

Второе условие выполнено.

3. Тепловая отопительная нагрузка отборов всех турбоагрегатов:

Третье условие выполнено.

Характеристики выбранных турбоагрегатов приведены в табл.4.1

Выбор котельных агрегатов

Тип и единичную мощность котельных агрегатов выбираем исходя из параметров максимального расхода свежего пара с запасом 3% перед турбиной ([1], приложение 1). Выбор котельных агрегатов производим по таблице ([1], приложение 2).

1.Для турбоагрегата ПТ-135−130/15 выбираем два котельных агрегата E-420−140ГМ.

2.Для турбоагрегата ПТ-50−130/7 выбираем котельный агрегат Е-320−140.

Таблица 4.2. Характеристики котлов

Выбор пиковых водогрейных котлов

Выбираемые пиковые водогрейные котлы, которые должны покрывать нагрузку:

;

Исходя из этого, выбираем (по таблице[1], приложение 3) два пиковых водогрейных котла ПТВМ-50 и ПТВМ-100. Характеристики выбранных пиковых водогрейных котлов представлены в таблице 4.3.

Табл.4.3.Характеристики выбранных пиковых водогрейных котлов.

4.3 Определение капитальных вложений в сооружение ТЭЦ

Капиталовложения в сооружение ТЭЦ могут быть определены двумя методами: на основании сметной стоимости оборудования с учетом затрат на строительно-монтажные работы и по удельным капитальным вложениям. Первый метод наиболее точный. Он используется проектными организациями и выполняется с использованием ценников на оборудование, его монтаж и другие виды работ, связанные с сооружением объекта. Второй метод по удельным капиталовложениям широко применяется в оценочных расчетах. В курсовой работе рекомендуется к использованию второй метод.

у.е.,

где — номинальная мощность ТЭЦ, МВт.

Расчет:

у.е./кВт;

МВт.

у.е.

4.4 Определение расхода топлива и основных показателей для варианта энергоснабжения от ТЭЦ

Величина расхода топлива на отпуск электроэнергии от ТЭЦ определяется из выражения:

кг,

где , — полная выработка электроэнергии на тепловом потреблении и конденсационном потоке пара, кВт· ч; , — удельные расходы условного топлива на теплофикационном и конденсационном потоках пара, кг у. т /кВтч.

Полная выработка электроэнергии на тепловом потреблении и конденсационном потоке составляют соответственно:

где и — удельная выработка электроэнергии на теплофикационном и технологическом потреблении, кВтч/ГДж, определяются по [1, рис. 6,4] соответственно по давлению в теплофикационном и технологическом отборах пара; и — количество отработавшей теплоты, отданной соответственно на теплофикационные и технологические нужды,

ГДж,

ГДж,

где и — удельное теплосодержание отработавшего пара соответственно в теплофикационном и технологическом отборах, кДж/кг, кДж/кг; - годовое число часов использования максимума тепловой нагрузки отборов турбин, принимается 5000−6000 часов; и соответственно теплофикационный и промышленный отбор турбины;

Расчет:

ГДж, ГДж, ГДж.

МВт· ч, МВт· ч.

ГДж,

ГДж,

ГДж,

МВт· ч,

МВт· ч.

Удельные расходы условного топлива и находятся:

где — электромеханический КПД турбогенератора,; - коэффициент теплового потока,; - КПД брутто котельного агрегата принимается по его характеристике (приложение 2); - абсолютный внутренний КЦД турбоагрегата, в зависимости от его типа и выработки лежит в пределах 0,36? 0,45.

Расчет:

;;;;

у.т./кВтч;

у.т./кВтч;

кг.

Величина расхода топлива на отпуск тепловой энергии от ТЭЦ определяется с учетом отпуска из отборов турбин пиковых водогрейных котлов из выражения:

кг,

где , — удельный расход условного топлива на выработку тепловой энергии в турбинах ТЭЦ и ПВК, кг у.т./ГДж. Удельные расходы и определяются:

где — КПД пиковой котельной принимается 0,82?0,86 и 0,88?0,92 при работе соответственно на твердом и газомазутном топливе.

Суммарный расход топлива на комбинированный отпуск тепловой и электрической энергии от ТЭЦ составляет:

.

Расчет:

; ;;

ГДж

у.т./ГДж; у.т./ГДж;

кг;

кг.

4.5 Вариант раздельного энергоснабжения от КЭС и котельной

Этот вариант всегда проигрывает варианту энергоснабжения от ТЭЦ по экономичности, то есть расходу топлива на отпуск электрической и тепловой энергии, но отличается меньшими капиталовложениями. Для окончательного выбора варианта энергоснабжения требуется определить капиталовложения в вариант раздельного энергоснабжения и величину расхода топлива по нему.

4.6 Определение капитальных вложений в сооружении КЭС и котельной

Капитальные вложения в строительство КЭС и котельной определяются аналогично предыдущему варианту. Причем величина мощности КЭС принимается несколько завышенной, чем мощности ТЭЦ:

где коэффициент учитывает прирост мощности КЭС на величину дополнительных потерь мощности в ЛЭП в виду большей удаленности КЭС от потребителя, чем ТЭЦ. Для оценочных расчетов можно принять. Различием в потреблении электроэнергии на собственные нужды по раздельному и комбинированному вариантам в оценочных расчетах можно пренебречь. Капиталовложения в строительство КЭС определяются в соответствии с выражением:

у.е.,

где — удельные капиталовложения в сооружения КЭС, у.е./кВт, ориентировочно принимается 1700 у.е.

Расчет:

МВт;

у.е.

Капиталовложения в сооружении отопительных и промышленных котельных находятся:

у.e.,

у.e.,

где — тепловая мощность технологического отпуска пара от ТЭЦ, кВт.

 — удельные капиталовложения в отопительные и промышленные котельные, у.е./кВт, ориентировочно принимается 600 у.е., а -1000 у.е.

Расчет:

у.е.;

МВт;

у.е.

Суммарные капитальные вложения в строительство КЭС и котельных для варианта раздельного энергоснабжения составят:

у.е.,

Расчет:

у.е.

4.7 Определение расхода топлива и основных показателей энергоснабжения по раздельной схеме от КЭС и котельной

Расход топлива на отпуск электрической и тепловой энергии по варианту раздельного энергоснабжения определяется из условия одинакового энергетического эффекта, то есть:

и .

Расчет:

МВт· ч;

ГДж;

Величина расхода топлива на отпуск электроэнергии с шин КЭС может быть определена:

кг,

где — удельный расход условного топлива на выработку электроэнергии, кг у.т./кВт· ч принимается в пределах 0,33…0,36 для твердого топлива, а для газомазутного на 4…5% меньше.

Величина расхода топлива на отпуск теплоты оценивается с учетом отпуска на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение от отопительной котельной и с технологическим паром от промышленной котельной. Эту оценку можно выполнить следующим образом:

кг,

где и — удельный расход условного топлива на выработку тепловой энергии в отопительной и промышленной котельных, кг у.т./ГДж. Величины и определены:

и ,

где; - КПД паровых и водогрейных котлов, ориентировочно = 0,83…0,85, .

Суммарный расход топлива на отпуск электрической и тепловой энергии по раздельному варианту энергоснабжения составит:

.

Расчет:

кг;

у.т./ГДж; у.т./ГДж;

кг, Суммарный расход топлива на отпуск электрической и тепловой энергии по раздельному варианту энергоснабжения составит:

Критерием для выбора варианта энергоснабжения является минимум расчетных затрат по сравниваемым вариантам, определяемый для варианта комбинированного энергоснабжения из выражения:

у.е.

И для варианта раздельного энергоснабжения:

у.е.,

где — нормативный коэффициент окупаемости (- окупаемость капиталовложений за 6.5 лет); - цена топлива у.е./т. у.т.

Расчет:

у.е.;

у.е.

Как видно по результатам, значит, выбираем вариант комбинированного энергоснабжения

5. Построение процесса расширения пара в H-S диаграмме

Целью построения i-s диаграммы процесса расширения пара является определение параметров пара в отборах турбины (ПТ-135−130/15).

Давление в ЦСД и ЦНД принимаем в соответствии с приложением 2 (III) для турбин ПТ-135−130/15.

6. Расчет и выбор сетевой установки для турбины ПТ-135−130/15

Расчет сетевых подогревателей включает определение расхода пара на подогреватели при максимальной тепловой нагрузке выбранной турбины. Отпуск тепла на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение обычно производится по температурному графику подогрева сетевой воды 150/70, где 150 °C и 70 °C — соответственно температура прямой и обратной (возвращаемой на ТЭЦ) сетевой воды.

При наличии нагрузки на горячее водоснабжение снижается на величину. Температурный перепад для нагрева сетевой воды на ТЭЦ оценивается как. Распределение между подогревателями турбины СП1, СП2 и ПВК производится по величине, то есть подогрев сетевой воды за счет отпускаемого тепла из отборов турбины составляет. При двухступенчатой схеме подогрева (рис. 1.2) делится поровну между подогревателями СП1 и СП2. Расход сетевой воды проходящей через систему:

т/ч, Расчет:

°С; °С; ;

°С;

°С;

°С;

т/ч.

где — номинальная нагрузка теплофикационных отборов турбины; кВт; - КПД подогревателей,. Затем используя построенный процесс расширения пара в турбине (рис. 1.1) по и находятся энтальпии пара в отборах и. Предварительно и определяются по температурам насыщения греющего пара и. соответственно в подогревателях СП1 и СП2 пользуясь таблицей насыщения по температурам [2], где и — недогрев в подогревателях СП1 и СП2, принимается соответственно 4…6°С и 3…5 °С. Тепло отпускаемое каждым из подогревателей и расход пара на них и (т/ч) определяются из уравнений тепловых балансов (рис. 1.2 вариант а).

СП1:

;

СП2:

где , — энтальпия конденсата пара поступающего соответственно в СП1 и СП2, кДж/кг, находится из таблиц насыщения. Второй член левой части первого уравнения в варианте б не учитывается.

Выбор сетевых подогревателей производится по величине их поверхности F (приложение 4). Для каждого подогревателя:

м²,

где — подогрев воды в каждом подогревателе, °С: K — коэффициент теплопередачи, равный 3500…3900 Вт/м2°С; - средняя разность температур греющей и нагреваемой среды:

°С.

Расчет:

°С;

°С;

°С;

м².

Выбираем: два ПСГ-1300−3-8−1 + ПСГ-500−3-23

1. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник. /Под общ. ред. В. А. Григорьева и В. И. Зорина. М. Энергоиздат, 1983.-552 и. -(Теплоэнергетика и теплотехника).

2. Ривкин С. Л., Александров А. А, Термодинамические свойства воды и водяного параМ.: Энергия, 1975.

3. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. 5-е изд., перераб. — М.: Энергоиздат, 1982;360 с.

4. Справочное пособие теплотэнергетика электрических станций /Н.П. Волков, А. Д. Качан и др.; Под ред. А. М. Леонкова и Б. В. Яковлева, Минск: Беларусь, 1974.-368 с.