Расчет цикла паротурбинной установки

РАСЧЕТ ЦИКЛА ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Для паротурбинной установки, работающей по обратимому (теоретическому) циклу Ренкина, расчетом определить:

v параметры воды и пара в характерных точках;

v количество тепла, подведенного в цикле;

v работу, произведенную паром в турбине;

v работу, затраченную на привод питательного насоса;

v работу, совершенную в цикле;

v термический КПД цикла;

v теоретические расходы пара и тепла на выработку электроэнергии.

1. У работает на сухом насыщенном паре с начальным давлением P1=15 МПа, P2=5 КПа

Схема паротурбинной установки:

ПТ — паровая турбина;

ЭГ — электрогенератор;

К — конденсатор;

ПН — питательный насос;

ПГ — парогенератор.

Для определения параметров рабочего тела в характерных точках в теоретическом цикле Ренкина воспользуюсь PV, TS и HS диаграммами, которые схематично изображены ниже. По ним легко видеть, какие параметры меняются, а какие нет.

1−2 — адиабатическое расширение пара в турбине;

2−3 — изобарно-изотермический процесс конденсации пара (P2=const, t2=const) ;

3−4 — адиабатное сжатие воды в насосе (можно считать и изохорным);

4−5 — изобарный процесс подогрева;

5−1 — изобарно-изотермический процесс парообразования в парогенераторе.

Параметры рабочего тела в характерных точках цикла приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры точек 1,3,5 беру из таблицы.

Параметры точки 4 рассчитываю:

Дh₃₋₄=V₃(P1-P2)=0.1 0052(15 000−5)=15.037

h₄=h3+ Дh₃₋₄=137.77+15.037=152.843 кДж/кг*к

t4=h4/Cp=152.843/4.19=36.48 ⁰C

Параметры точки 2 рассчитываю:

X=(S2-S`)/(S``-S`)=(5.3122−0.4762)/(8.396−0.4493)=0.611

V2=X2*V``=0.611*38.196=17.685 м³/кг

h2=h`+X2(h``-h`)=137.77+0.611(2557.65−137.77)=1619.428 кДж/кг Теплоту q1, подведенную в процессах 4−5-1 определю по изменению энтальпии:

q1=h1-h4=2611.6 — 152.843=2458.7 кДж/кг Отвод теплоты в конденсаторе:

q2=h2-h3=1619.4 — 137.77=1481.65 кДж/кг Работа, совершенная паром в турбине при адиабатном расширении определяется величиной располагаемого теплового перепада:

l_т=H_p=h1-h2=2611.6−1619.4=992.17 кДж/кг Работа, затраченная на сжатие в насосе:

l_H=V`*(P1-P2)= 0.1 0052(15 000−5)=15.07 кДж/кг Полученная работа в цикле:

l_ц=l_т-l_h=992.17−15.07=997.099 кДж/кг Термический КПД цикла Ренкина:

з=l_ц/q1=997.099/2458.75=0.397

Теоретический удельный расход пара, необходимый для выработки 1 кВтч электроэнергии:

d0=3600/Hp=3600/992.17=3.628 кг/кВтч Теоретический удельный расход тепла, необходимый для выработки 1 кВтч электроэнергии:

q0=d0*q1=3.628*2458.75=8921.4 кДж/кВтч

2. ПТУ работает на перегретом паре до температуры t1=550 ⁰С при давлении P1=15 МПа

Схема паротурбинной установки:

ПТ — паровая турбина;

ЭГ — электрогенератор;

К — конденсатор;

ПН — питательный насос;

ПГ — парогенератор;

ПП — пароперегреватель.

Для определения параметров рабочего тела в характерных точках в теоретическом цикле Ренкина воспользуюсь PV, TS и HS диаграммами, которые схематично изображены ниже. По ним легко видеть, какие параметры меняются, а какие нет.

1−2 — адиабатическое расширение пара в турбине;

2−3 — изобарно-изотермический процесс конденсации пара (P2=const, t2=const) ;

3−4 — адиабатное сжатие воды в насосе (можно считать и изохорным);

4−5 — изобарный процесс подогрева;

5−6 — изобарно-изотермический процесс парообразования в парогенераторе;

6−1 — изобарный процесс перегрева пара.

Параметры рабочего тела в характерных точках цикла приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Теплоту q1, подведенную в процессах 4−5-1 определю по изменению энтальпии:

q1=h1-h4=3455 — 152.843=3302.157 кДж/кг Отвод теплоты в конденсаторе:

q2=h2-h3=1992.538 — 137.77=1854.77 кДж/кг Работа, совершенная паром в турбине при адиабатном расширении определяется величиной располагаемого теплового перепада:

l_т=H_p=h1-h2=3455−1992.538=1462.462 кДж/кг Работа, затраченная на сжатие в насосе:

l_H=V`*(P1-P2)= 0.1 0052(15 000−5)=15.07 кДж/кг Полученная работа в цикле:

l_ц=l_т-l_h=1462.462−15.07=1447.389 кДж/кг Термический КПД цикла Ренкина:

з=l_ц/q1=1447.389/3302=0.438

Теоретический удельный расход пара, необходимый для выработки 1 кВтч электроэнергии:

d0=3600/Hp=3600/1462.462=2.462 кг/кВтч Теоретический удельный расход тепла, необходимый для выработки 1 кВтч электроэнергии:

q0=d0*q1=2.462*3302=8128.6 кДж/кВтч

3. ПТУ работает на перегретом паре t1=550 ⁰C P1=15 МПа, но при этом применяется вторичный перегрев до параметров t_n=540 ⁰C, P_n=5 МПа

Схема паротурбинной установки:

ПТ — паровая турбина;

ЭГ — электрогенератор;

К — конденсатор;

ПН — питательный насос;

ПГ — парогенератор;

ПП — пароперегреватель;

ВПП — вторичный пароперегреватель .

Для определения параметров рабочего тела в характерных точках в теоретическом цикле Ренкина воспользуюсь PV, TS и HS диаграммами, которые схематично изображены ниже. По ним легко видеть, какие параметры меняются, а какие нет.

1-a — адиабатическое расширение пара в турбине;

a-b — изобарный процесс вторичного перегрева пара;

b-2 — адиабатическое расширение пара в турбине;

2−3 — изобарно-изотермический процесс конденсации пара (P2=const, t2=const) ;

3−4 — адиабатное сжатие воды в насосе (можно считать и изохорным);

4−5 — изобарный процесс подогрева воды в парогенераторе;

5−6 — изобарно-изотермический процесс парообразования в парогенераторе;

6−1 — изобарный процесс перегрева пара в парогенераторе. Параметры рабочего тела в характерных точках цикла приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Теплоту q1, подведенную в процессах 4−5-1 определю по изменению энтальпии:

q1=(h1-h4)+(h_b-h_a)=(3455 — 152.843)+(3546.2−2872)=3893.357 кДж/кг Отвод теплоты в конденсаторе:

q2=h2-h3=2228.452 — 137.77=2090.682 кДж/кг Работа, совершенная паром в турбине при адиабатном расширении определяется величиной располагаемого теплового перепада:

l_т=H_p=(h1-h2)+(h_b-h_a) =(3455−2228.452)+(3546−2872)=1817.748 кДж/кг Работа, затраченная на сжатие в насосе:

l_H=V`*(P1-P2)= 0.1 0052(15 000−5)=15.07 кДж/кг Полученная работа в цикле:

l_ц=l_т-l_h=1817.748−15.07=1802.675 кДж/кг Термический КПД цикла Ренкина:

з=l_ц/q1=1802.675/3893.357=0.463

Теоретический удельный расход пара, необходимый для выработки 1 кВтч электроэнергии:

d0=3600/Hp=3600/1817.748=1.98 кг/кВтч Теоретический удельный расход тепла, необходимый для выработки 1 кВтч электроэнергии:

q0=d0*q1=1.98*3893.357=7710.685 кДж/кВтч Сравнение рассчитанных результатов представлена в сводной таблице.

Сводная таблица

Вывод

Таким образом, при сравнении результатов расчетов, приведенных в сводной таблице, легко заметить, что установки с вторичным перегревом пара имеют больший КПД. Так же из-за большей сухости пара продлевается срок службы частей турбины в связи с меньшим износом. Уменьшаются энергозатраты на выработку 1 кВт/ч энергии и затраты пара. Экономически выгоднее использовать третий вариант.

1. Ривкин С. Л., Александров А. А Термодинамические свойства воды и водяного пара: Справочник.- М.: Энергоатомиздат, 1984

2. Драганов Б. Х. и др. Теплотехника и применение теплоты в сельском хозяйстве.- М.: Агропромиздат, 1990.