Контрольная работа: Анализ цикла паротурбинной установки

Задание

Паротурбинная установка мощностью N_Э работает при начальных параметрах p₁ , t₁ и конечном давлении пара p_к . Исходные данные для расчётов выбираются по номеру варианта в табл. «Исходные данные».

1. По исходным данным рассчитать характеристические точки идеального и действительного циклов Ренкина. Результаты расчётов представить в табл. 2.

По данным табл. 2 построить в Ts-координатах идеальный и действительный циклы простой ПТУ. Рассчитать основные характеристики циклов, перечисленные в табл. 2.

2. Рассчитать характеристические точки действительного цикла ПТУ с изменённым параметром. Построить в Ts-координатах первоначальный действительный цикл с изменённым параметром.

Построить в hs-диаграмме процессы расширения пара в турбине для первоначального цикла и с изменённым параметром. Рассчитать основные характеристики цикла с изменённым параметром.

3. Рассчитать тепловой и эксергетический балансы действительного цикла простой ПТУ. Построить диаграммы тепловых и эксергетических потоков в установке.

4. Рассчитать основные характеристики установки, работающей по действительному циклу и имеющей n регенеративных подогревателей при давлении в отборах p₁₁₁ , p₁₁₂ , p₁₁₃ . Рассчитать тепловой и эксергетический балансы регенеративного цикла ПТУ. Построить диаграммы тепловых и эксергетических потоков.

Все результаты расчётов представить в сводной табл. 2.

N_Э =110 МВт

р₁ =9 МПа

t₁ =500˚С

р_К =0,010 МПа

η_oi ^T =0,85

η_oi ^H =0,80

η_ка =0,82

Q_H ^P =38 МДж/кг

Δt₁ = +15%

p₁₁₁ =1,0 МПа

p₁₁₃ =0,20 МПа

Расчёт параметров точек идеального и действительного циклов ПТУ

1 – перегретый пар

v₁ =0,0368 м³ /кг

h₁ =3387,3 кДж/кг

s₁ =6,6601 кДж/(кг*К)

2а – влажный насыщенный пар

t₂ =45,81˚C

v^’ _2а =0,0010103 м³ /кг v^’’ _2а =14,671 м³ /кг

h^’ _2а =191,81 кДж/кг h^’’ _2а =2583,9 кДж/кг

s^’ _2а =0,6492 кДж/(кг*К) s^’’ _2а =8,1489 кДж/(кг*К)

x_2a =(s-s’)/(s’’-s’) x_2a =(6,6601-0,6492)/(8,1489-0,6492)=0,801

v_2a =v’_2a *(1-x_2a )+v’’_2a *x_2a v_2a =11,759 м³ /кг

h_2a = h’_2a *(1-x_2a )+h’’_2a *x_2a h_2a =2109,035 кДж/кг

2д – влажный насыщенный пар

η_oi ^T =(h₁ -h’_2д )/(h₁ -h_{2 a} )

h_{2 д} =h₁ - η_oi ^T *(h₁ -h_2a )

h_{2 д} =2300,77 кДж/кг

x_{2 д} =(h_{2 д} -h’_{2 д} )/(h’’_{2 д} -h’_{2 д} ) x_{2 д} =0,882

v_2д =12,940 м³ /кг

s_2д =7,264 кДж/(кг*К)

3 – кипящая жидкость

x₃ =0

v₃ =v’₂ =0,0010103 м³ /кг

h₃ =h’₂ =191,81 кДж/кг

s₃ =s’₂ =0,6492 кДж/(кг*К)

4a – жидкость

s_i =0,5689 кДж/(кг*К) t(s_i )=40˚C

s_{i +1} =0,6996 кДж/(кг*К) t(s_{i +1} )=50˚C

t_4a (s=0,6492)=46,14 ˚C=319,14 K

t_i =40 ˚C v(t_i )=0,0010039 м³ /кг

t_i+1 =50 ˚C v(t_i+1 )=0,0010082 м³ /кг

v_4a (t=46,14)=0,00100654 м³ /кг

t_i =40 ˚C h(t_i )=175,5 кДж/кг

t_i =40 ˚C h(t_i )=217,1 кДж/кг

h(t=46,14)=201,04 кДж/кг

4д – жидкость

η_oi ^H =(h_4a -h₃ )/(h_{4 д} -h₃ )

h_{4 д} =h₃ +(h_4a -h₃ )/ η_oi ^H

h_{4 д} =203,35 кДж/кг

h_i =175,5 кДж/(кг*К)

t(s_i )=40˚C

h_i+1 =217,1 кДж/(кг*К) t(s_i+1 )=40˚C

t_{4 д} (h=203,25)=46,96 ˚C=319,96 K

t_i =40 ˚C

v(t_i )= 0,0010039м³ /кг

t_i+1 =50 ˚C

v(t_i+1 )=0,0010082 м³ /кг

v_{4 д} (t=46,96)=0,0010066 м³ /кг

t_i =40 ˚C

s(t_i )=0,5689 кДж/(кг*К)

t_i+1 =50 ˚C

s(t_i+1 )=0,6996 кДж/(кг*К)

s_4д (t=46,96)=0,6599 кДж/(кг*К)

5 – кипящая жидкость

t₅ =303,35˚C=576,35 K

v₅ =v’₅ =0,0014181 м³ /кг

h₅ =h’₅ =1363,6 кДж/кг

s₅ =s’₅ =3,2866 кДж/(кг*К)

6 – сухой насыщенный пар

t₆ =303,35 ˚C=576,35 K

v₆ =v’’₆ =0,02077 м³ /кг

h₆ =h’’₆ =2742,9 кДж/кг

s₆ =s’’₆ =5,6790 кДж/(кг*К)

паротурбинный установка тепловой эксергетический поток

По рассчитанным данным составляется таблица

Идеальный цикл ПТУ

q₁ =h₁ -h_{4 a} =3387,3-201,04=3186,26кДж/кг

q₂ =h_2a -h₃ =2109,035-191,81=1917,23кДж/кг

l_Т = h₁ -h_2a =3387,3-2109,035=1277,97 кДж/кг

l_H = h_4a -h₃ =201,04-191,81=9,23 кДж/кг

l_ц =l_T -l_H =1277,97-9,23=1268,74 кДж/кг

η_t =(q₁ -q₂ )/q₁ =(3186,26-1917,23)/3186,26=0,3983

D=N₀ /(h₁ -h_2a )=N_э / (h₁ -h_2a )/η_М / η_Г =110/1277,97/0,98/0,99=88,718 кг/с

d_Э =3600*D/N_Э =3600*88,718/110=2,903 кг/(кВт*ч)

Q₁ =D*q₁ =88,718*3186,26=282,679 МВт

q_T =3600*Q₁ /N_Э =3600*282,679/110=9,251 МДж/(кВт*ч)

B=Q₁ /( η_ка *Q_H ^P )=282,679/(0,82*38)=9,072 кг/с

b_Э =3600*B/ N_Э =3600*9,072/110=0,297 кг/(кВт*ч)

Q₂ =q₂ *D=1917,23*88,718=170,093 МВт

η_oi =l_ц ^д /l_ц ^а =1

η_Э =N_Э /Q₁ =110/282,679=0,3891

η_i =(q₁ -q₂ )/q₁ =(3186,26-1917,23)/3186,26=0,3983

Действительный цикл ПТУ

q₁ =h₁ -h_4д =3387,3-203,35=3183,95 кДж/кг

q₂ =h_2д -h₃ =2300,77-191,81= 2108,96кДж/кг

l_Т = (h₁ -h_2а )* η_oi ^T =(3387,3-2109,035)*0,85=1086,53 кДж/кг

l_H = (h_4а -h₃ )/ η_oi ^Н =(201,04-191,81)/0,8=11,54 кДж/кг

l_ц =l_T -l_H =1086,53-11,54=1074,99 кДж/кг

η_t =(q₁ -q₂ )/q₁ =(3183,95-2108,96)/3183,95=0,3376

D=N_i /(h₁ -h_2д )=N_э / (h₁ -h_2д )/η_М / η_Г =110/1086,53/0,98/0,99=104,349 кг/с

d_Э =3600*D/N_Э =3600*104,349/110=3,415 кг/(кВт*ч)

Q₁ =D*q₁ =104,349*3183,95=332,242 МВт

q_T =3600*Q₁ /N_Э =3600*332,242/110=10,873 МДж/(кВт*ч)

B=Q₁ /( η_ка *Q_H ^P )=332,242/(0,82*38)=10,662 кг/с

b_Э =3600*B/ N_Э =3600*10,662/110=0,349 кг/(кВт*ч)

Q₂ =q₂ *D=2108,96*104,349=220,068 МВт

η_oi =l_ц ^д /l_ц ^а =1074,99/1268,74=0,8473

η_Э =N_Э /Q₁ =110/332,242=0,3311

η_i =(q₁ -q₂ )/q₁ * η_oi =(3183,95-2108,96)/3183,95*0,8473=0,2860

N_i =D*(h₁ -h_2д )=104,349*1086,53=113,378 МВт

Расчёт параметров точек цикла ПТУ с измененным параметром

t₁ =500*1,15=575 ˚C=848K

1 – перегретый пар

t_i =570 ˚Cv(t_i )=0,04109 м³ /кг

t_{i +1} =580 ˚Cv(t_{i +1} )= 0,04168м³ /кг

v₁ (t=575)=0,041385 м³ /кг

t_i =570 ˚C s(t_i )=6,8752 кДж/(кг*К)

t_i+1 =580 ˚C s(t_i+1 )= 6,9040 кДж/(кг*К)

s₁ (t=575)=6,8896 кДж/(кг*К)

t_i =570 ˚C h(t_i )=3561,0 кДж/кг

t_i+1 =580 ˚C h(t_i+1 )= 3585,4 кДж/кг

h₁ (t=575)=3573,2 кДж/(кг*К)

2а – влажный насыщенный пар

t₂ =45,81˚C

v^’ _2а =0,0010103 м³ /кг

v^’’ _2а =14,671 м³ /кг

h^’ _2а =191,81 кДж/кг

h^’’ _2а =2583,9 кДж/кг

s^’ _2а =0,6492 кДж/(кг*К) s^’’ _2а =8,1489 кДж/(кг*К)

x_2a =(6,8896-0,6492)/(8,1489-0,6492)=0,832

v_2a =v’_2a *(1-x_2a )+v’’_2a *x_2a

v_2a =12,206 м³ /кг

h_2a = h’_2a *(1-x_2a )+h’’_2a *x_2a

h_{2 a} =2182,03 кДж/кг

2д – влажный насыщенный пар

η_oi ^T =(h₁ -h’_{2 д} )/(h₁ -h_2a )

h_{2 д} =h₁ - η_oi ^T *(h₁ -h_2a )

h_{2 д} =2390,71 кДж/кг

x_{2 д} =(h_{2 д} -h’_{2 д} )/(h’’_{2 д} -h’_{2 д} ) x_{2 д} =0,919

v_2д = 13,483 м³ /кг

s_2д =7,541 кДж/(кг*К)

По рассчитанным данным составляется таблица 2

Действительный цикл ПТУ c измененным параметром

q₁ =h₁ -h_4д =3573,2-203,35=3369,85кДж/кг

q₂ =h_2д -h₃ =2390,71-191,81= 2198,9кДж/кг

l_Т = (h₁ -h_2а )* η_oi ^T =(3573,2-2182,03)*0,85=1182,49 кДж/кг

l_H = (h_4а -h₃ )/ η_oi ^Н =(201,04-191,81)/0,8=11,54 кДж/кг

l_ц =l_T -l_H =1182,49-11,54=1170,95 кДж/кг

η_t =(q₁ -q₂ )/q₁ =(3369,85-2198,9)/3369,85=0,3475

D=N_i /(h₁ -h_2д )=N_э / (h₁ -h_2д )/η_М / η_Г =110/1182,49/0,98/0,99=95,88 кг/с

d_Э =3600*D/N_Э =3600*95,88/110=3,138 кг/(кВт*ч)

Q₁ =D*q₁ =95,88*3369,85=323,101 МВт

q_T =3600*Q₁ /N_Э =3600*323,101/110=10,574 МДж/(кВт*ч)

B=Q₁ /( η_ка *Q_H ^P )=323,101/(0,82*38)=10,369 кг/с

b_Э =3600*B/ N_Э =3600*10,369/110=0,339 кг/(кВт*ч)

Q₂ =q₂ *D=2198,9*95,88=210,831 МВт

η_oi =l_ц ^д /l_ц ^а =1170,9/1268,74=0,923

η_Э =N_Э /Q₁ =110/323,101=0,3405

η_i =(q₁ -q₂ )/q₁ * η_oi =(3369,85-2198,9)/3369,85*0,923=0,3207

N_i =D*(h₁ -h_2д )=95,88*1182,49=113,377 МВт

Тепловой баланс действительного цикла простой ПТУ

Котельная установка

Q=B*Q_H ^P =10,662*38=405,156 МВт

Q₁ =η_ка *Q=0,82*405,156=332,228 МВт

ΔQ_кА =Q-Q₁ =405,156-332,228=72,928МВт

Турбина

Q₁ =Q₂ +N_e +ΔQ_м

Q₂ =D*q₂ =104,349*2108,96=220,068 МВт

N_e =N_Э /η_Г =110/0,99=111,111 МВт

ΔQ_м =Q₁ -Q₂ -N_e =332,228-220,068-111,111=1,049 МВт

Конденсатор

Q₂ =Q₁ - ηi*Q₁ =(1-0,3376)*332,228=220,068 МВт

N_e =N_Э + ΔQ_Г

ΔQ_Г =N_e -N_Э =111,111-110=1,111 МВт

Тепловой баланс

Q=N_Э +Q₂ + ΔQ_Г + ΔQ_м + ΔQ_кА

405,156=110+ 220,068+1,111+1,049+72,928

405,156=405,156

Эксергетический баланс дейстаительного цикла простой ПТУ

Котлоагрегат

E^пв =Е^ка _вх =D*((h_4д -h₀ )-T₀ *(s_4д -s₀ ))=104,349*((203,35-84)-293(0,6599-0,2965))=104,349*

*(119,35-106,4762)=1,343 МВт

E^топ =0,975*B*Q_H ^P =0,975*38*10,662=395,027 МВт

E^ка _вых =D((h₁ -h₀ )-T₀ *(s₁ -s₀ ))=104,349*((3387,3-84)-293(6,6601-0,2965))=104,349*

*(3303,3-1864,5348)=150,134 МВт

ΔE^кА =(E^ка _вх +Е^топ )-Е^ка _вх =1,343+395,027-150,134=246,236 МВт

Турбина

Е^Т _вх =Е^ка _вых

Е^Т _вых =D*((h_2д -h₀ )-T₀ *(s_2д -s₀ ))=104,349*((2300,77-84)-293*(7,264-0,2965))=104,439*

*(2216,77-2041,4775)=18,307 МВт

ΔE^T =( Е^Т _вх - Е^Т _вых )-N_e =150,134-18,307-111,111=20,716 МВт

Генератор

ΔЕ_Г =N_e -N_Э =111,111-110=1,111 МВт

Коденсатор

Е^к _вх = Е^т _вых

Е^К _вых =D*((h₃ -h₀ )-T₀ *(s₃ -s₀ ))=104,349*((191,81-84)-293*(0,6492-0,2965))=104,349*

*(107,81-103,3411)=0,466 МВт

ΔЕ_к = Е^к _вх - Е^к _вых =18,307-0,466-17,841 МВт

Проверка

ΔЕ^к =Q₂ *(1-T₀ /T_K )=220,068*(1-293/318,81)=17,816 МВт

Насос

Е^н _вх = Е^к _вых

Е^н _вых = Е^ка _вх

L_Н =D*(h_4д -h₃ )=104,349*(203,351-191,81)=1,204 МВт

ΔE^H = Е^н _вх -Е^н _вых +L_H =0,466-1,343+1,204=0,327 МВт

Е^топ + Е^пв = N_Э + ΔЕ^ка + ΔЕ^Т + ΔЕ^Г + ΔЕ^К + ΔЕ^Н -L_H

η_ех = N_Э /( Е^топ + Е^пв )=110/(395,027+1,343)=0,2775

ПТУ с регенерацией

p₁ =1 МПа

α₁ *h_П1 +(1- α₁ )* h_р2 = h_р1

α₁ =( h_Р1 –h_Р2 )/( h_П1 + h_Р2 )

α₁ =(762,7-504,7)/(2900-504,7)=0,1077

p₂ =0,2 МПа

α₂ *h_П2 +(1- α₁ - α₂ )* h_р3 = (1- α₁ )*h_р2

α₂ =(1- α₁ )( h_{P 2} - h₃ )/( h_П2 -h₃ )=(1-0,1077)(504,7-191,81)/(2660-

191,81)=0,8923*312,89/2468,19=

=0,1131

l^д _Т =(1- α₁ - α₂ )*( h₁ - h_2д )+ α₁ *( h₁ - h_П1 )+ α₂ *( h₁ - h_П2 )

y₁ =( h_П1 - h_2д )/( h₁ - h_2д )=(2900-2300,77)/(3387,3-

2300,77)=599,23/1086,53=0,5515

y₂ =( h_П2 - h_2д )/( h₁ - h_2д )=(2660-2300,77)/(3387,3-2300,77)=0,3306

l^д _Т =(1- y₁ *α₁ - y₂ *α₂ )*( h₁ - h_2д )=(1-0,5515*0,1077-0,3306*0,1131)*(3387,3-

2300,77)=

=(1-0,05939655-0,03739086)*1086,53=0,981 МДж/кг

D_P =N_i / l^д _Т =113,378/0,981=115,574 кг/с

q₁ = h₁ - h_{P 1} =3387,3-762,7=2,625 МДж/кг

q₂ = (1- α₁ - α₂ )*( h_2д - h₃ )=(1-0,1077-0,1131)*(2300,77-

191,81)=0,7792*2108,96=1,643 МДж/кг

η_i = l^д _Т /q₁ =0,981/2,625=0,3737

Тепловой баланс регенеративного цикла ПТУ

Регенератор

Q_П1 = α₁ *D*( h_п1 - h₃ )=0,1077*115,574*(2900-191,81)=33,710 МДж/кг

Q_П2 = α₂ *D*( h_п2 - h₃ )=0,1131*115,574*(2660-191,81)=32,263 МДж/кг

Q_{P 1} = D*(1- 0)*( h_{P 1} - h₃ )=115,574*(762,7-191,81)=65,980 МДж/кг

Q_{P 2} = D*(1- α₁ )*( h_{P 2} - h₃ )=115,574*(1-0,1077)*(504,7-

191,81)=115,574*0,8923*312,89=

=32,267 МДж/кг

Проверка

Q_{P 1} =Q_П1 +Q_П2

65,980≈33,710+32,263=65,973

Q_{P 2} =Q_П2

32,267≈32,263

Котельный агрегат

Q=B*Q^P _H =Q₁ /η_ка =q₁ *D/ η_ка =2,625*115,574/0,82=369,978 МВт

Q₁ =303,382 МДж/кг

ΔQ_кА =Q- Q₁ =369,978-303,382=65,596 МВт

Турбина

Q₂ =D*q₂ =115,574*1,643=189,888 МВт

N_e =111,111 МВт

ΔQ_м =113,378-111,111=2,267 МВт

Генератор

N_e = N_э + ΔQ_Г

ΔQ_Г = N_e - N_Э =111,111-110=1,111 МВт

Насос

L_H =D*l_H =115,574*11,54=1,334 МВт

Q^ПВ =L_H + Q_{P 1} =1,334+65,980=67,314 МВт

Тепловой баланс

Q+Q_P +L_H = N_Э +Q₂ + ΔQ_кА + ΔQ_М + ΔQ_Г +Q_П1 +Q_П2

369,978+65,98+1,334=110+189,888+65,596+2,267+1,111+33,710+32,263

437,292≈434,835

Эксергетический баланс регенеративного цикла ПТУ

Котельный агрегат

Е^топ =0,975*В* Q^P _H =0,975*369,978=360,729 МВт

Е^пв =Е^ка _вх =D*(h_{P 1} -h₀ -T₀ *(s_{P 1} -s₀ ))=115,574*(762,7-84-293*(2,1384-0,2965))=16,067МВт

Е^ка _вых =D*(h₁ -h₀ -T₀ *(s₁ -s₀ ))=115,574*(3387,3-84-293*(6,6601-0,2965))=166,284 МВт

ΔЕ^кА = Е^топ + Е^пв -Е^ка _вых =360,729+16,067-166,284=210,512 МВт

Турбина

Е^Т _вх =Е^ка _вых

Е^П1 =α₁ * D*(h_П1 -h₀ -T₀ *(s_П1 -s₀ ))=0,1077*115,574*(2900-84-293*(6,84-

0,2965))=11,871 МВт

Е^П2 =α₂ * D*(h_П2 -h₀ -T₀ *(s_П2 -s₀ ))=0,1131*115,574*(2660-84-293*(7,01-

0,2965))=7,960 МВт

Е^Т _вых = Е^к _вх =(1- α₁ - α₂ )*D*(h_2д -h₀ -T₀ *(s_2д -s₀ ))=(1-0,1077-

0,1131)*115,574*(2300,77-84-293*

*(7,264-0,2965))=0,7792*115,574*174,523=15,717 МВт

ΔЕ^Т = Е^Т _вх - Е_П1 - Е_П2 -N_e - Е^к _вх =166,284-11,871-7,96-111,111-15,717=19,625 МВт

Генератор

ΔЕ^Г = N_e - N_Э =111,111-110=1,111 МВт

Конденсатор

Е^Т _вых = Е^к _вх

Е^к _вых =(1- α₁ - α₂ )*D*(h₃ -h₀ -T₀ *(s₃ -s₀ ))= (1-0,1077-

0,1131)*115,574*(191,81-84-293* *(0,6492-

0,2965))=0,7792*115,574*4,4689=0,402МВт

ΔЕ^к =Е^к _вх -Е^к _вых =15,717-0,402=15,315МВт

Теплообменник 2

Е^{Р 2} =(1- α₁ -)*D*(h_P2 -h₀ -T₀ *(s_P2 -s₀ ))=(1-0,1077)*115,574*(504,7-84-

293*(1,5301-0,2965))=

=0,8923*115,574*59,2552=6,111МВт

ΔЕ^П2 =Е^П2 +Е^к _вых -Е^{P 2} =7,96+0,402-6,111=2,251МВт

Теплообменник 1

Е^{P 1} =D*(h_{P 1} -h₀ -T₀ *(s_{P 1} -s₀ ))=115,574*(762,7-84-293*(2,1384-0,2965))=16,067МВт

ΔЕ^П1 =Е^{P 2} +Е^П1 -Е^{P 1} =6,111+11,871-16,067=1,915 МВт

Насос

L_H =D*(h_4д -h₃ )=115,574*(203,35-191,81)=1,334 МВт

ΔЕ^H = L_H + Е^{P 1} -E^пв =1,334+16,067-16,067=1,334 МВт

Эксергетический баланс

Е^топ + Е^{P 1} + L_H = N_Э + ΔЕ^кА + ΔЕ^Т + ΔЕ^Г + ΔЕ^к + ΔЕ^Н + ΔЕ^П1 + ΔЕ^П2 + Е^П1 + Е^П2

360,729+16,067+1,334=110+210,512+19,625+1,111+15,315+1,334+1,915+2,251+11,871+7,96

378,13≈381,894

η_ех = N_Э /( Е^топ + Е^пв + L_H )=110/(360,729+16,067+1,334)=0,2909

По рассчитанным данным составляется таблица 3

Вывод

Одним из способов повышения тепловой эффективности паросиловых установок является использование регенеративного цикла – цикла с использованием теплоты пара, частично отработавшего в турбине, для подогрева питательной воды. Регенеративный подогрев увеличивает термический КПД цикла ПТУ и снижает потери теплоты в конденсаторе турбины с охлаждающей водой.

Список использованной литературы

1. Анализ цикла паротурбинной установки. Методические указания по выполнению курсовой работы, Новосёлов И.В. , Кузнецова В.В. Уфимский государственный нефтяной технический университет, 1999.