 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ УТИЛИЗАЦИОННОГО
ПАРОГЕНЕРАТОРА (УПГ), РАСЧЕТ ЦИКЛА И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПАРОТУРБИННОГО БЛОКА В СОСТАВЕ КОГЕНЕРАЦИОННОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
1.1 Постановка задачи
Бросовую теплоту отработавших газов газотурбинной установки (ГТУ), которая имеет довольно высокий уровень эксергии, целесообразно использовать (утилизировать) в специальной паротурбинной установке (ПТУ) (см. рис. 1.1). В утилизационном парогенераторе (УПГ) энергия отработавших газов ГТУ в форме теплоты передается воде и затрачивается на ее нагрев, испарение и перегрев до максимально возможной температуры  с целью достижения наибольшей экономичности ПТУ для выработки электроэнергии(см. рис. 1.2).
Используя данные раздела 3 курсовой работы, необходимо спроектировать утилизационную паротурбинную установку для нужд компрессорной станции.
Рисунок 1.1 – Принципиальная схема и цикл утилизационной ПТУ:
УПГ – утилизационный парогенератор; КД – конденсатор; ПН – питательный насос; Т – паровая турбина; ЭГ – электрогенератор
 Рисунок 1.2 – Цикл утилизационной ПТУ в T,s
– координатах
Исходные данные:
 – массовый расход выхлопных газов ГТУ (см. раздел 3 курсовой работы);
 - эффективная мощность ГТУ(см. раздел 3 курсовой работы);
 - эффективный КПД ГТУ(см. раздел 3 курсовой работы);
 – температура отработавших газов ГТУ (см. раздел 3 курсовой работы);
 – располагаемый температурный напор в пароперегревателе, (принимаем  0
С);
 – температура пара на входе в турбину;
 – располагаемый температурный напор в испарителе, (принимаем  0
С);
 давление пара на входе в турбину, (принимаем  );
 давление в конденсаторе;
 средняя массовая изобарная теплоемкость выхлопных газов ГТУ;
 – относительный внутренний КПД турбины и насоса соответственно;
 механический КПД ПТУ;
 КПД электрогенератора;
 коэффициент теплоиспользования УПГ.
1.2.
Термодинамическая модель цикла ПТУ
1.2.1.
Рассмотрим первый закон термодинамики для открытой термодинамической системы применительно к элементам ПТУ
 ,
где q
вн
– удельная теплота, которой система обменивается с окружающей средой, Дж/кг;
h
1
,
h
2
– удельная энтальпия рабочего тела на входе и выходе , Дж/кг;
l
тех
– удельная техническая работа, Дж/кг;
с 1
, с 2
–
скорость потока рабочего тела на входе и выходе;
Н 1
, Н 2
– уровень сечения потока, отсчитанный от нулевой горизонтали на входе и выходе, м;
g
– ускорение свободного падения, м/с 2
.
1) Для турбины (процесс 1-2):
Допущения.
Процесс адиабатный, следовательно    
Тогда:
 - удельная техническая работа турбины, Дж/кг.
2) Для насоса (процесс 3-4):
Процесс адиабатный, следовательно   
Тогда:
 - удельная техническая работа насоса, Дж/кг.
Рассмотрим закон сохранения механической энергии:
Для насоса (процесс 3-4):
 
 - удельная работа действительного насоса.
Для идеального насоса (процесс 3-4 s ):
 - удельная работа идеального насоса.
Тогда:
 .
3) Для УПГ (процесс 4-И’-И’’-1):
Допущения:
  
 ,
где  - удельная теплота, подводимая к воде в экономайзере;
 - удельная теплота, подводимая к рабочему телу в испарителе;
 - удельная теплота, подводимая в пароперегревателе.
Тогда:
 удельная теплота, подведенная в УПГ, Дж/кг.
4) Для конденсатора (процесс 2-3)
:
Допущения:
   
 удельная теплота, отводимая в конденсаторе, Дж/кг.
1.2.2.
Относительные внутренние КПД:
- для турбины:
 ;
где  - удельная работа турбины в изоэнтропном процессе 1-2 s (удельная работа идеальной турбины), Дж/кг;
- для насоса: 
1.2.3.
Удельная внутренняя работа цикла
1.2.4.
Внутренний КПД цикла
1.2.5.
Термический КПД цикла Ренкина
 .
1.3 Расчет параметров цикла ПТУ
Расчет параметров цикла производится с помощью h , S - диаграммы водяного пара и таблицы термодинамических свойств воды и пара в состоянии насыщения.
По h , S - диаграмме находим точку 1 по давлению  и температуре  0
С. Для этой точки  3230 кДж/кг (удельная энтальпия пара на входе в турбину),  (удельная энтропия пара на входе в турбину).
Рассмотрим процесс 1-2 s . Для этого процесса  . Точка 2 s находится на пересечении изоэнтропы  и изобары  . Для этой точки  кДж/кг - удельная энтальпия пара на выходе из турбины в изоэнтропном процессе 1-2s.
Находим точку 2. Из уравнения для относительного внутреннего КПД  определим
 - удельная энтальпия пара на выходе из турбины в действительном процессе 1-2.
Точка 2 находится на пересечении лини  и изобары . Для этой точки  .
Определение параметров в точке 3. Эти параметры определяются из таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения при  .
Из таблицы:  - температура воды на входе в насос;
h,s-
диаграмма водяного пара
 Таблица термодинамических свойств воды и пара в состоянии насыщения (по давлениям)
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
| 0,001 |
6,9 |
0,001 |
130,0 |
29,2 |
2513,4 |
0,1054 |
8,975 |
| 0,002 |
17,5 |
0,001 |
67,2 |
73,4 |
2533,1 |
0,2609 |
8,722 |
| 0,003 |
24,1 |
0,001 |
45,8 |
100,9 |
2545,3 |
0,3546 |
8,576 |
| 0,004 |
28,9 |
0,001 |
34,9 |
121,3 |
2553,7 |
0,4225 |
8,473 |
| 0,005 |
32,9 |
0,001 |
28,2 |
137,8 |
2560,9 |
0,4761 |
8,393 |
| 0,010
|
45,8
|
0,001
|
14,7
|
191,8
|
2583,9
|
0,6492
|
8,149
|
| 0,020 |
60,1 |
0,001 |
7,6 |
251,5 |
2609,2 |
0,8321 |
7,907 |
| 0,050 |
81,3 |
0,001 |
3,2 |
340,5 |
2645,2 |
1,0910 |
7,593 |
| 0,100 |
99,6 |
0,001 |
1,7 |
417,5 |
2674,9 |
1,3026 |
7,360 |
| 0,120 |
104,8 |
0,001 |
1,4 |
439,3 |
2683,6 |
1,3606 |
7,298 |
| 0,140 |
109,3 |
0,001 |
1,2 |
458,4 |
2790,1 |
1,4109 |
7,246 |
| 0,160 |
113,3 |
0,001 |
1,1 |
475,4 |
2796,3 |
1,4550 |
7,202 |
| 0,180 |
116,9 |
0,001 |
0,98 |
490,7 |
2706,8 |
1,4943 |
7,163 |
| 0,200 |
120,2 |
0,001 |
0,89 |
504,7 |
2707,8 |
1,5302 |
7,127 |
| 0,300 |
133,5 |
0,001 |
0,61 |
561,7 |
2725,5 |
1,672 |
6,992 |
| 0,500 |
151,8 |
0,001 |
0,35 |
640,1 |
2748,8 |
1,860 |
6,822 |
| 0,600 |
158,8 |
0,001 |
0,31 |
670,5 |
2757,1 |
1,931 |
6,761 |
| 0,700 |
164,9 |
0,001 |
0,27 |
697,2 |
2764,5 |
1,992 |
6,709 |
| 0,800 |
170,4 |
0,001 |
0,24 |
720,9 |
2769,3 |
2,046 |
6,663 |
| 0,900 |
175,3 |
0,001 |
0,21 |
742,8 |
2774,8 |
2,094 |
6,623 |
| 1,00 |
179,9 |
0,001 |
0,19 |
762,4 |
2777,7 |
2,183 |
6,587 |
| 1,10 |
184,0 |
0,001 |
0,18 |
781,3 |
2781,2 |
2,179 |
6,554 |
| 1,20 |
187,9 |
0,001 |
0,16 |
798,4 |
2784,6 |
2,216 |
6,523 |
| 1,30 |
191,6 |
0,001 |
0,15 |
814,6 |
2787,4 |
2,251 |
6,495 |
| 1,40 |
195,0 |
0,001 |
0,14 |
830,0 |
2789,7 |
2,284 |
6,469 |
| 1,50 |
198,3 |
0,001 |
0,13 |
844,5 |
2791,8 |
2,314 |
6,445 |
| 2,00
|
212,4
|
0,001
|
0,10
|
908,6
|
2799,2
|
2,447
|
6,340
|
 - удельный объем воды на входе в насос;
 - удельная энтальпия воды на входе в насос;
 - удельная энтропия воды на входе в насос.
Определение параметров точки 4.
 - удельный объем воды на выходе из насоса.
Из уравнения для относительного внутреннего КПД насоса:  , определяем:  - удельная энтальпия на выходе из насоса.
Так как  ,
где  - массовая теплоемкость воды,
 .
Изменение удельной энтропии в насосе:
 - удельная энтропия на выходе из насоса,
 .
Параметры в точке И’ определяются из таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения при  .
Из таблицы:
 - температура воды на входе в испаритель;
 - удельный объем воды на входе в испаритель;
 - удельная энтальпия воды на входе в испаритель;
 - удельная энтропия воды на входе в испаритель.
Параметры в точке И’’ определяются из таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения при .
Из таблицы:
 - температура сухого насыщенного пара на выходе из испарителя;
 - удельный объем сухого насыщенного пара на выходе из испарителя;
 - удельная энтальпия сухого насыщенного пара на выходе из испарителя;
 - удельная энтропия сухого насыщенного пара на выходе из испарителя.
1.4 Определение показателей утилизационной ПТУ.
Удельная работа идеального насоса :
Удельная работа действительного насоса :
Удельная работа идеальной турбины :
Удельная работа действительной турбины :
Внутренняя удельная работа цикла :
Термический КПД обратимого цикла Ренкина:
Внутренний КПД цикла :
Эффективный КПД цикла :
Определение массового расхода пара (паропроизводительности УПГ), m п
, кг/с. Рассмотрим уравнение теплового баланса для испарителя и пароперегревателя:
 ,
где  температура выхлопных газов в ГТУ перед испарителем, 0
С:
 0
С.
Тогда:
 кг/с.
Определение температуры выхлопных газов после УПГ,  .
Рассмотрим уравнение теплового баланса для экономайзерной секции (подогреватель воды) :
Тепловая мощность УПГ :
Эффективная мощность ПТУ :
Общий эффективный КПД комбинированной парогазовой установки (ПГУ) :
Таблица 1.1 – Основные параметры цикла и показатели ПТУ
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
| 0
С |
МПа
|
МПа
|
кДж/кг |
кДж/кг |
кДж/кг |
кДж/кг |
МВт |
кг/с |
| 3 92.8 |
2
|
0,01
|
3 230 |
2495 |
191,8 |
735 |
2,653 |
732.347 |
11.45 |
16.1 |
0,2 41 |
0,2 34 |
0,3 38 |
Вывод.
Использование комбинированных ПГУ (комбинированные циклы ПТУ и ГТУ) позволяет повышать эффективность использования энергии. В расчете определили, что КПД комбинированной ПГУ , что выше КПД ГТУ  и КПД цикла ПТУ  . Следовательно, можно сделать вывод о выгодности использования установок данного типа.
Изображение цикла ПТУ в p , v -координатах:
Изображение цикла ПТУ в T , S -координатах:
Изображение цикла ПТУ в h , S -координатах:
|
