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: