Расчет парогазовой установки
Министерство
образования и науки Российской Федерации
Федеральное
государственное автономное образовательное учреждение
высшего
профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт
Энергетический
Направление
Теплоэнергетика
Кафедра
Теоретической и промышленной теплотехники
Курсовая
работа
Тема “Расчет
парогазовой установки. Тепловой и конструктивный расчет парогенератора высокого
давления ”
по
дисциплине: Специальные курсы по энергетическим системам
Выполнил студент гр. 5БМ3В Габедава
Ц.Б
Проверил преподаватель каф. ТПТ
Логинов В.С.
Томск 2014
г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИНАРНОЙ
ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
. РАСЧЕТ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
.1 Расчет паровой установки
.2 Расчет газовой установки
. ТЕПЛОВОЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ
ПАРОГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
.1 Тепловой расчет парогенератора
.2 Конструктивный расчет
парогенератора2
ВЫВОД
СХЕМА ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы в теплоэнергетику начинают все
более интенсивно внедряться так называемые парогазовые установки, имеющие более
высокую экономичность по сравнению с энергетическими установками, в которых
используется только паровые или газовые циклы. В данной работе произведен
расчет термодинамического цикла бинарной парогазовой установки (ПГУ),
конструктивный и тепловой расчет парогенератора. ПГУ представляют собой
комбинацию паротурбиной и газотурбиной установок и, причем её КПД существенно
выше, чем КПД отдельно взятых паротурбиной и газотурбиной установок. КПД
парогазовой электростанции на 17-20% больше, чем обычной паротурбиной
электростанции. Применение ПГУ ограничивается качеством топлива. Наиболее
подходящим топливом для ПГУ является бессернистый природный газ.
. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИНАРНОЙ ПАРОГАЗОВОЙ
УСТАНОВКИ
Парогазовая установка работает по следующей
схеме (рисунок 1а): воздух из атмосферы (состояние 1) сжимается компрессором
(состояние 2д) и подается в топочное устройство высоконапорного парогенератора
ВПН, где сгорает топливо. Продукты сгорания сначала отдают часть своей теплоты
нагретой до температуры кипения воде и водяному пару, а затем направляется в
газовую турбину (состояние 3), в которой, расширяясь, совершает полезную
работу. Отработавшие газы (состояние 4д) идут в газовый подогреватель ГП и
нагревает в нем конденсат водяного пара до температуры кипения (состояние 10),
после чего выбрасывается в атмосферу (состояние 1/). Кипящая вода из
подогревателя ГП направляется в парогенератор ВПГ, где испаряется и
перегревается (состояние 5). Перегретый пар, отработав в турбине высокого
давления ТВД (состояние 6д), снова перегревается за счет теплоты топочных газов
ВПГ (состояние 7), затем работает а турбине низкого давления ТНД (состояние 8д)
и конденсируется в конденсаторе Кр. Водяной цикл, таким образом, замыкается.
Действительный цикл бинарной парогазовой установки представлен на рисунке 16
[1].
Рисунок 1-Схема (а) и действительный цикл (б)
ПГУ
Параметры по газу: Р1=0,1Мпа; t1=200C;
t3=8000C;
t1/=1200C;
в= Р2/ Р1=8. Газ обладает свойствами воздуха,
теплоемкость газов ср постояная.
Параметры по пару: Р5=2Мпа; t5=5000C;
t7=5400C;
Р6=1 Мпа; Р8=4кПа; t3=3000C.
Работа водяных насосов не учитывается. Внутренний относительный КПД
компрессора, газовой турбины и паровых турбин, соотвественно:зoiк=0,85;
зoiт=0,88;
зoвiт=0,85.
КПД высоконапорного парогенератора ВПГ зПГ=0,85;
Расход водяного пара DВ=40т/ч.
Теплота сгорания топлива Qнр=30МДж/кг.
Расход топлива DТ=15т/ч.
. РАСЧЕТ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
.1 Расчет паровой установки
При Р5=2Мпа и t5=5000C
с температурой насыщения ts=212,380C,
следовательно, пар перегретый. При этих параметрах [2]:
S5=7,434
кДж/(кг·К);
h5=3468,1
кДж/кг.
При Р6=1 Мпа и S5=
S6=7,434
кДж/(кг·К) [2]:
h6=3242,49
кДж/кг.
При Р7= Р6=1 Мпа и t7=5400C
[2]:
s7=7,874
кДж/(кг·К);
h7=3566,15
кДж/кг.
Определим состояние пара при Рк=4кПа
и S7=
S8=7,874
кДж/(кг·К).
S/=0,4224кДж/(кг·К)
и S//=8,4747кДж/(кг·К).
S/<s8<
S//
[2]:, следовательно пар влажный.
Степень сухости пара:
Тогда энтальпия пара:
Расход пара:
Теоретическая мощность ПТУ:
Действительная мощность ПТУ:
.2 Расчет газовой установки
Расход продуктов сгорания Gn найдем из
уравнения теплового баланса для газового подогревателя:
Для этого рассчитаем температуры в
неизвестных точках газового цикла. Температура в точке 4 ( при изобарном
расширении):
Действительная температура находится
из определения внутреннего относительного КПД газовой турбины:
Температура в точке 2 (при изоэнтропном
расширении):
Действительная температура находится
из определения внутреннего относительного КПД компрессора:
Расход продуктов сгорания:
Действительная мощность ГТУ:
Где - действительная мощность газовой
турбины, кВт; -
действительная мощность компрессора, кВт.
Рассчитаем расход топлива. Из
определения КПД парогенератора получаем:
где -полезно используемое тепло в
парогенераторе.
Действительная энтальпия в точке 6д
находится из определения внутреннего относительного КПД пароводяной турбины:
Мощность ПГУ:
Удельный расход топлива на ПГУ:
или
Определим кратность газа по
отношению к воде:
.
Тогда внутренний КПД ПГУ:
Электрический КПД ПГУ:
парогенератор
парогазовый электрический
.
Эксергетический КПД ПГУ:
,
где -испарительная способность топлива,
кг/кг.
.
. РАСЧЕТ ПАРОГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОГО
ДАВЛЕНИЯ
.1 Тепловой расчет парогенератора
При Р=2Мпа ts=t’ж=212,380C, при этой
температуре энтальпия пара h'2=2798,38кДж/кг. На
выходе из пароперегревателя при t''ж=5000C; h''2=3468,1
кДж/кг, отсюда количество воспринимаемой паром теплоты [2]:
.
Среднеарифметическая температура
пара:
.
При этой температуре физические
свойства пара [2]:
Наружный диаметр труб выбираем из
диапазона рекомендуемых значений d1=2,8мм;
задаемся скоростью движения пара .
Поскольку , то режим движения пара внутри трубок турбулентный [5].
Число Нуссельта и коэффициент
теплоотдачи стенки к пару [5]:
Принимаем в
первом приближении теплоемкость газа [3] находим
температуру газов на выходе из пароперегревателя:
Тогда .
При физические свойства для дымовых
газов данного состава [4]:
Число Рейнольдса для потоков газа:
.
где d2=3,2мм;
.
Найдём число Нуссельта и коэффициент
теплоотдачи конвекцией от газов к стенкам труб.
Найдем число Нуссельта и коэффициент
теплоотдачи конвекцией от газов к стенкам труб. В связи с тем, что число рядов
труб вдоль потока неизвестно, расчет ведем для третьего ряда труб. При
коридорном расположении для чистых труб по формуле
[5]:
где
.
Учитываем
результат загрязнения поверхности нагрева некоторым снижением коэффициента
теплоотдачи:
.
Определим
коэффициент теплоотдачи излучением от потоков газа к стенкам труб.
Средняя длина
пути луча:
.
Произведение средней длины пути луча на
парциальное давление двуокиси углерода и водяных паров [5]:
;
Степень черноты дымовых газов при
средней температуре газов находим по
графикам [5]:
.
Эффективная степень черноты оболочки
газового объема вычисляются, исходя из известной степени черноты поверхности
труб ():
.
Для расчета поглощательной
способности газов при температуре поверхности труб принимаем:
.
При этой температуре с помощью тех
же графиков находим :
.
Плотность теплового потока,
обусловленная излучением:
Коэффициент теплоотдачи aл,
обусловленный излучением:
.
Суммарный коэффициент теплоотдачи от
дымовых газов к стенкам труб:
.
Коэффициент теплопередачи.
Так как труба тонкостенная 1,14<1,5,
то с достаточной точностью может быть использована расчетная формула для
плоской однослойной стенки:
,
где
a1 - коэффициент теплоотдачи от
горячего газа к стенкам трубок пароперегревателя, Вт/(м2·0С);
a2 - коэффициент теплоотдачи от стенок
трубок пароперегревателя к пару, Вт/(м2·0С);
di - толщина
стенки трубки или слоя сажи, м;
li -
теплопроводность стенки трубки или слоя сажи, Вт/(м·0С).
.
Из уравнения теплопередачи :
.
Среднелогарифмический температурный напор:
.
Рисунок 2- Среднелогарифмический
температурный напор.
.2 Конструктивный расчет
парогенератора
Число змеевиков: .
Длина каждого змеевика: .
Определим необходимую чистую площадь
сечения для прохождения дымовых газов:
.
Принимаем для прохождения дымовых
газов n + 1 = 149 +
1 = 150
промежутков шириной s3 = s2 - dн = 3 ·dн - dн = 2 ·dн = 2·32=64 мм.
Высота промежутка: а = fгазов/(150*s3)= 2,09/(0,064·150)
= 0,22 м.
Площадь сечения канала
пароперегревателя (с учетом необходимой площади для прохождения дымовых газов и
необходимого количества змеевиков):
.
где, а - высота канала
пароперегревателя. В нашем случае а = 0,22м.
.
b -
минимальная ширина канала пароперегревателя.
Габаритная длина пароперегревателя:
L = (l/a)s2
= (35,6/0,22)·3·0,032
=15,54 м.
ВЫВОД
Использование ПГУ предпочтительнее,
чем использование отдельных установок с газо- или -паротурбинными циклами. ПГУ позволяют достичь электрического КПД в диапазоне 58 - 64 %.
У паросиловых установок КПД , например, находится в диапазоне 33-45 %, для
газотурбинных установок - 28-42 %.
В 2014 году был
введен блок ПГУ на Череповетской ГРЭС. Основное оборудование ПГУ-420 -
одновальная силовая установка в составе газовой (мощностью 280 МВт) и паровой
(140 МВт) турбин и генератора.
Удельный расход
условного топлива (УРУТ) ПГУ-420 - 220,1 г/кВтч (у энергоблоков первой очереди
Череповецкой ГРЭС - 383 г/кВтч), коэффициент полезного действия (КПД)
энергоблока - 55,8% (у первой очереди - 32,1%). С вводом ПГУ-420 прогнозируемый
среднегодовой топливный баланс Череповецкой ГРЭС - 52% уголь, 48% природный
газ.
Благодаря
использованию природного газа, высокому КПД и конструктивным особенностям
парогазовой установки удается достигать значительного улучшения экологических
характеристик. В частности, объем выбросов оксидов азота в десятки раз меньше,
чем у действующих блоков Череповецкой ГРЭС, полностью отсутствуют отходы в виде
твердых частиц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сборник задач по технической
термодинамике; Учеб.пособие/ Т.Н.Андрианова, В.Н.Зубарев.-4-е изд., перераб. И
доп.- М.:Издательство МЭИ, 2000.-356;ил.
. Вукалович М.П., Ривкин С.Л,
Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара.
М.:Издательство стандартов, 1969.-408 с.
. Бухмиров В.В., Ракутина
Д.В., Солнышкова Ю.С. Справочные материалы для решения задач по курсу
«Тепломассообмен» / ГОУ ВПО Ивановский государственный энергетический университет
имени В.И. Ленина». - Иваново, 2009. - 102 с
. Справочник по
теплофизическим свойствам газов и жидкостей; Варгафтик В.Г. М.: Государственное издательство физико-математической
литературы, 1963. - 708 с.
5. Задачник по
теплопередачам; Краснощеков Е.А, Сукомел А.С.; Учебное пособие для вузов. 4-е
изд. перераб. - М.: Энергия, 1980. - 288 с., с ил.