Циклы паросиловых установок реферат
Обновлено: 08.07.2024
Расчет эффективности работы паросилового цикла Ренкина. Определение параметров состояния рабочего тела в различных точках цикла. Оценка потери энергии и работоспособности в реальных процесса рабочего тела. Эксергетический анализ исследуемого цикла.
Краткое сожержание материала:
Содержание
1.1 Схема паросилового цикла Ренкина с перегревом пара
1.2 Термодинамические процессы
2. Задание на проектирование
2.1 Данные для расчета
2.2 Агрегатное состояние рабочего тела
3. Расчет параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла
4. Расчет потерь энергии (работоспособности) рабочего тела в процессах цикла (элементах установки)
5. Эксергетический анализ исследуемого цикла
1. Введение
Ренкина цикл, идеальный термодинамический цикл (Круговой процесс), в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту); принимается в качестве теоретической основы для приближённого расчёта реальных циклов, осуществляемых в паросиловых установках (энергетическая установка, обычно состоящая из паровых котлов (парогенераторов) и паровых двигателей (паровых машин или паровых турбин) для пароходов, паровозов, паровых автомобилей или электрических генераторов (тепловых и атомных электростанций).Назван по имени У. Дж. Ранкина, одного из создателей технической термодинамики.
Известно, что большая часть мировых энергетических ресурсов направляется на выработку электроэнергии и работу транспорта, где бесчисленное количество тепловых преобразователей энергии, превращают их в полезную работу. Эффективность преобразователей энергии, к которым относятся двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные, паротурбинные и другие энергетические установки, способна снизить не только экономические, но и экологические проблемы, что заставляет постоянно совершенствовать их конструкцию.
1.1 Схема паросилового цикла Ренкина с перегревом пара
Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом паросиловых установок, применяемой в современной теплоэнергетике. В качестве рабочего тела используется водяной пар. Перегретый пар с параметрами состояния точки 1() поступает в турбину Т, в которой ,расширяясь, производит полезную работу. Полученная механическая работа турбины преобразуется генератором Г в электрическую энергию. Обработанный пар с параметрами состояния точки 2 или подается в конденсатор К, в котором конденсируется до состояния жидкости отдавая теплоту охлаждающей воде ОВ.
КА - котлоагретат (котел КО и пароперегреватель ПП);
ОВ - охлаждающая вода;
паросиловой цикл ренкин энергия
Из конденсатора жидкость (вода), с параметрами точки поступает в насос Н, который повышает ее давление и попадает в котлоагрегат КА с параметрами состояния точки 3 и За счет теплоты сгорания в топке котла топлива (угля, мазута или газа) к жидкости подводиться теплота и жидкость нагревается до состояния насыщения (точка 4) и кипит, превращаясь в пар(точка 5)в котле КО .Насыщенный водяной пар поступает в пароперегреватель ПП, где нагревается выше температуры насыщения при заданном давлении(точка) и направляется по паропроводу в турбину.
1.2 Термодинамические процессы
T-S диаграмма холодильного цикла
Термодинамический цикл этого теплового двигателя производится меду двумя изобарами - изобарой отвода тепла в конденсаторе (2'-2-2д)и и изобарой подвода тепла в котлоагрегате (3-3д-4-5-) как показано на рис. 2.
2. Задание на проектирование
Произвести расчет эффективности работы цикла Ренкина, рассчитать параметры состояния рабочего тела в различных точках цикла, определить потери энергии и работоспособности в реальных процессах рабочего тела и в элементах оборудования, а также всей установки в целом.
2.1 Данные для расчета
2.2 Агрегатное состояние рабочего тела
Точка 1 - перегретый пар
Точка 1 -сухой перегретый пар
Точка 2 - влажный пар
Точка - жидкость (вода)
Точка - сухой насыщенный пар
Точка 2д - влажный пар
Точка 3 - насыщенная жидкость
Точка - нагретая жидкость
Точка 4 - кипящая вода
Точка 5 - сухой насыщенный пар
3. Расчет значений основных параметров состояния в характерных точках цикла
Точка 1
t1=[(550-500)/(3500-3374)*(3466,34-3374)]=536,6, 0 С
V1= [(0.003561-0.03277)/(3500-3374)]*(3466.34-3374)+0.03277=0.03485, м 3 /кг
Точка 2
t2 получаем из таблицы 1(Приложение 3),при заданном давлении
V2= 34, 80 *078+121,4 * (1-0,78)=53,85, м 3 /кг
x= = (S-S)/(S- S)= (6,715-0,4224)/(8,475-0,4224)=0,78
i2 = 2554 *0,78+121,4(1-0,78)= 2018,8 кДж/кг
Точка 2
V2д=(34,80-0,001004)0,86+0,001004=29,92810 -3 , м 3 /кг
Точка 2
Параметры состояния рабочего тела в точках 2 , 2 находятся из таблиц насыщенного водяного пара (таблица 1 приложения) :
Точка 2
V=34.8010 -3 , м 3 /кг
Точка 3
Параметры состояния жидкости после сжатия в насосе(точки 3 и 3 ) определяются по таблицам для воды и перегретого водяного пара (таблица 2 приложения):
По известному давлению P3=10,МПа
t=[(40-20)/(0,5682-0,2942)]*(0,4224-0,2942)+20= 29,36 , 0 С
Точка 3
t = [(40-20)/ (176,3-93,2)]*(133,82- 93,2)+20= 29,78 , 0 С
Проектирование тепловых электрических станций
Проектирование цикла тепловых электрических станций: паросиловой цикл Ренкина, анализ процесса трансформации. Регенеративный цикл паротурбинной устано.
Основные операции паросилового цикла Ренкина
Пар большого давления и температуры подается в сопловые аппараты турбины, где происходит превращение потенциальной энергии пара в кинетическую энергию.
Циклические алгоритмы
Алгоритмы содержащие команды повторения, называют циклическими. Команды повторения составляют цикл. Цикл - это такая форма организации действий, при к.
Забіла Н. Вибрані твори у 4 томах. Том 3
Цикл оповідань `В казках і в житті`, цикл оповідань `Ясочка`, повість `Катруся вже велика`, цикл фантастичних оповідань `Д.
Цикл Карно
Коэффициент полезного действия тепловой машины. Цикл Карно идеального газа. Цикл Отто, Дизеля и Тринкеля. Второе начало термодинамики. Энтропия обрати.
В современной теплоэнергетике широко используются паросиловые установки. Наибольшее распространение получили стационарные паротурбинные установки (ПТУ) тепловых электрических станций (ТЭС), на долю которых приходится более 80% вырабатываемой в стране электроэнергии.
Эти установки работают по циклу, предложенному шотландским инженером и физиком Ренкиным. В качестве рабочего тела в цикле используют водяной пар, который в различных элементах схемы ПТУ изменяет своё состояние вплоть до полной конденсации. В области близкой к сжижению свойства паров сильно отличаются от идеального газа, что исключает возможность применения уравнений и законов идеальных газов для паров. В этом случае процессы и циклы рассчитывают при помощи таблиц и диаграмм водяного пара.
Целью данной работы является более глубокое самостоятельное изучение студентами раздела "Цикла паровых установок".
Студенты должны овладеть навыком работы с hs – диаграммой и таблицей свойств водяного пара, научится определять по ним параметры пара различного состояния, уметь исследовать и анализировать циклы с помощью диаграмм.
Для паротурбинной установки (ПТУ), работающей по обратимому (теоретическому) циклу Ренкина, расчетом определить:
- параметры воды и пара в характерных точках цикла,
- количества тепла, подведенного в цикле,
- количество отведенного тепла в цикле
- работу, произведенную паром в турбине
- работу, затраченную на привод питательного насоса,
- работу, совершенную в цикле
- термический КПД цикла,
- теоретические удельные расходы пара и тепла на выработку электроэнергии.
Расчет выполнить при заданных параметрах острого пара в перед турбиной и одинаковом значении давления пара в конденсаторе Р2 для четырех случаев:
1) ПТУ работает на сухом насыщенном паре с начальным давление Р1;
2) ПТУ работает на перегретом паре с начальными параметрами Р1, t1
3) ПТУ работает на перегретом паре начальным давлением Р1 и t1, но при этом используется вторичный перегрев пара до температуры tn при давлении Рn.
4) ПТУ работает на перегретом паре с давлением P1 и t1 , но при этом используется регенерация с одним отбором пара при давлении отбора Pотб .
В паросиловых установках в качестве рабочего тела используются пары различных жидкостей (вода, ртуть и т. п.), но чаще всего водяной пар.
В паровом котле паросиловой установки (1) за счет подвода теплоты Q1, получаемой за счет сгорания топлива в топке, образуется пар при постоянном давлении р1 (рис. 33). В пароперегревателе (2) он дополнительно нагревается и переходит в состояние перегретого пара. Из пароперегревателя пар поступает в паровой двигатель (3) (например, в паровую турбину), где полностью или частично расширяется до давления р1 с получением полезной работы L1. Отработанный пар направляется в холодильник-конденсатор (4), где он полностью или частично конденсируется при постоянном давлении р2. Конденсация пара происходит в результате теплообмена между отработавшим паром и охлаждающей жидкостью, протекающей через холодильник-конденсатор (4).
После холодильника сконденсированный пар поступает на вход насоса (5), в котором давление жидкости повышается с величины р2 до первоначального значения р1 после чего жидкость поступает в паровой котел (1). Цикл установки замыкается. Если в холодильнике (4) происходит частичная конденсация отработавшего пара, то в паросиловой установке вместо насоса (5) используется компрессор, где давление пароводяной смеси также повышается с р2 до р1. Однако для того, чтобы уменьшить работу на сжатие, целесообразно полностью сконденсировать пар в конденсаторе и затем сжимать не пароводяную смесь, а выходящую из конденсатора воду. Описанный цикл паросиловой установки называется циклом Ренкина (рис. 34).
Цикл Ренкина состоит из изобары (4–1), где подводится теплота в нагревателе, адиабаты (1–2) расширения пара в паровой турбине, изобары (2–3) отвода теплоты в холодильнике-конденсаторе и изохоры (3–4) повышения давления воды в насосе. Линия (4–а) на изобаре соответствует процессу повышения температуры жидкости после насоса до температуры кипения при давлении р1. Участок (a–b) соответствует превращению кипящей жидкости в сухой насыщенный пар, а участок (b–1) – процессу подвода теплоты в пароперегревателе для превращения сухого насыщенного пара в перегретый.
Рис. 34. Цикл Ренкина в координатах p-v (а) и Т-s (б)
Работа, совершаемая паром в турбине, равна разности энтальпий пара до и после турбины
Работа, затраченная на сжатие воды в насосе, определяется так же по разности энтальпии рабочего тела в точках (4) и (3).
В координатах р-v эта работа определяется площадью e-3-4-f (рис. 34a). Эта работа весьма мала по сравнению с работой турбины.
Полезная работа цикла равна работе турбины за вычетом работы, затрачиваемой на привод насоса wН
Удельное количество теплоты q1, подведенной в котле и пароперегревателе, определяется из первого начала термодинамики (работа при этом не совершается) как разность энтальпий рабочего тела в процессе подвода теплоты
где h4 – энтальпия горячей воды на входе в паровой котел при давлении р2 практически равна по величине энтальпии кипящей воды в точке (3),
т.е. h4 @ h3.
Сопоставляя соотношения, можно определить термический КПД цикла Ренкина как отношение полезно полученной работы в цикле к количеству подведенной теплоты
Другая важная характеристика паросиловой установки – удельный расход пара d, который характеризует количество пара, необходимого для выработки 1 кВт·ч энергии (3600 Дж), и измеряется в .
Удельный расход пара в цикле Ренкина равен
Удельный расход пара определяет размеры агрегатов: чем он больше, тем больше пара приходится вырабатывать для получения той же мощности.
Пути повышения экономичности паросиловых установок
Термический КПД цикла Ренкина даже в установках с высокими параметрами пара не превышает 50 %. В реальных установках из-за наличия внутренних потерь в двигателе значение КПД еще меньше.
Существуют два пути повышения экономичности паросиловых установок: повышение параметров пара перед турбиной и усложнение схем паросиловых установок.
1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина;
4 – конденсатор; 5 – питательный насос; 6 – тепловой потребитель
Первое направление приводит к увеличению теплоперепада в процессе расширения пара на турбине (h1 - h2) и, как следствие, к увеличению удельной работы и КПД цикла. При этом теплоперепад по турбине h1-h2 можно дополнительно увеличить, снижая противодавление в конденсаторе установки, т.е. уменьшая давление р2. Повышение экономичности паросиловых установок этим путем связано с решением ряда трудных технических задач, в частности, использования высоколегированных, жаропрочных материалов для изготовления турбины.
Эффективность использования паросиловой установки можно значительно повысить за счет использования теплоты отработавшего пара для отопления, горячего водоснабжения, сушки материалов и т. д. С этой целью охлаждающую воду, нагретую в конденсаторе (4) (рис. 35), не выбрасывают в водоем, а прокачивают через отопительные установки теплового потребителя (6). В таких установках станция вырабатывает механическую энергию в виде полезной работы L1 на валу турбины (3) и теплоту Qт.п для отопления. Такие станции называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии – один из основных методов повышения эффективности тепловых установок.
Повысить КПД паросиловой установки по сравнению с циклом Ренкина можно за счет применения так называемого регенеративного цикла
(рис. 36). В этой схеме питательная вода, поступающая в котел (1), нагревается паром, частично отбираемым из турбины (3). По этой схеме пар, полученный в котле (1) и перегретый в пароперегревателе (2), направляется в турбину (3), где происходит его расширение до давления в конденсаторе (4). Однако часть пара после совершения им работы из турбины и направляется в регенеративный подогреватель (6), где в результате конденсации он подогревает питательную воду, подаваемую насосом (5) в котел (1).
Сам конденсат после регенеративного подогревателя поступает на вход насоса (5) или в конденсатор 4, где он смешивается с конденсатом пара, прошедшего через все ступени турбины. Таким образом, в котел поступает такое же количество питательной воды, какое и выходит из него в виде пара. Из диаграмм (рис. 37) видно, что каждый килограмм пара, входящий в турбину, расширяется от давления р1 до давления р2, совершая работу w1=h1-h2. Пар в количестве (1 - g) долей килограмма расширяется до конечного давления p3, совершая работу w2=h2-h3. Суммарная работа 1 кг пара в регенеративном цикле будет
где – доля пара отбираемого из турбины и подаваемого в регенератор.
Рис. 37. График адиабатного расширения пара в турбине с промежуточным отбором (а) и изменения количества пара (б)
Уравнение показывает, что использование регенерации теплоты приводит к уменьшению удельной работы расширения по сравнению с циклом Ренкина с теми же параметрами пара. Однако расчеты показывают, что работа в регенеративном цикле уменьшается медленнее, чем расход теплоты на получение пара при наличии регенерации, поэтому КПД паросиловой установки с регенеративным подогревом в итоге выше КПД обычного цикла.
Применение пара высоких и сверхвысоких давлений с целью повышения КПД установок наталкивается на серьезное затруднение: влажность его на последних ступенях турбины получается настолько высокой, что заметно снижает КПД турбины, вызывает эрозию лопаток, может служить причиной выхода их из строя. Поэтому в установках с высокими параметрами пара приходится применять так называемый промежуточный перегрев пара, что также ведет к повышению КПД установки (рис. 38).
Рис. 38. Схема паросиловой установки с промежуточным перегревом пара:
1 – парогенератор; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина высокого давления (ТВД); 4 – турбина низкого давления (ТНД); 5 – конденсатор; 6 – питательный насос; 7 – промежуточный пароперегреватель; 8 – потребитель
В паросиловой установке с промежуточным перегревом пара, после расширения в турбине высокого давления (3) пар отводится в специальный пароперегреватель (7), где он вторично подогревается при давлении ррп до температуры , которая обычно несколько ниже, чем температура t1. Перегретый пар поступает в турбину низкого давления (4), расширяется в ней до конечного давления р2 и уходит в конденсатор (5) (рис. 39).
Влажность пара после турбины при наличии перегрева пара значительно меньше, чем она была бы без него (x1>x2) (рис. 39). Применение промежуточного перегрева в реальных условиях дает повышение КПД приблизительно на 4 %. Этот выигрыш получается не только за счет повышения относительного КПД турбины низкого давления, но и за счет повышения суммарной работы расширения пара по турбине низкого и высокого давлений. Дело в том, что сумма отрезков и , характеризующих работу соответственно турбин высокого и низкого давлений, больше отрезка 1 – e, характеризующего работу расширения в турбине установки, в которой не применяется промежуточного перегрева пара (рис. 39б).
В современной стационарной теплоэнергетике в основном используются паровые теплосиловые установки. На долю паротурбинных электростанций приходится более 80% вырабатываемой электроэнергии. В паровых теплосиловых установках в качестве рабочего тела, как правило, используется водяной пар, что объясняется доступностью и дешевизной воды.
На рисунке 7.8 приведена схема паросиловой установки.
 |
Рисунок 7.8. Принципиальная
схема паросиловой установки
Из парового котла ПК перегретый пар с параметрами поступает в паровую турбину. При расширении в сопловом аппарате пар приобретает значительную кинетическую энергию, которая в роторе турбины превращается в техническую работу. Механическая энергия турбины превращается в электрогенераторе в электрическую энергию. После турбины пар с давлением р2 и энтальпией h2поступает в конденсатор , представляющий собой теплообменник, в трубках которого циркулирует вода, охлаждающая пар. В конденсатор отводится теплота в количестве , в результате чего пар конденсируется. Конденсат подается насосом в котел, и цикл повторяется вновь. Таким образом, характерная особенность паросиловых установок — фазовое превращение рабочего тела в цикле,
Рассмотрим описанный замкнутый процесс в -, - и координатах (рисунок 7.9).
Точка 4 соответствует состоянию рабочего тела перед паровым котлом. В котле происходят: нагрев жидкости (4— 5), парообразование (5—6) и перегрев пара (6—1). Теплота , подведенная к 1 кг рабочего тела в изобарном процессе, равна разности энтальпий в конечной и начальной точках процесса .
В паровой турбине осуществляется адиабатный процесс расширения (1—2). В результате перегретый пар превращается в сухой насыщенный пар, а затем во влажный с параметрами точки 2. Конденсация пара происходит при постоянном давлении (процесс 2—3). Изобары в области влажного пара являются одновременно и изотермами, т. е. на участке 2—3 давление р2 и температура Т2 остаются неизменными.
При этом от рабочего тела отводится в окружающую среду количество теплоты .
Рисунок 7.9. Цикл Ренкина:
а ¾ в -координатах; б ¾ в - координатах; в ¾ в - координатах
Процесс 3—4 подачи конденсата в котел насосом изображается изохорой, так как вода практически несжимаема. Точки 3 и 4 на - и -диаграммах не совпадают, но это отклонение столь мало, что им пренебрегают. Образованный таким образом термодинамический цикл называется циклом Ренкина(по имени шотландского физика, предложившего его в середине прошлого столетия).
Термический КПД цикла Ренкина
Как уже говорилось, можно принять, что , т. е.
где — энтальпия конденсата в точке 3.
Выражение в числителе равняется работе цикла.
Из приведенной формулы следует, что термический КПД цикла Ренкина определяется значениями энтальпий пара до турбины и после нее и энтальпии воды при температуре конденсации пара . Поэтому при определении значения цикла паросиловой установки удобно пользоваться - диаграммой.
Для повышения термического КПД паросиловой установки следует расширить пределы рабочего процесса, а именно повысить давление и температуру перегретого пара (т. е. повысить значение )и понизить давление р2пара за турбиной.
На современных тепловых электростанциях начальное давление (применяется также сверхкритическое давление, равное 24 МПа), температура пара . Давление пара за турбиной р2 = 3. 5 кПа.
Так как с увеличением давления при постоянном предельном значении температуры повышается влажность пара в конце процесса расширения (на -диаграмме процесс сдвигается влево), то применяют промежуточный перегрев пара. Давление промежуточного перегрева выбирают так, чтобы работа цикла при этом увеличивалась в большей степени, чем расход теплоты (с учетом дополнительного расхода на промежуточный перегрев пара).
В паросиловой установке термический КПД повышается при ее работе по регенеративному циклу, что обусловлено приближением цикла к регенеративному циклу Карно. В регенеративном цикле паросиловой установки часть пара отбирается из турбины на участке расширения 1—2 и направляется в теплообменник, где, смешиваясь с конденсатом, повышает его температуру перед котлом. В результате такого мероприятия работа цикла несколько уменьшается, но вследствие снижения расхода теплоты в котле КПД цикла становится выше.
Оптимальные значения давления отбора пара из турбины (а следовательно, температуры подогрева конденсата) определяют на основании соответствующих технико-экономических расчетов.
Эффективность топлива, сжигаемого в паросиловой установке, можно повысить, если удаляемую теплоту (а она составляет не менее половины количества теплоты, подведенной от источника с более высокой температурой) использовать для отопления и горячего водоснабжения или для различных технологических процессов. В конденсационных электростанциях, предназначенных для выработки только электрической энергии, охлаждающая вода после конденсатора имеет температуру 20. 35 °С, и использовать теплоту этой воды (ввиду низкой температуры она называется низкопотенциальной теплотой) практически сложно. Для нужд отопления, горячего водоснабжения и т. п. температура воды должна быть не менее 80…100 С С. Этого можно достигнуть, если повысить давление пара р2, выходящего из турбины. Такие турбины называют турбинами с ухудшенным вакуумом. Если давление р2 выше атмосферного, то турбины называют турбинами с противодавлением. Обычно давление пара за турбиной 0,10. 0,15 МПа, в то время как на станциях без отпуска теплоты потребителям р2 =3. 5 кПа.
Читайте также: