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_2a)

h_2д=h₁- η_oi^T*(h₁-h_2a)

h_2д=2300,77 кДж/кг

x_2д=(h_2д-h’_2д)/(h’’_2д-h’_2д)         x_2д=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_4д-h₃)

h_4д=h₃+(h_4a-h₃)/ η_oi^H

h_4д=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_4д(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_4д(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_4a=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 ˚C    v(t_i)=0,04109 м³/кг

t_i+1=580 ˚C v(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_2a=2182,03 кДж/кг

2д – влажный насыщенный пар

η_oi^T=(h₁-h’_2д)/(h₁-h_2a)

h_2д=h₁- η_oi^T*(h₁-h_2a)

h_2д=2390,71 кДж/кг

x_2д=(h_2д-h’_2д)/(h’’_2д-h’_2д)         x_2д=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_P2- 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_P1=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_P1= D*(1- 0)*( h_P1- h₃)=115,574*(762,7-191,81)=65,980 МДж/кг

Q_P2= D*(1- α₁)*( h_P2- h₃)=115,574*(1-0,1077)*(504,7-

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

=32,267 МДж/кг

Проверка

Q_P1=Q_П1+Q_П2

65,980≈33,710+32,263=65,973

Q_P2=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_P1=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_P1-h₀-T₀*(s_P1-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^Р2=(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^P2=7,96+0,402-6,111=2,251МВт

Теплообменник 1

Е^P1=D*(h_P1-h₀-T₀*(s_P1-s₀))=115,574*(762,7-84-293*(2,1384-0,2965))=16,067МВт

ΔЕ^П1=Е^P2+Е^П1-Е^P1=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^P1-E^пв=1,334+16,067-16,067=1,334 МВт

Эксергетический баланс

Е^топ+ Е^P1+ 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.