Расчет парогазовой установки

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 с_р 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:з_oi^к=0,85; з_oi^т=0,88; з_oвi^т=0,85.

КПД высоконапорного парогенератора ВПГ з_ПГ=0,85;

Расход водяного пара D_В=40т/ч. Теплота сгорания топлива Q_н^р=30МДж/кг. Расход топлива D_Т=15т/ч.

. РАСЧЕТ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

.1 Расчет паровой установки

При Р₅=2Мпа и t₅=500⁰C с температурой насыщения t_s=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 Р_к=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 G_n 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 t_s=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 a_л, 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);

d_i - толщина стенки трубки или слоя сажи, м;

l_i - 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 - d_н = 3 ·d_н - d_н = 2 ·d_н = 2·32=64 мм.

Высота промежутка: а = f_газов/(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.