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. 5БМ3 В Габедава Ц. Б Проверил преподаватель каф. ТПТ Логинов В.С.

Томск 2014 г.

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИНАРНОЙ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

2. РАСЧЕТ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Расчет паровой установки

2.2 Расчет газовой установки

3. ТЕПЛОВОЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ПАРОГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

3.1 Тепловой расчет парогенератора

3.2 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.

1. 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.

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.

2. РАСЧЕТ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

2.1 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^/8< S^// [2]:, следовательно пар влажный.

Степень сухости пара:

Тогда энтальпия пара:

Расход пара:

Теоретическая мощность ПТУ:

Действительная мощность ПТУ:

2.2 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:

гдеполезно 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:

гдеиспарительная способность топлива, кг/кг.

.

3. РАСЧЕТ ПАРОГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

3.1 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=2,8 мм; задаемся скоростью движения пара .

Поскольку, то режим движения пара внутри трубок турбулентный.

Число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи стенки к пару [5]:

Принимаем в первом приближении теплоемкость газа находим температуру газов на выходе из пароперегревателя:

Тогда .

При физические свойства для дымовых газов данного состава [4]:

Число Рейнольдса для потоков газа:

.

где d₂=3,2 мм;

.

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 _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

₁ — коэффициент теплоотдачи от горячего газа к стенкам трубок пароперегревателя, Вт/(м²· ⁰С);

₂ — коэффициент теплоотдачи от стенок трубок пароперегревателя к пару, Вт/(м²· ⁰С);

_i — толщина стенки трубки или слоя сажи, м;

_i — теплопроводность стенки трубки или слоя сажи, Вт/(м· ⁰С).

.

Из уравнения теплопередачи :

.

Среднелогарифмический температурный напор:

.

Рисунок 2- Среднелогарифмический температурный напор.

3.2 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 = 0,22 м.

.

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 газоилипаротурбинными 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.

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.

2. Вукалович М. П., Ривкин С. Л, Александров А. А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.:Издательство стандартов, 1969.-408 с.

3. 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

4. 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.