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=tж=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.