Дослiдження способiв пiдвищення ефективності паросилових циклiв

Мiністерство освіти і науки України

Одеський нацiональний полiтехнiчний унiверситет

Кафедра теоретичної, загальної та нетрадицiйної енергетики

Курсова робота з дисципліни

«Технiчна термодинамiка «

«Дослiдження способiв пiдвищення ефективності паросилових циклiв»

Керiвник:

Попова Т.М.

Одесса 2011 год

Зміст

Призначення теплоенергетичних установок (ТЕУ)

Принцип дії ПСУ

Основні характеристики ідеального циклу Ренкіна і ПСУ

Переваги базового циклу Ренкіна

Методи підвищення ефективності

Зв’язане підвищення початкової температури і тиску пари

Підвищення початкового тиску пари

Проміжний або повторний перегрів пари

Гранична регенерація

Часткова регенерація

Висновки

Література

Призначення теплоенергетичних установок (ТЕУ)

Призначення ТЕУ — перетворення теплоти палива в роботу з подальшим виробленням електричної та теплової енергії. Існують стаціонарні і транспортні ТЕУ. Серед стаціонарних найбільше поширення отримали ПСУ (паросилові установки), а серед транспортних — ДВС (двигуни внутрішнього згорання) і ГТУ (газотурбінні установки).

Термодинамічну ефективність роботи ТЕУ характеризує тепломеханічний коефіцієнт t, який дорівнює відношенню роботи до підведеної теплоти. Для підвищення термодинамічної ефективності застосовують різноманітні методи, які і розглядаються в цій роботі.

У зв’язку зі складністю реальних процесів перетворення теплоти в роботу за основу розрахунку приймається ідеальний тепломеханічний цикл на водяній парі, якому відповідає базовий цикл Ренкіна, що складається з двох ізобар і двох ізоентроп. Після розрахунку цього циклу застосовуються декілька методів інтенсифікації базового циклу та проводиться порівняння нового та базового тепломеханічних коефіцієнтів.

Принцип дії ПСУ

На рис. 1 наведена принципова схема ПСУ, на рис. 2- цикл Ренкіна та еквівалентний йому цикл Карно

Рис. 1. Принципова схема ПСУ

Вода в стані 4 подається в парогенератор, де за рахунок первинних енергоресурсів (палива) перетворюється в суху насичену пару (СНП), а потім в перегріту пару (ПП); далі ПП в стані 1 надходить в парову турбіну, де без підводу і відведення тепла розширяється і здійснює механічну роботу. Відпрацьована пара в стані 2 з турбіни надходить в конденсатор, де за рахунок віддачі тепла охолоджуючій воді перетворюється в конденсат. Далі ця рідина за допомогою живильного насоса знову подається в парогенератор.

Початкові дані

Основні характеристики ідеального базового циклу Ренкіна і ПСУ

Таблиця 1

Властивості водяної пари в перехідних точках базового циклу

Рис. 2.Цикл Ренкіна та еквівалентний йому цикл Карно в діаграмі Т-S

При Р2=0,05 Бар s`=0,47 кДж/(кг К) s``=8,4 кДж/(кг К)

h`=137.8 кДж/кг h``=2561 кДж/кг

x2 =(s-s`)/(s``-s`)=(6,336−0,47)/(8,4−0,47)=0,74

h2=x2h``+(1-x2)h`=0,74*2561+(1−0,74)*137,8=1938 кДж/кг

1. Питомий теплопідвід: q1 = h1-h4 =3015−141= 2874 кДж/кг.

2. Питомий тепловідвід: q2 = h2 — h3 =1937;137=1800 кДж/кг.

3. Питома робота, що отримується в турбіні:

lt = h1 — h2 =3015−1937= 1077 кДж/кг.

4. Питома робота, що витрачається у насосі:

|lн| = h4 — h3 =141−137= 3.2 кДж/кг.

Враховуючи, що lн << lt роботою в насосі нехтуємо.

5. Питома корисна робота в циклі Ренкіна: lt = lt — lн = 1077−3,2= 1073 кДж/кг.

6. Характеристика ефективності циклу Ренкіна, тепломеханічний коефіцієнт ТМК:

t = lt/q1 = 1073/2874 = 0,374

7. ТМК еквівалентного циклу Карно:

T1m = q1 / (s1 — s3) = 2874/(6,36−137) = 488 K.

T2m= q2 / (s1 — s3) =1800/(6,36−137) = 305 K.

=1- (T2m/T1m) = 1- (305/488) = 0,374

8. Витрата пари на турбіну: Д=N/(h1-h2) = 1 000 000/(3015−1938) = 928 кг/с.

7. Питома витрата пари: dt=Д/N = 928/1 000 000 = 0,929 кг/кДж.

9. Витрата палива: В = Д (h1 — h3)/Q = 928(3015−137)/16 000=167 кг/с.

10. Питома витрата палива: bt=B/N=167/1 000 000 = 0,17 кг/кДж.

11. Витрата охолоджуючої води:

W=Д (h2 — h3)/(h6 — h5)= 928*(1938;137)/(117−33) = 19 947 кг/с,

12. Кратність охолоджування:

n = W/Д = 19 947/928 = 21.5

Переваги базового циклу Ренкіна

1. Процеси підведення і відведення тепла ізобарні, що полегшує інженерне здійснення циклу.

2. Повна конденсація водяної пари позитивно позначається на габаритах насоса:

Недолік циклу Ренкіна полягає в його низькій ефективності.

Методи підвищення ефективності цикла Ренкіна:

1. Зв’язане (при одному й тому ж степені сухості париx2, на виході з турбіни) підвищення початкового тиску Р1 і t1.

2. Проміжний або повторний перегрів пари.

3. Гранична регенерація .

Цикл Ренкіна з підвищеними початковими параметрами пари.

Зв’язане підвищення початкової температури і тиску пари.

Властивості робочого тіла перехідних точках циклу з підвищеними початковими параметрами пари.

Таблиця 2

При Р2=0,05 Бар s`=0,47 кДж/(кг К) s``=8,4 кДж/(кг К)

h`=137.8 кДж/кг h``=2561 кДж/кг

x2 =(s-s`)/(s``-s`)=(6,336−0,47)/(8,4−0,47)=0,74

h2=x2h``+(1-x2)h`=0,74*2561+(1−0,74)*137,8=1938 кДж/кг

Характеристики циклу Ренкіна з підвищеними початковими параметрами пари.

1. Питомий теплопідвід:

q1 = h1-h4 = 3226 — 147 = 3079 кДж/кг.

2. Питомий тепловідвід:

q2 = h2t — h4 = 1937 — 147 = 1791 кДж/кг.

3. Питома робота, що отримується в турбіні:

lt = h1 — h2t = 3226 — 1937 = 1278 кДж/кг.

4. Характеристика ефективності циклу Ренкіна, тепломеханічний коефіцієнт ТМК:

t = lt/q1 = 1284/3085 = 0,415

5. ТМК еквівалентного циклу Карно:

T1m = q1 / (s1 — s3) = 3085 / (6.36 — 0.47) = 522 K.

T2m= t3 + 273 = 32 + 273 = 305 K.

=1- (T2m/T1m) = 1- 305/523 = 0.415

6. Витрата пари на турбіну:

Д=N/(h1-h2t) = 1000*103/(3226 — 1938) = 776 кг/с.

7. Питома витрата пари:

dt=Д/N = 1/(h1-h2t) = 1/(3226 — 1938) = 0,776 кг/кДж.

8. Витрата палива:

В = Д (h1 — h3)/Q = 776*(3226 — 137)/(16*103)=150 кг/с.

9. Питома витрата палива:

bt=B/N=150/(1000*103)=0,15 кг/кДж.

10. Витрата охолоджуючої води:

W=Д (h2t — h3)/(h6 — h5)= 776*(1938 — 137)/(117−33) = 16 678 кг/с.

11. Кратність охолоджування:

n = W/Д = 16 678/776 = 21,5

Підвищення початкового тиску пари

Властивості робочого тіла перехідних точках циклу з підвищеними початковими параметрами пари.

Підвищуємо тиск на 10 бар

Таблиця 3

При Р2=0,05 Бар s`=0,47 кДж/(кг К) s``=8,4 кДж/(кг К)

h`=137.8 кДж/кг h``=2561 кДж/кг

x2 =(s-s`)/(s``-s`)=(6,24−0,47)/(8,4−0,47)=0,728

h2=x2h``+(1-x2)h`=0,728*2561+(1−0,728)*138=1929 кДж/кг

Характеристики циклу Ренкіна з підвищеними початковими параметрами пари.

1. Питомий теплопідвід:

q1 = h1-h4 = 2985 — 141,9 = 2843,1 кДж/кг.

2. Питомий тепловідвід:

q2 = h2t — h4 = 1929 — 141,9 = 1761,2 кДж/кг.

3. Питома робота, що отримується в турбіні:

lt = h1 — h2t = 2985 — 1929 = 1081,9 кДж/кг.

4. Характеристика ефективності циклу Ренкіна, тепломеханічний коефіцієнт ТМК:

t = lt/q1 = 1051,9/2843,1 = 0,381

5. ТМК еквівалентного циклу Карно:

T1m = q1 / (s1 — s3) = 2843,1/ (6,24 — 0.47) = 493,59 K.

T2m= q2 / (s1 — s3)= 305,76 K.

=1- (T2m/T1m) = 1- (310,43/492,72) = 0.381

6. Витрата пари на турбіну:

Д=N/(h1-h2t) = 1000*103/(2985 — 1929) = 920 кг/с.

7. Питома витрата пари:

dt=Д/N = 1/(h1-h2t) = 1/(2985 — 1929) = 0,921 кг/кДж.

8. Витрата палива:

В = Д (h1 — h3)/Q = 947*(2985 — 138)/(16*103)=163 кг/с.

9. Питома витрата палива:

bt=B/N=168/(1000*103)=0,16 кг/кДж.

10. Витрата охолоджуючої води:

W=Д (h2t — h3)/(h6 — h5)= 947*(1929 — 138)/(117−33) = 19 352 кг/с.

11. Кратність охолоджування:

n = W/Д =20 241/947 = 21.016

Підвищуємо тиск ще на 10 бар

Таблиця 4

При Р2=0,05 Бар s`=0,47 кДж/(кг К) s``=8,4 кДж/(кг К)

h`=137.8 кДж/кг h``=2561 кДж/кг

x2 =(s-s`)/(s``-s`)=(6,126−0,47)/(8,4−0,47)=0,713

h2=x2h``+(1-x2)h`=0,713*2561+(1−0,713)*138=1867 кДж/кг

Характеристики циклу Ренкіна з підвищеними початковими параметрами пари.

1. Питомий теплопідвід:

q1 = h1-h4 = 2953 — 142,9 = 2810,1 кДж/кг.

2. Питомий тепловідвід:

q2 = h2t — h4 = 1867 — 142,9 = 1729,2 кДж/кг.

3. Питома робота, що отримується в турбіні:

lt = h1 — h2t = 2953 — 1867 = 1080,9 кДж/кг.

4. Характеристика ефективності циклу Ренкіна, тепломеханічний коефіцієнт ТМК:

t = lt/q1 = 1080,9/2810,1 = 0,385

5. ТМК еквівалентного циклу Карно:

T1m = q1 / (s1 — s3) = 2810,1/ (6,126 — 0.47) = 496,83 K.

T2m= q2 / (s1 — s3)= 305,72 K.

=1- (T2m/T1m) = 1- (305,72/496,83) = 0.385

6. Витрата пари на турбіну:

Д=N/(h1-h2t) = 1000*103/(2963 — 1867) = 920 кг/с.

7. Питома витрата пари:

dt=Д/N = 1/(h1-h2t) = 1/(2953 — 1867) = 0,921 кг/кДж.

8. Витрата палива:

В = Д (h1 — h3)/Q = 947*(2953 — 138)/(16*103)=162 кг/с.

9. Питома витрата палива:

bt=B/N=162/(1000*103)=0,162 кг/кДж.

10. Витрата охолоджуючої води:

W=Д (h2t — h3)/(h6 — h5)= 920*(1867 — 138)/(117−33) = 19 000 кг/с.

11. Кратність охолоджування:

n = W/Д =20 241/947 = 20,63

Підвищуємо тиск ще на 10 бар

Таблиця 5

При Р2=0,05 Бар s`=0,47 кДж/(кг К) s``=8,4 кДж/(кг К)

h`=137.8 кДж/кг h``=2561 кДж/кг

x2 =(s-s`)/(s``-s`)=(6,017−0,47)/(8,4−0,47)=0,699

h2=x2h``+(1-x2)h`=0,699*2561+(1−0,699)*138=1833 кДж/кг

Характеристики циклу Ренкіна з підвищеними початковими параметрами пари.

1. Питомий теплопідвід:

q1 = h1-h4 = 2918 — 143,9 = 2774,1 кДж/кг.

2. Питомий тепловідвід:

q2 = h2t — h4 = 1833 — 143,9 = 1695,2 кДж/кг.

3. Питома робота, що отримується в турбіні:

lt = h1 — h2t = 2918 — 1833 = 1078,9 кДж/кг.

4. Характеристика ефективності циклу Ренкіна, тепломеханічний коефіцієнт ТМК:

t = lt/q1 = 1078,9/2774,1 = 0,389

5. ТМК еквівалентного циклу Карно:

T1m = q1 / (s1 — s3) = 2774,1 / (6,017 — 0.47) = 500 K.

T2m= q2 / (s1 — s3)= 305 K.

=1- (T2m/T1m) = 1- (305/500) = 0.389

6. Витрата пари на турбіну:

Д=N/(h1-h2t) = 1000*103/(2918 — 1833) = 921 кг/с.

7. Питома витрата пари:

dt=Д/N = 1/(h1-h2t) = 1/(2918 — 1833) = 0,922 кг/кДж.

8. Витрата палива:

В = Д (h1 — h3)/Q = 947*(2918 — 138)/(16*103)=160 кг/с.

9. Питома витрата палива:

bt=B/N=162/(1000*103)=0,16 кг/кДж.

10. Витрата охолоджуючої води:

W=Д (h2t — h3)/(h6 — h5)= 920*(1833 — 138)/(117−33) = 18 644 кг/с.

11. Кратність охолоджування:

теплоенергетичний установка пар тиск

n = W/Д =20 241/947 = 20,22

Проміжний або повторний перегрів пари

Цей спосіб виник як технологічний засіб боротьби з вогкістю пари на виході з турбіни. Як надалі з’ясувалося, при РПП=(0,15…0,25)Р1 ефективність циклу Ренкіна збільшується. Це пов’язано із збільшенням Т1m.

На рис. 4 показана схема ПСУ з повторним перегрівом пари.

Рис. 4. Принципова схема ПСУ з повторним перегрівом пари

Процеси в циклі Ренкіна з проміжним перегрівом пари

4−1 — ізобарне підведення теплоти в парогенераторі;

1-с — ізоентропне розширення пари у ЦВТ (циліндрі високого тиску), процес здійснення роботи;

с-d — ізобарне підведення теплоти у повторному перегрівачі ;

d-2 — ізоентропне розширення пари у ЦНТ (циліндрі низького тиску), процес здійснення роботи;

2−3 — ізобарно-ізотермічний процес відведення тепла в конденсаторі;

3−4 — ізоентропне стиснення в насосі.

Цикл Ренкіна з проміжним перегрівом пари

Таблиця 6

Властивості водяної пари в перехідних точках циклу з проміжним перегрівом пари

При Рс=1000 кПа

Точка с s`=2,138 кДж/(кг.К) s``=6,585 кДж/(кг.К)

h`=762,7 кДж/кг h``=2777 кДж/кг

xc=(sc-s`)/(s``-s`) = (6,36 — 2,138)/(6,585 — 2,138) = 0,95

hc=xch``+(1-xc)h`=0,95*2777 + (1 -0,95)*762,7 = 2676 кДж/кг

При Pпп=5 кПа

Точка 2пп s`=0,47 кДж/(кг К) s``=8,4 кДж/(кг.К)

h`=138 кДж/кг h``=2561 кДж/кг

x2пп=(s2пп-s`)/(s``-s`)=(7,23 — 0,47)/(8,4 — 0,47) = 0,85

h2пп=x2ппh``+(1-x2пп)h`=0,85*2561 + (1 — 0,85)*138 = 2206 кДж/кг

Характеристики циклу Ренкіна з проміжним перегрівом пари

1. Питомий зовнішній теплопідвід:

q1 = (h1 — h4) + (hd — hc) = (3015 — 141) + (3116 — 2676) = 3314 кДж/кг .

2. Питомий зовнішній тепловідвід:

q2 = h2пп — h = 2206 — 141 = 2065 кДж/кг .

3.Корисна робота в циклі:

lт t = q1 — q2 = 3314 — 2065 = 1249 кДж/кг .

4.Питома робота пари в турбіні:

lт = (h1 — hc) + (hd — h2пп) = (3015 — 2676) + (3116 — 2206) = 1249 кДж/кг.

5. ТМК:

t = lt/q1 = 1249/3314 =0,376

6.ТМК еквівалентного циклу Карно:

T?1m = q1/(s2пп — s3) = 3314/(7,23 — 0,47) = 490 K

T?2m= q2/(s2пп — s3) = 2065/(7,23 — 0,47) = 305 K

=1 — (T?2m/T?1m)=1 — 305/490 = 0,376

7. Витрата пари на турбіну:

Д=N/(h1-h2пп) = 1000*103/(3015 — 2206) = 1236 кг/с.

8. Питома витрата пари:

dt=Д/N = 1/(h1-h2пп) = 1/(3015 — 2206) = 0,123 кг/кДж.

9. Витрата палива:

В = bt*N = 0.166*1000000 = 166 кг/с.

10. Питома витрата палива:

bt=1/Q*t =1/(16 000*0,376) =0,166 кг/кДж.

11. Витрата охолоджуючої води:

W=Д (h2пп — h3)/(h6 — h5)= 1236*(2206 — 138)/(117−33) = 30 430 кг/с.

12. Кратність охолоджування:

n = W/Д =30 430/1236 = 24,61

Гранична регенерація

Регенерація — це метод зменшення безповоротності процесу з використанням повторних енергоресурсів. Гранично регенеративним циклом Ренкіна називається гіпотетичний цикл, в якому робоче тіло H2O входить в парогенератор в стані насиченої рідини при початковому тиску Р1. Вода гріється до температури кипіння при даному тиску в результаті внутрішнього тепловідводу на інших ділянках циклу.

На рис 6 зображений гранично-регенеративний цикл Ренкіна (при lН=0).

Рис. 6. Цикл ПСУ з граничною регенерацією

Процеси в циклі ПСУ з граничною регенераціею

3-а — внутрішній теплопідвід;

а-1 — зовнішній теплопідвід;

1-с — ізоентропне здійснення роботи в ЦВТ;

с-d — внутрішнє відведення тепла, рівне внутрішньому теплопідводу в процесі 3-а;

d-3 — ізобарно-ізотермічне зовнішнє відведення тепла.

Рис. 7. Теоретична схема ПСУ з граничною регенерацією .

Таблиця 7

Властивості водяної пари в перехідних точках циклу з граничною регенерацією пари

sd = s1 — sa + s3= 6.36 — 2.921 + 0.47 = 3.909 (кДж/(кг.К))

xd= (sd — s') / (s'' - s') = (3.909 — 0.476)/(8.394 — 0.476) = 0.433

hd = xdh'' + (1 — xd) h' = 0.433*2561 + (1 — 0.433)*17.8 = 1188 (кДж/кг)

Характеристики циклу Ренкіна з граничною регенерацією пари.

1. Питомий зовнішній теплопідвід:

q1 = h1 — h4 = 1860 кДж/кг .

2. Питомий зовнішній тепловідвід:

q2 = hd — h3 = 1047 кДж/кг .

3.Корисна робота в циклі:

lт t = q1 — q2 = 813 кДж/кг .

4. ТМК:

t = lt/q1 = 0.437 > исх (исх = 0,374)

5.ТМК еквівалентного циклу Карно:

T1m = q1/(sd — s3) = 1860/(3.909 — 0,47) = 540 K

T2m= q2/(sd — s3) = 1047/(3.909 — 0,47) = 305 K

=1 — (T2m/T1m)=1 — 305/540 = 0,435

7. Витрата пари на турбіну:

Д=N/lTt = 1000*103/813 = 1230 кг/с.

8. Питома витрата пари:

dt=Д/N = 1230/1000*103 = 0,123 кг/кДж.

9. Витрата палива:

В = 1/Q*t = 1/16 000*0,435= 143 кг/с.

10. Питома витрата палива:

bt=B/N=220/(1000*103)=0,14 кг/кДж.

11. Витрата охолоджуючої води:

W=Д (hd — h3)/(h6 — h5)= 1230*(1188 — 147)/(117−33) = 15 243 кг/с.

12. Кратність охолоджування:

n = W/Д =15 243/1230 = 12.4

Часткова регенерація На практиці використовується підігрівання поживної води при кінцевому числі регенеративних підігрівачів поверхневого або змішуючого типу. На малюнку зображена схема ПСУ з п’ятьма підігрівачами змішуючого типу.

Температурний натиск та розподіл температур

Таблиця 8

Властивості водяної пари в перехідних точках циклу з частковою регенерацією пари

Відносні частки пара Характеристики циклу Ренкіна з граничною регенерацією пари

1. Питомий теплопідвід: q1 = h1 — h’O1 = 3015 — 968.6 = 2046.4 кДж/кг

2. Питомий тепловідвід: q2 = (h2 — h3)•ak = (1937 — 141)*0,659 = 1183,5 кДж/кг

3. Питома робота, що отримується в турбіні:

lt = q1 — q2 = 2046,4 — 1183,5 = 862 кДж/кг

4. Характеристика ефективності циклу Ренкіна, тепломеханічний коефіцієнт ТМК:

зt = lt/q1 = 862/2046 = 0.421

5. Витрата пари на турбіну: Д = N/lt = 1 000 000/862 = 1160 кг/с

6. Питома витрата пари: dt = Д/N = 1160/1 000 000 = 0.116 кг/кДж

7. Питома витрата палива: bt = 1/(QpH * зt) = 1/(16 000*0.421) = 0.148 кг/кДж

8. Витрата палива: B = bt *N = 0,148*1000000 = 148 кг/с

9. Витрата охолоджуючої води: W=Д*(h2 — h3)/(h6 — h5) = 1160*1796/84 = 24 801 кг/с

10. Кратність охолоджування: n = W/Д = 24 801/1160 = 21,38

Результати обчислень характеристик циклу зводимо у таблицю:

Таблиця 9

Висновки

1. Збільшення ефективності у циклі Ренкіна при одночасному зв’язаному підвищенні p1 і t1 пояснюється збільшенням середньотермодинамічної температури робочого тіла у процесі підведення теплоти (T1m). Іншою перевагою цього способу є сталий ступінь сухості вологі насиченої пари на виході з турбіни.

2. Введення промперегріву додатково впливає на ефективність циклу Ренкіна тільки при оптимальному виборі проміжного тиску пари у повторному перегрівачі pпп = pc = pd = (0.15 — 0.25) p1 При цьому, крім збільшення Т1m зростає також ступінь сухості пари (Х2пп > X2), що добре впливає на експлуатаційні характеристики турбіни.

3. Серед розглянутих способів підвищення ТМК ПСУ найбільш ефективним є цикл Ренкіна з граничною регенерацією (при z -> ?). Однак на практиці застосовується регенеративний підігрів живильної води при кінцевому числі ступенів z = 3 — 12, причому збільшення г приводить до збільшення ефективності.

4. Оптимальне число підігрівачів повинно вибиратися на основі техніко-економічного розрахунку паросилової установки, з урахуванням вартості палива, металу, експлуатації, ремонту та ін.

Література

1. Вукалович М. П., Ривкин С. Л., Александров С. А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. — М.: Изд — во стандартов, 1969. — 408 с.

2. Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. В. Техническая термодинамика. -М.: Знергия, 1974. — 496 с.

3. Попова Т. М. Техническая термодинамика: Конспект лекций. — Одесса: ОГПУ, 1996. — 74 І