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 ht, 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:

ht = 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) = 1000000/(3015-1938) = 928 кг/с.

7. Питома витрата пари: dt=Д/N = 928/1000000 = 0,000929 кг/кДж.

9. Витрата палива: В = Д(h1 - h3)/Q = 928(3015-137)/16000=167 кг/с.

10. Питома витрата палива: bt=B/N=167/1000000 = 0,00017 кг/кДж.

11. Витрата охолоджуючої води:

W=Д(h2 - h3)/(h6 – h5)= 928*(1938-137)/(117-33) = 19947 кг/с,

12. Кратність охолоджування:

n = W/Д = 19947/928 = 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 пари -x2 , 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:

ht = 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) = 0,000776 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)=0,00015 кг/кДж.

10. Витрата охолоджуючої води:

W=Д(h2t - h3)/( h6 – h5)= 776*(1938 – 137)/(117-33) = 16678 кг/с.

11. Кратність охолоджування:

n = W/Д = 16678/776 = 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:

ht = 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) = 0,000921 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)=0,00016 кг/кДж.

10. Витрата охолоджуючої води:

W=Д(h2t - h3)/( h6 – h5)= 947*(1929 – 138)/(117-33) = 19352 кг/с.

11. Кратність охолоджування:

n = W/Д =20241/947 = 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:

ht = 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) = 0,000921 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)=0,000162 кг/кДж.

10. Витрата охолоджуючої води:

W=Д(h2t - h3)/( h6 – h5)= 920*(1867 – 138)/(117-33) = 19000 кг/с.

11. Кратність охолоджування:

n = W/Д =20241/947 = 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:

ht = 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) = 0,000922 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)=0,00016 кг/кДж.

10. Витрата охолоджуючої води:

W=Д(h2t - h3)/( h6 – h5)= 920*(1833 – 138)/(117-33) = 18644 кг/с.

11. Кратність охолоджування:

теплоенергетичний установка пар тиск

n = W/Д =20241/947 = 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:

ht = 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) = 0,00123 кг/кДж.

9. Витрата палива:

В = bt*N = 0.000166*1000000 = 166 кг/с.

10. Питома витрата палива:

bt=1/Q*ht =1/(16000*0,376) =0,000166 кг/кДж.

11. Витрата охолоджуючої води:

W=Д(h2пп - h3)/( h6 – h5)= 1236*(2206 – 138)/(117-33) = 30430 кг/с.

12. Кратність охолоджування:

n = W/Д =30430/1236 = 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:

ht = lt/q1 = 0.437 > hисх (hисх = 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 = 0,00123 кг/кДж.

9. Витрата палива:

В = 1/Q*ht = 1/16000*0,435= 143 кг/с.

10. Питома витрата палива:

bt=B/N=220/(1000*103)=0,00014 кг/кДж.

11. Витрата охолоджуючої води:

W=Д(hd - h3)/( h6 – h5)= 1230*(1188 – 147)/(117-33) = 15243 кг/с.

12. Кратність охолоджування:

n = W/Д =15243/1230 = 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:

ηt = lt/q1 = 862/2046 = 0.421

5. Витрата пари на турбіну: Д = N/lt = 1000000/862 = 1160 кг/с

6. Питома витрата пари: dt = Д/N = 1160/1000000 = 0.00116 кг/кДж

7. Питома витрата палива: bt = 1/(QpH * ηt) = 1/(16000*0.421) = 0.000148 кг/кДж

8. Витрата палива: B = bt *N = 0,000148*1000000 = 148 кг/с

9. Витрата охолоджуючої води: W=Д*(h2 – h3)/(h6 – h5) = 1160*1796/84 = 24801 кг/с

10. Кратність охолоджування: n = W/Д = 24801/1160 = 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