Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая энергетика. Энергетические установки. Учебное пособие
.pdf
откуда при заданном
s
р
η 0,89
T
тельного расширения пара:
находим энтальпию в конце действи-
()η ,hhhh
2д 112Т
3554 (3554 2033) 0,89 2200 кДж/кг.h
2д
Степень сухости пара в точке 2д:
hh
x
2д
2д
hh
2200 137,8
2561 137,8
0,851.
Энтропия пара в точке 2д:
(1 ) ,
sx sx
2д 2д 2д
0,4761(1 0,851) 8,393 0,851 7,213 кДж/(кг К).s
2д
Повышение энтальпии питательной воды в насосе, кДж/кг:
v
1
,
η
H
18,4 кДж/кг.
где
=145 бар = 14 500 кПа – давление питательной воды после
р
1
насоса; v = 0,001005 м
= 0,05 бар);
р
2
η 0,79
Н
h
H
h
H
3
/кг – удельный объем воды перед насосом (при
– внутренний относительный КПД насоса,
14 500 0,001005
0,79
Энтальпия воды за питательным насосом:
3д 2H
137,8 18,4 156,2 кДж/кг.hh h
Внутренний относительный КПД насоса
hh
η ,
H
32
hh
3д 2
31
откуда находим энтальпию питательной воды после теоретического
сжатия:
()η ,hh h h
32 3д 2H
137,8 (156, 2 137,8) 0,79 152,3 кДж/кг.h
3
Процессы теоретического 2-3 и действительного 2-3д сжатия воды
в питательном насосе изображены в h, s-диаграмме на рис. 2.8. Термический КПД цикла Ренкина
()
hh h h
ll
TH
η ,
t
qhh
113
12 32
работа пара в турбине
3554 2033 1521 кДж/кгlhh
T12
;
работа сжатия воды в насосе
152,3 137,8 14,5 кДж/кгlhh
H32
.
Тогда термический КПД
1521 14,5
η 0, 443.
t
3554 152,3
Так как работа пара в турбине много больше работы сжатия воды в
насосе, то для приближенных расчетов работой сжатия воды в насосе
пренебрегают (
0l
), тогда приближенно
H
lhh
T12
η 0, 445.
t
qhh
112
3554 2033
3554 137,8
С учетом внутренних необратимых потерь в турбине и в насосе
находим внутреннюю работу ПТУ:
ll l hh h h
TH 12д 3д 2
ii i
(3554 2200) (156, 2 137,8) 1336 кДж/кг.
l
i
() ,
32
Теоретическая работа ПТУ:
x
x
1521 14,5 1506,5 кДж/кг.ll l
TH
Следовательно, из-за необратимых потерь теряется работоспособность ПТУ:
()100%
ll
i
l
δ 11, 3 %
l
(1506,5 1336)100 %
1506,5
.
Эффективная мощность ПТУ, МВт:
η ,
NlD
ei
м
где
η 0,98
м
– механический КПД ПТУ и D = 100 кг/с – расход пара
через турбину,
1, 336 0,98 100 130,9 МВт.
N
e
Задача 2.2. По условиям задачи 2.1 оценить, как изменится терми-
ческий КПД цикла ПТУ и ее эффективная мощность, если ввести промежуточный перегрев пара при промежуточном давлении
= 145 /6 = 24 бар до температуры
= 555 °С.
t
пп
пп 0
/6рр
Решение
Из расчетов видно, что если пар расширяется в одной ступени турбины до конечного давления
точке 2
= 0,782 (см. решение задачи 2.1). Это означает, что в таком
2
= 0,05 бар, то степень сухости пара в
р
2
влажном паре содержится 78,2 % сухого насыщенного пара и 21,8 %
капель конденсата (воды). Чем меньше степень сухости пара, тем ниже
внутренний относительный КПД турбины. Кроме того, капли воды,
летящие с высокой скоростью вместе с потоком пара, ударяются о поверхность рабочих лопаток турбины и вызывают
эрозию, т. е. механическое разрушение. С учетом всего этого минимально допустимая степень сухости пара на выходе из турбины должна быть не ниже
= 0,86…0,88, поэтому в некоторых турбинах вводится промежу-
2
точный перегрев пара.
33
В части высокого давления турбины пар расширяется от
s
s
s
= 145 бар до
р
1
пара происходит при постоянной энтропии
с помощью h, s-диаграммы находим энтальпию в точке 6
= 24 бар, теоретическое адиабатное расширение
р
пп
6,67 кДж/(кг · К);
s
61
h
6
= 2863 кДж/кг. Далее пар перегревается в промежуточном паропере-
гревателе парогенератора до температуры
свойств перегретого пара для давления
= 555 °С находим методом линейной интерполяции энтальпию
t
пп
= 3586 кДж/кг и энтропию
h
7
= 7,5 кДж/(кг · К).
7
= 555 °С. Из табл. 2.2
t
пп
= 24 бар и температуры
р
пп
Окончательное адиабатное расширение пара происходит в части
низкого давления (процесс 7-8) (рис. 2.9) до давления
7,5 кДж/(кг · К). Введение промперегрева повышает степень
s
87
= 0,05 бар,
р
2
сухости пара на выходе из турбины
ss
8
x
8
ss
7,5 0, 4761
8,393 0, 4761
0,887
и энтальпию влажного пара после турбины
(1 ) 137,8 (1 0,887) 2561 0,887 2287,2 кДж/кгhh xhx
8
,
где s', s'', h', h'' – энтропии и энтальпии воды на линии насыщения и
сухого насыщенного пара соответственно, взятые из табл. 2.1 (см. задачу 2.1).
Введение промежуточного перегрева пара приводит к возрастанию
внутреннего относительного КПД турбины; кроме того, увеличивается
термический КПД ПТУ из-за возрастания средней температуры подвода тепла в цикле ПТУ.
В решении задачи 2.1 доказано, что неучет работы на сжатие воды
в питательном насосе приводит к изменению термического КПД толь-
ко на
t
, т. е. на 0,45 %, поэтому термический КПД цикла с
0,002
промежуточным перегревом определяем по упрощенной формуле:
()( )
ll
Т1 Т2
пр
t
qq hh hh
1 пр 12 7 6
hh h h
34
16 78
()
,
x
x
x
x
N
(3554 2863) (3586 2287) 1990
пр
t
(3554 137,8) (3586 2863) 4139
0,4808.
q
T
= 0
3
2
0
1
k
4
5
q
2
q
пр
6
2 8
= const
71
= 1
= const
s
Рис. 2.9. Цикл ПТУ с промперегревом пара
Повышение термического КПД от введения промперегрева пара:
( )100 %
пр
(0,4808 0,445)100 %
t
tt
t
0,445
t
,
8, 04 %.
Оставляя внутренний относительный КПД турбины без изменения,
находим эффективную мощность ПТУ:
где
lD
пр Т пр Т м
e
N
e
,
l
были определены в задаче 2.1, а работа пара в турбине
N
Н
e
1990 0,89 0,98 100 10 171,8 МВт,
пр
ТТ1 Т2
14,5
0,79
l
Н
ηη,
η
Н
1990 кДж / кгll l
3
.
35
Следовательно, даже без учета возрастания внутреннего относи-
тельного КПД от введения промперегрева пара эффективная мощность
ПТУ выросла:
( )100 %
NN
пр
N
ee
e
,
N
e
(171,8 130,9) 100 %
N
e
130,9
31, 2 %,
поэтому бо´льшая часть современных конденсационных ПТУ состоит
из частей высокого, среднего и низкого давления с промежуточным
перегревом пара.
36
3. ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ
3.1. СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ГТУ
Газотурбинная установка (ГТУ) – тепловой двигатель, в котором
рабочим телом служат нагретые до высокой температуры сжатые газы.
В качестве таких газов чаще всего используют смесь воздуха и продуктов сгорания жидкого (дизельное топливо, керосин) или газообразного (природный газ, попутный нефтяной газ, биогаз) топлив.
Простейшая одновальная ГТУ (рис. 3.1, а) состоит из компрессора
газовой турбины, с которой механически связан электрический генератор, устройств подвода (камера сгорания) и отвода теплоты, объединенных общей гидродинамической системой. В ГТУ реализуются идеальные циклы:
с изобарным подводом теплоты (p = const);
с изохорным подводом теплоты (v = const);
с регенерацией теплоты.
Во всех циклах ГТУ теплота при наличии полного расширения в
турбине отводится при постоянном давлении.
,
Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты (цикл Брайтона)
Воздушный компрессор (рис. 3.1, а) адиабатно сжимает атмосферный воздух с
12
(процесс 1-2, рис. 3.1, б) и непрерывно подает
до pp
его в камеру сгорания. Туда же специальным насосом непрерывно подается необходимое количество топлива. В камере сгорания
изобарно
сгорает поступающее туда топливо (процесс 2-3). Допустимый по
условиям жаропрочности уровень температуры в точке 3 обеспечивается за счет избытка воздуха по сравнению с теоретически необходимым его количеством для полного сгорания топлива. Рабочие газы,
37
образующиеся в камере сгорания, поступают в проточную часть газо-
p
p
υ
вой турбины, адиабатно расширяются, воздействуя на лопатки турбины (процесс 3-4). Таким образом, создается крутящий момент и вращается ротор турбины (производится работа), который, в свою очередь, соединен с электрическим генератором. Генератор вырабатывает
электроэнергию.
q
Г
К
ГТ
p
2
1
3
2
КС
3
1
топливо
а б
Рис. 3.1.
К – компрессор, КС – камера сгорания, ГТ – газовая турбина, Г – электроге-
Схема (а) и идеальный цикл с изобарным подводом теплоты
нератор; q
– подведенное тепло; q2 – отведенное тепло. lц – работа цикла
1
4
б) простейшей ГТУ:
(
l
ц
4
1
q
2
Бо´ льшая часть работы, произведенной в турбине (50…75 %), расходуется на привод компрессора, оставшаяся часть затрачивается на
производство электроэнергии в генераторе. Отработавшие в турбине
газы выбрасываются в атмосферу. Процесс отдачи теплоты рабочим
телом в окружающую среду условно изображается линией 4-1. Полезной работе цикла (l
) на p, v-диаграмме соответствует площадь 1-2-3-4.
ц
Запуск ГТУ производится пусковым электродвигателем, а зажигание топлива осуществляется обычно только при запуске с помощью
установленной камеры сгорания электрической свечой.
Характеристики цикла
Степень повышения давления
2
. (3.1)
1
38
Степень изобарного расширения
p
v
3
, (3.2)
v
2
где
теплоты (сгорания топлива) соответственно, м
– удельный объем газов в начале и конце процесса подвода
и vv
23
3
/кг.
Подведенное тепло, кДж/кг:
()
132
p
, (3.3)
– темпера-
и TT
23
где
– изобарная теплоемкость газов, кДж/кг · К;
с
qcTT
тура газов в начале и конце процесса подвода теплоты (сгорания топлива) соответственно, К.
Отведенное тепло, кДж/кг:
()
241
p
, (3.4)
где
и TT
41
qcTT
– температура газов в начале и конце процесса отвода теп-
лоты соответственно, К.
Термический КПД идеального цикла ГТУ
qTT
t
241
11 1
qTT
132
()
()
1
, (3.5)
1
k
k
где k – показатель адиабаты продуктов сгорания.
Из (3.5) видно, что термический КПД ГТУ с подводом теплоты при
р = const зависит от степени повышения давления
при адиабатном сжа-
тии и показателя адиабаты k продуктов сгорания, т. е. в основном зависит
от работы компрессора. При увеличении σ растет
повышается и температура газов
перед турбиной. В совре-менных
Т
3
Однако при этом
.
t
ГТУ степень повышения давления выбирается такой, чтобы максимально
допустимая температура
не превышала 1200...1500 °С.
Т
3
39
Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты (цикл Гемфри)
В газотурбинной установке, работающей по этому циклу, процесс
сгорания происходит в замкнутом объеме камеры (рис. 3.2, а). Компрессор, приводимый во вращение турбиной, подает сжатый воздух
(процесс a-b, рис. 3.2, б) в камеру сгорания через управляемый кла-
пан 7. Второй клапан 5 находится в конце камеры сгорания и предназначен для
выхода продуктов сгорания на турбину. Топливо в камеру
сгорания подается через форсунку насосом, находящимся на валу турбины. Подача топлива должна осуществляться периодически топливным клапаном 3. В камере сгорания при закрытых клапанах 7 и 5 происходит процесс горения топлива в постоянном объеме (процесс b-c).
v
а б
Рис. 3.2.
1 – компрессор; 2 – топливный насос; 3 – впускной топливный клапан;
Схема (а) и идеальный цикл (б) с изохорным подводом
теплоты ГТУ:
4 – камера сгорания; 5 – выпускной клапан; 6 – газовая турбина;
7 – впускной воздушный клапан
При увеличении давления клапан 5 открывается, и продукты сгорания поступают в сопловой аппарат и на лопатки турбины. При прохождении через лопатки турбины газ адиабатно расширяется (процесс c-d), совершая работу, и выбрасывается в окружающую среду, где
он изохорно охлаждается (процесс d-a).
Характеристики цикла
Степень сжатия
v
a
, (3.6)
v
b
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]