Рассчет принципиальной схемы совместного производства электрической и тепловой энергии

1. Введение

Тепловая и электрическая  энергия в наше время являются одними из наиболее востребованных продуктов. Без них практически невозможно представить себе повседневную жизнь современного человечества. От данного продукта зависят практически все сферы деятельности, такие как фабрики, заводы, транспорт, медицинские учреждения и многое другое.

Отрасль электроэнергетики очень уникальна, она требует разработки специальных методик для расчета и проектирования новых объектов по производству тепловой и электрической энергии, как, например, теплоэлектроцентраль (ТЭЦ). Цель создания ТЭЦ состоит в производстве тепловой и электрической энергии для обеспечения потребителей, находящихся в зоне обслуживания данной теплоэлектроцентрали, а также в производстве электроэнергии для передачи ее в районы с дефицитом электроэнергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Постановка  задачи

    Нам  необходимо рассчитать принципиальную схему совместного производства электрической и тепловой энергии, рассчитать её основные технологические элементы, построить цикл на I-S диаграмме, рассчитать производительность ТЭЦ. 

    Исходные данные:

-давление пара р₀ = 2 МПа, t₀ = 500 °С;

-давление в  конденсаторе турбины р_к =  0,005 кПа;

-коэффициент  полезного действия котлоагрегата h_ка =  0,85;

-электромеханический  КПД турбины h_мех = 0,95;

-давление смеситель конденсатов р_кс = 0,07 МПа;

-начальная температура t = 40°С;

-конечная температура t = 85°С;

-расход пара

-доля отбора

-индикаторный коэффициент полезного действия 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Теоретические сведения

   Объектом исследования является простейшая ТЭЦ с одним промежуточным отбором рабочего пара для целей теплофикации. Для преобразования тепла в работу используется термодинамический цикл Ренкина.

3.1. Цикл Ренкина

Цикл Ренкина — термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью водяного пара.

Цикл Ренкина состоит  из следующих процессов:

4′-1 – процесс  парообразования в котле при  постоянном давлении;

1-2 – процесс адиабатного  расширения пара в турбине;

2-3 – процесс конденсации  влажного пара в конденсаторе  с отводом теплоты с помощью охлаждающей воды;

3-4 – процесс адиабатного  сжатия воды в насосе от  давления p2 до давления p1;

4-4’ – процесс подвода  теплоты к воде при давлении p1 в паровом котле до соответствующей этому давлению температуры кипения.

3.2. Определение электрической и тепловой мощности ТЭЦ

  Электрическая  мощность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Электрическую мощность выбирают предпочтительно не по заданной шкале мощностей, а по количеству расходуемого ими свежего пара.

Тепловая   мощность  - количество  тепловой  энергии, которое может быть произведено и (или) передано по тепловым сетям за единицу времени.

 

  По известному  расходу энергетического пара D₀ и доли пара, направляемого в промежуточный отбор α, определяются теоретическая и реальная электрические мощности ТЭЦ по формулам:

-реальная:

-теоретическая:

Тепловая мощность рассчитывается по формуле:

3.3. Технологическая  схема

  Разрабатывается укрупненная технологическая схема производства тепла и электроэнергии. Схема должна включать:

1. Блок парогенератора
2. Паровую турбину
3. Конденсатор
4. Смеситель конденсатов (деаэратор)
5. Насосы
6. Сетевой подогреватель
7. Электрический генератор

3.3.1.Сетевой подогреватель

   Назначение сетевого подогревателя состоит в нагреве заданного количества сетевой воды до заданной температуры. Принцип его работы ничем не отличается от принципа работы поверхностного конденсатора. Разница состоит, прежде всего, в том, что в конденсаторе холодный теплоноситель (циркуляционная вода) служит для конденсации пара, покидающего турбину, и создания низкого давления на выходе из турбины, а в подогревателе осуществляется нагрев сетевой воды до заданной температуры за счет тепла конденсации пара при давлении, которое обеспечивает необходимую температуру конденсации. Другое существенное отличие сетевого подогревателя от конденсатора состоит в условиях работы: параметрах нагреваемой среды и греющего пара. Давление циркуляционной воды в конденсаторе существенно ниже и определяется только необходимостью преодолеть гидравлическое сопротивление конденсатора и (при установке градирни) поднять ее до сопел разбрызгивающего устройства градирни и обеспечить ее распыл. По параметрам теплоносителей сетевые подогреватели работают в существенно более сложных условиях, чем конденсаторы. Зато объемные расходы теплоносителей, поступающих в подогреватели, существенно меньше и, как результат, их габариты значительно меньше, чем конденсаторов (хотя в абсолютных цифрах — это громадные аппараты). 

  Расчет сетевого подогревателя  проводится по упрощенной методике  и сводится к определению теплообменной поверхности. Температуру теплоносителя, поступающего от потребителя тепла принимаем 40 ⁰С. Температуру теплоносителя, направляемого потребителю тепла принимаем 80 ⁰С. По заданным температурам теплоносителей на входе и выходе аппарата рассчитывается средний логарифмический температурный напор. Коэффициент теплопередачи можно принять по справочным данным. Средний логарифмический температурный напор рассчитывается по традиционной формуле: 

Расход сетевого теплоносителя  определяется по формуле:

Расчет теплообменной поверхности сетевого подогревателя производится по формуле:

3.3.2. Конденсатор

   Конденсатор — теплообменный аппарат для конденсации (превращения в жидкость) паров вещества путём охлаждения. Для конденсации пара какого-либо вещества необходимо отвести от каждой единицы его массы теплоту, равную удельной теплоте конденсации. Для обратимых процессов она равна удельной теплоте парообразования. Поскольку при конденсации, как и при испарении, температура не изменится, пока не сконденсируется весь пар, процесс происходит практически при постоянных параметрах пара. Параметры пара при конденсации близки к состоянию насыщения. В то же время при поступлении всё новых порций пара в конденсаторе устанавливается динамическое равновесие, и в разных частях конденсатора параметры среды могут несколько отличаться друг от друга. Для охлаждения пара используется более холодная среда, очень часто — обычная вода. При отсутствии воды (например, в конденсаторах паровозов и энергопоездов) охлаждение производится воздухом.

 Тепловой расчет конденсатора  проводится аналогично расчету  сетевого подогревателя.

3.3.3. Деаэратор

Деаэратор — устройство для деаэрации воды, т. е. удаления из неё растворённых газов. Деаэратор устанавливают на тепловых электростанциях для деаэрации питательной воды, подаваемой в парогенераторы, и подпиточной воды, подаваемой в тепловую сеть. При отсутствии деаэрации растворённые в воде коррозионно-активные газы (кислород и свободная двуокись углерода), выделяясь в парогенераторе или тепловой сети, вызывают коррозию металла. По принципу действия различают деаэраторы термические (нашли наибольшее распространение), десорбционные, химические и др.

Деаэрации должна подвергаться питательная вода котлов и подпиточная вода при открытых и закрытых системах теплоснабжения. В связи с этим, чтобы все оборудование работало нормально, следует корректно и точно произвести расчет деаэратора.

Осуществив  верный расчет деаэратора, можно избежать многих проблем, связанных с перегрузкой и ненадлежащим качеством воды. 

 Кинетическое  уравнение для концентрации   растворённого в жидкости газа при его равновесной (с учётом содержания во второй фазе) концентрации  , исходя из закона Генри, выглядит как

,

где   — время; f — удельная поверхность раздела фаз; k — скоростной коэффициент, зависящий, в частности, от характерного диффузионного пути, который газ должен преодолеть для выхода из жидкости. Очевидно, для полного удаления газов из жидкости требуется   (парциальное давление газа над жидкостью должно стремиться к нулю, то есть выделившиеся газы должны эффективно удаляться и замещаться паром) и бесконечное время протекания процесса. На практике задаются технологически допустимой и экономически целесообразной глубиной дегазации.

В термических деаэраторах, основанных на принципе диффузионной десорбции, жидкость нагревается до кипения; при этом растворимость газов близка к нулю, образующийся пар (выпар) уносит газы (  снижается), а коэффициент диффузии высок (растёт k).

В вихревых деаэраторах собственно обогрева жидкости не происходит (это делается в теплообменниках перед ними), а используются гидродинамические эффекты, вызывающие принудительную десорбцию: жидкость разрывается в самых слабых местах — по микропузырькам газа, а затем в вихре фазы разделяются силами инерции под действием разности плотности.

3.4. Экономичность разработанной ТЭЦ

Основными показателями экономичности являются: удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении и КПД цикла КЭС.

4. Технологическая  схема производства тепла и электроэнергии

 

 

 

 

 

5. Практическая  часть

 

1. По индивидуальным  исходным данным на I-S диаграмме (приложение 1) строим линию реального процесса расширения пара в турбине, определяем энтальпии энергетического пара на входе и выходе турбины. В данной работе реальная точка выхода пара из турбины примерно попадает на правую пограничную кривую.

кДж/кг*град

 кДж/кг*град

 

2. По заданному  давлению в смесителе конденсатов  МПа на I-S диаграмме определяем температуру перегретого пара в точке промежуточного отбора и его энтальпия , которая одновременно является энтальпией греющего пара на входе в сетевой подогреватель.

 

3. По известному  расходу пара  и доли пара, направляемого в промежуточный отбор , определяем теоретическую и реальную электрическую мощность ТЭЦ.

-реальная:

-теоретическая:

- тепловая мощность  ТЭЦ:

При определении  расхода топлива теплоту его сгорания принимаем 45 МДж/кг, т.е. для условного топлива. Количество теплоты на получение энергетического пара определяем по разности энтальпии пара на входе турбины и энтальпии питательной воды подаваемой в котлоагрегат. КПД котлоагрегата принимаем равным 0,85.

Энтальпию пара i’ находим по таблице (приложение 2) при

i’=257,4 кДж/кг*град

 

4. Определяем  дополнительные данные для теплового  расчета аппаратов:

- энтальпию  конденсата пара  и его температура на выходе из сетевого подогревателя определяем по таблицам для насыщенного пара на линии насыщения МПа (приложение 2)

- при заданном  давлении  МПа в конденсаторе для отработавшего в турбине энергетического пара определяем температуру конденсации , энтальпию пара и конденсата , для этого используем таблицы для насыщенного пара (приложение 2).

5. Рассчитываем  смеситель конденсата по методике, известной из курса «Процессы и аппараты химической технологии»

При расчете  не учитываем потери воды в цикле, поэтому 

 

6. Тепловой расчет сетевого подогревателя проводим по упрощенной методике и сводим к определению теплообменной поверхности. Температуру теплоносителя, поступающего от потребителя тепла принимаем 40 . Температуру теплоносителя, направляемого потребителю тепла принимаем 85 .

По заданным температурам теплоносителей на входе и выходе аппарата рассчитываем средний логарифмический температурный напор. Коэффициент теплопередачи принимаем по справочным данным (приложение 3).

По рассчитанной на первом этапе тепловой мощности ТЭЦ определяем расход сетевого теплоносителя. Рассчитываем теплообменную поверхность сетевого подогревателя.

Коэффициент теплопередачи:

Расход сетевого теплоносителя:

, где Q – тепло равное тепловой мощности (39 МВт)