Турбины тепловых и атомных электрических станций

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Институт дистанционного образования

Направление подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника»

Профиль подготовки «Тепловые электрические станции»

Кафедра атомных и тепловых электростанций. Энергетический институт

Турбины тепловых и атомных электрических станций

Индивидуальное домашнее задание №1

Вариант № 35 (3+5=8)

по дисциплине:

Турбины тепловых и атомных электрических станций

Томск - 2015



Задача 1

Для турбоустановки с промперегревом (без регенеративного подогрева питательной воды) по приведенным в таблице исходным данным определить:

а) мощности: идеальной турбины, внутреннюю, эффективную и электрическую;

б) относительные КПД: эффективный и электрический;

в) абсолютные КПД: внутренний, эффективный, электрический, и термический;

г) удельный расход пара и тепла;

д) полный расход тепла на турбоустановку;

е) потерю тепла в конденсаторе.

Проанализировать, как изменятся показатели установки, если при сохранении исходных данных убрать промперегрев.

Исходные данные:

P0=16.5 МПа - давление пара перед стопорным клапаном:

t0=525 °C - температура пара перед стопорным клапаном;

Pк=3 кПа - давление пара на выходе из турбины;

Pпе=0.22P0=0.22·16.5= 3.63 МПа - давление пара после промперегрева;

tпе=525 °C - температура пара после промперегрева;

G=185 кг/с - расход пара на турбину;

зoiI=0.85 - внутренний относительный КПД частей турбины до промперегрева;

зoiII=0.87 - внутренний относительный КПД частей турбины после промперегрева;

зм=0.996 - механический КПД турбины;

зг=0.986 - КПД генератора.

Решение:

Рисунок 1 - цикл ПТУ в T-S диаграмме

Мощности:

Теоретическая мощность идеальной турбины, в которой использованный теплоперепад равен располагаемому, определяется по формуле:

[3, стр.16, ф. 1.10]

где G - расход пара на турбину;

H0пп - располагаемый теплоперепад турбины с промежуточным перегревом,

[3, стр. 24]

где h0 - энтальпия свежего пара,

h1t - энтальпия пара после изоэнтропного расширения в цилиндрах высокого давления,

hпп - энтальпия пара после промежуточного перегрева;

hkt - энтальпия пара после изоэнтропийного расширения пара в цилиндрах низкого давления.

Найдем:

h0 - энтальпия свежего пара. Точка 0.

((3355,6+3384,1+3343,2+3372,3)/4) =>h0 = 3363,8 кДж/кг; [1, стр. 64, таб.III]

h1t - энтальпия пара после изоэнтропного расширения в цилиндрах высокого давления

Дросселирование в тракте промперегрева составляет 5% от Pпе, тогда давление пара в конце изоэнтропийного расширения пара в части высокого давления P1=1.05Pпе=1.05·3.63=3.8115 МПа.

Находим энтальпию точки 1t, как функцию: h1t = f(P1,S0) =

Где S0 находим из [1, стр. 64, таб.III] по точке 0 => (6,3790+6,4146+6,3389+6,3752)/4 = 6,3769

Из [1, стр. 28, таб.II]:

Для P = 3,8МПаS'=2,7690S''=6,0910h'=1072,8h''=2801,8

ДляP = 3,9МПаS'=2,7830S''=6,0802h'=1080,2h''=2801,4

Использую линейную регрессию:

Для P = 3,8115 МПаS'=0,0115*(2,7830 - 2,7690)/0,1 + 2,7690 = 2,77061S''=0,0115*(6,0802 - 6,0910)/0,1 + 6,0910 = 6,089758

h'=0,0115*(1080,2 - 1072,8)/0,1 + 1072,8 = 1073,65

h''=0,0115*(2801,4 - 2801,8)/0,1 + 2801,8 = 2801,754

Зная, что процесс изоэнтропийный, =>S0=S1t

ИмеяS', S'', S1t, - находимh1tмеждуh' иh'':

h1t= h' + ((S1t - S')*(h''- h')/(S''- S')) = 1073,65 + ((6.3769-2.77061)*(2801.754-1073.65)/(6.089758-2.77061)) = 2951.2536кДж/кг

hпп - энтальпия пара после промежуточного перегрева,

Точка «пп» [1, стр. 54, таб.III]:

Для P= 3,5 МПа и t=525C

h=(3519.5+3496.8)/2 = 3508.15S=(7.2454+7.2169)/2 = 7.2313

Для P=4,0 МПа и t=525C

h=(3514.5+3491.6)/2 = 3503.05S=(7.1790+7.1503)/2 = 7.16465

В нашем случае в точке «пп» давление равно Pпе=0.22P0=0.22·16.5 = 3.63 МПа

Вычислим h и S:

hпп= 3508,15+0,13*(3503,05-3508,15)/0,5 = 3506,824 кДж/кг

Sпп= 7,2313+0,13*(7,16465-7,2313)/0,5 = 7,21397 кДж/(кг*K)

hkt - энтальпия пара после изоэнтропийного расширения пара в цилиндрах низкого давления,

Зная, что процесс изоэнтропийный, =>Sпп=Skt

Из [1, стр. 24, таб.II]по Рк =3кПа находим

S'=0,3543,S''=8,5766,h'=100,99,h''=2544,9

по Skt (7,21397) вычисляем hkt :

hkt= ((7,21397-0,3543)*(2544,9-100,99)/(8,5766-0,3543)) + 100,99 = 2139,8865кДж/кг

Рисунок 2 - цикл ПТУ с промежуточным перегревом пара

Таким образом располагаемый теплоперепад турбины с промежуточным перегревом:

Действительный теплоперепад части высокого давления:

Действительный теплоперепад части турбины после промперегрева:

Внутренний относительный КПД турбины:

Внутренняя мощность турбины:

Эффективная мощность турбины:

Электрическая мощность турбины:

Относительные КПД:

Относительный эффективный КПД:

Относительный электрический КПД:

Абсолютные КПД:

Абсолютный КПД идеальной турбины:

[3, стр. 24, ф. 1.27]

где h'k - энтальпия конденсата на выходе из конденсатора, h'k= 100,99 кДж/кг

Из [1, стр. 24, таб.II]по Рк =3кПа

Абсолютный внутренний КПД:

Абсолютный эффективный КПД:

Абсолютный электрический КПД:

Удельный расход пара:

[2,стр.19,ф.2.17]

Удельный расход тепла:

[2, стр. 19, ф. 2.21]

где qп.п - теплота, сообщаемая пару при промежуточном перегреве;

Т.к. температура питательной воды на входе в парогенератор должнабыть 215-2200С, т.о. hп.в - энтальпия питательной воды на входе в парогенератор, hп.в=943,6 кДж/кг

hп.в - энтальпия питательной воды на входе в парогенератор, hп.в=200кДж/кг

Кр

Полный расход тепла на турбоустановку:

[2, стр.19, ф. 2.26]

[2, стр.19, ф. 2.26]

Потеря тепла в конденсаторе:

Без промперегрева:

Теоретическая мощность идеальной турбины:

Располагаемый теплоперепад турбины без промперегрева:

,

где hkt = 1891 кДж/кг- энтальпия пара после изоэнтропийного расширения пара в цилиндрах низкого давления.

hkt находим из [1, стр. 28, таб.II], зная Pkи Sk (Skt=S0 - процесс изоэнтропийный)

Skt = 6,3769(стр.5)S'=0,3543S''=8,5766h'=100,99h''=2544,9

ИмеяS', S'', Skt, - находимhktмеждуh' иh'':

h1t= h' + ((Skt - S')*(h''- h')/(S''- S')) = 100,99 + ((6.3769-0.3543)*(2544,9-100.99)/(8.5766-0.3543)) = 1891кДж/кг

.

Внутренний относительный КПД турбины:

Действительный теплоперепад турбины без промперегрева:

Внутренняя мощность турбины:

Эффективная мощность турбины:

Электрическая мощность турбины:

Относительные КПД:

Относительный эффективный кпд:

Относительный электрический кпд:

Абсолютные КПД:

Абсолютный КПД идеальной турбины:

где h'k - энтальпия конденсата на выходе из конденсатора, h'k= 100,99 кДж/кг

Абсолютный внутренний КПД:

Абсолютный эффективный КПД:

Абсолютный электрический КПД:

Удельный расход пара:

Удельный расход тепла:

hп.в - энтальпия питательной воды на входе в парогенератор, hп.в=943,6 кДж/кг

hп.в - энтальпия питательной воды на входе в парогенератор, hп.в=200 кДж/кг

кр

Полный расход тепла на турбоустановку:

кр

Потеря тепла в конденсаторе:

Анализ результатов расчета и выводы: в результате для турбоустановки с промперегревом и без промперегрева были рассчитаны следующие параметры: мощности; относительные КПД; удельный расход пара и тепла; полный расход тепла на турбоустановку; потери тепла в конденсаторе.

Из результатов расчета видно, какое влияние оказывает промперегрев на параметры турбоустановки, а именно в турбине без промперегрева изменились следующие показатели:

Увеличилась влажность на последних ступенях.

Уменьшился КПД всей турбины.

Увеличился удельный расход пара на выработку эл. энергии.

Следовательно делаем вывод, что промперегрев в турбине оказывает положительное влияние, а именно позволяет улучшить основные показатели работы турбоустановки.

Сухость пара с промперегревом: 83,43%

Сухость пара без промперегрева: 73,25%

С промперегревом цикл более экономичный чем без промперегрева. Это сказывается с ростом работы пара в турбине (теплоперепада). Также влажность пара с промперегревом меньше, чем без промперегрева это положительно влияет на лопатки последних ступеней турбины.

Задача 2

Произвести тепловой расчет промежуточной ступени для паровой турбины по следующим данным:

Расход пара G=49 кг/с;

Давление пара перед ступенью P0=4 МПа;

Температура пара перед ступенью t0=415°C;

Частота вращения n=50 c-1;

Скорость пара на входе в сопловую решетку с0=70 м/с;

Угол выхода потока из сопловой решетки б1=13°С;

Средний диаметр ступени dc=dл=d=0,96 м;

Степень реактивности на среднем диаметре сср=0.2.

В результате расчета необходимо определить основные геометрические параметры решеток, подобрать их профиль, найти число лопаток в решетках, определить относительный кпд на лопатках ступени и мощность на лопатках.

К расчетам приложить эскиз проточной части ступени, треугольники скоростей и изображение процесса расширения пара на решетках в hs-диаграмме.

u/cа=ха=0.5.

Решение:

Методика расчета по [3, стр.103, табл. 3.2]

Окружная скорость на среднем диаметре:

По заданным значениям давления P0 и температуре t0 (х0) при помощи таблиц [1]

Энтальпия пара перед ступенью h0=3249,65 кДж/кг. [1, стр. 53, таб.III]

S0=6.82295 кДж/кг*Кх0=0,0754м3/кг

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Определяем энтальпию торможения

, кДж/кг.

По полученным значениям и с помощью таблиц определяем:

м3/кг;

, 0С.

Из условия задачи и получения максимального КПД

,

откуда по U и находим Сф= 150,8/0,5 = 301,6 м/с

Определяем располагаемый теплоперепад ступени от параметров торможения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

, , кДж/кг.

Энтальпия за ступенью в теоретическом процессе

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

кДж/кг.

По полученным значениями по таблицам определяем:

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

.

Располагаемый теплоперепад сопловой решетки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

кДж/кг.

Располагаемый теплоперепад рабочей решетки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

кДж/кг.

Теоретическая скорость на выходе из сопловой решётки

м/с.

Энтальпия за сопловой решеткой в теоретическом процессе:

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

.

По полученным значениям и по таблицам определяем:

.

Определяем отношения и сравниваем с кр (кр = 0,546 для перегретого пара; кр = 0,577 для влажного пара). Если 1>кр, то режим докритический.

Принимаем 1 = 0,98.

Определяем высоту сопловой лопатки:

,

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

где е = 1 - степень парциальности ступени.

Принимаем хорду профиля b1 = 0,04, и по отношению о

определяем по графику (рис.3) 1=0,974 и уточняем = 0,0221 м

Рисунок 3 Коэффициент расхода для перегретого пара и поправка на влажность

тепло турбина паровой

Рисунок 4 Коэффициенты скорости для сопловых и рабочих решеток

Находим по графику (рис.4) коэффициент скорости сопловой решётки .

Определяем действительную скорость на выходе из сопловой решетки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

.

Находим потери в сопловой решётке

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Определим относительные потери в сопловой решетке:

.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Определим угол на входе в рабочую решётку



Рассчитаем действительную относительную скорость пара на входе в рабочую решётку

.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Энтальпия в действительной точке за сопловой решеткой

.

По найденным P1 и h1 находим:

, кДж/(кгК);

.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Энтальпия торможения перед рабочей решеткой

, кДж/кг.

По полученным значениям и определяем:

.

По P2 и S1 по таблицам или находим:

, кДж/кг.

.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Располагаемый теплоперепад рабочей решетки:

, кДж/кг.

Теоретическая относительная скорость на выходе из рабочей решётки:

.

Определим высоту рабочей решетки на выходе с учетом перекрыш

l2 = l1 + (0,004-0,01)=0,022+0,005=0,027, м.

Принимаем хорду профиля рабочей решётки b2 = 0,03-0,07 м, и по отношениюо определяем по графику (рис.3) 2 и уточняем l2.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Находим угол на выходе из рабочей решётки:

,

откуда =17,850

Находим = 180 - 1 - 2=180-30,04-17,85=132,1

Определим из графика (рис.4) коэффициент скорости рабочей решётки .

Действительная относительная скорость пара на выходе из рабочей решётки:

.

Потери энергии в рабочей решётке

.

Действительная абсолютная скорость на выходе из рабочей решётки

Определяем угол (угол направления скорости с2):



Число М1t по скорости с1t:

где б - скорость звука на выходе из сопел при изоэнтропном истечении пара,

где k - показатель адиабаты, для перегретого пара k=1.3.

Число М2t по скорости W2t:

Подбираем стандартные профили лопаток для решеток [4]:

для сопловой - С-90-15А;

для рабочей - Р-26-17А.

Размер хорды профиля сопловой решетки принимаем: b1=51.5 мм.

Размер хорды профиля рабочих лопаток принимаем b2=25.7 мм

Ширина СР:

где - установочный угол СР;

Ширина РР:

где - установочный угол РР, .

мм.

Число лопаток сопловой решетки:

Число лопаток рабочей решетки:

Потери в сопловой решетке:

Потери в рабочей решетке:

Энергия выходной скорости:

Располагаемая энергия ступени:



где чв.с=1

Относительный КПД на лопатках через потери

.

Относительный КПД на лопатках через скорости

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Погрешность расчета КПД

,%.

Если >2% значит, при расчете потерь или скоростей есть ошибка.

Расхождение 0,44%.

Мощность на лопатках:

Анализ результатов расчета:в результате расчета определены основные геометрические параметры решеток; подобраны стандартные профили лопаток; найдено число лопаток в решетках; определен относительный кпд на лопатках ступеи и мощность на лопатках.

Рисунок 5 Совмещённые треугольники скоростей (Масштаб: 1см - 25м/с)

Ответы на вопросы

Почему турбины высокого начального давления выполняют с промежуточным перегревом пара?

Промежуточный перегрев пара используют для уменьшения конечной влажности пара в последних ступенях паровой турбины.

Промежуточный перегрев пара, несмотря на усложнение конструкции котельного агрегата и паровой турбины, а также на некоторое увеличение длины паропровода, создает большие экономические преимущества по сравнению с циклом без промежуточного перегрева. Применение вторичного перегрева сокращает расход топлива на 4--5%, а пара на 15--17%, что уменьшает размеры основного и вспомогательного оборудования.

Именно для увеличения КПД, уменьшения влажности и уменьшения удельных расходов применяют промперегрев.

На турбинах малой мощности применять промперегрев нецелесообразно, т.к.:

во первых, в основном турбины малой мощности делают одно цилиндровые,

во вторых, экономические улучшения в турбинах малой мощности незначительны, по сравнению с увеличением сложности, стоимости ввода и стоимости эксплуатации

Почему в суживающейся сопловой решетке без косого среза невозможно расширение пара до давления, меньшего критического?

Сопла с косым срезом. Ранее было показано, что в суживающихся соплах, плоскость выходного сечения которых перпендикулярна оси сопла, скорость истечения не может быть больше скорости звука. Кроме этих так называемых нормальных сопел с прямым срезом существуют еще суживающиеся сопла с косым срезом, в которых плоскость выходного сечения не перпендикулярна оси сопла (рис. 9.20). ?[c.320]

Течение газа в суживающихся соплах с косым срезом имеет особенности, которые обусловливают достижение в этих соплах сверхзвуковыхскоростей истечения. При больших противодавлениях выходящая из сопла струя газа направлена по оси сопла, составляющей с плоскостью среза угол а. Истечение газа из сопла с косым срезом аналогично истечению из суживающегося сопла с прямым срезом.Давление газа в наиболее узком сечении D равно наружному давлению, а скорость истечения меньше или равна скорости звука. ?[c.354]

Какая связь существует между потерями энергии в сопловой и рабочей решетках и величиной степени парциальности ступени?

Список использованных источников

Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара / А.А. Александров, Б.А. Григорьев. - М.: Издательство МЭИ, 1999. - 169 с.

Турбины тепловых и атомных электрических станций: Учебник для вузов.-2-е изд., перераб. и доп./ А.Г. Костюк, В.В. Фролов, А.Е. Булкин, А.Д. Трухний; Под ред. А.Г. Костюка, В.В. Фролова. - М.: Издательство МЭИ, 2001. - 488 с. ил.

Паровые и газовые турбины / Трубилов М. А., Арсеньев Г. В., Фролов В. В. и др.; под ред. А. Г. Костюка и В. В. Фролова. - М.: Энерго-атомиздат, 1985. - 352 с

Щегляев А. В. Паровые турбины. Кн. 3. - 6-е изд. - М.: Энерго-атомиздат, 1993. - 356 с

Размещено на Allbest.ru