Энергогенерирующая установка и её технико-экономические показатели

Белорусский национальный технический  университет

Факультет энергетический

Кафедра Промышленная теплоэнергетика  и теплотехника

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Технология  энергетического производства»

Тема: «Энергогенерирующая установка и её технико-экономические показатели»

 

 

 

Исполнитель: студентка энергетического  факультета, второго курса, группы 106710

Корх Екатерина Юрьевна

Руководитель проекта:

Космачёва Элеонора Михайловна

 

 

 

 

Минск, 2012

Белорусский национальный технический  университет

Кафедра Промышленная теплоэнергетика  и теплотехника

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине «Технология  энергетического производства»

Тема: «Энергогенерирующая установка и её технико-экономические показатели»

 

 

 

 

Исполнитель: __________________________ Корх Е. Ю.

студентка энергетического  факультета, второго курса, группы 106710

Руководитель проекта: ______________ Космачёва Э. М.

 

 

 

 

Минск, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение……………………………………………………….………………..5

1. Общая характеристика парогазовых установок………………………….…..6
2. Выбор схемы ПГУ и её описание……………………………………..………9
3. Цикл ПГУ в T, s – диаграмме и его описание………………………….……10
4. Термодинамический расчет цикла газотурбинной установки………….….11
5. Расчет цикла паротурбинной установки…………………………………….13
6. Определение технико-экономических показателей ПТУ…………………..15
7. Расчет цикла ПГУ…………………………………………………………..…17
8. Определение электрической мощности газотурбинной установки (ГТУ) и её технико-экономических показателей………………………………….….18
9. Определение технико-экономических показателей ПГУ……………..……19
10. Сводная таблица результатов расчета по трем видам энергогенерирующих установок. Анализ результатов расчета……………………………..………20

Список использованной литературы……………………………….………..21

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В любой стране энергетика является базовой отраслью экономики, стратегически важной для государства. От её состояния и развития зависят  соответствующие темпы роста  других отраслей хозяйства, стабильность их работы и энерговооруженность. Энергетика создает предпосылки для применения новых технологий, обеспечивает наряду с другими факторами современный  уровень жизни населения. На независимости  страны от внешних, импортируемых энергоресурсов, также как и на развитом оборонном  вооруженном комплексе основывается высокая позиция государства  на международной политической арене.

В промышленности электрическая  энергия из тепловой получается путем промежуточного преобразования её в механическую работу. Превращение тепла в электричество с достаточно высоким кпд без промежуточного преобразования его в механическую работу было бы крупным шагом вперёд. Тогда отпала бы надобность в тепловых электростанциях, использовании на них тепловых двигателей, которые имеют относительно низкий кпд, весьма сложны и требуют довольно квалифицированного ухода при эксплуатации. Современная техника пока не позволяет создать более или менее мощные установки для получения электричества непосредственно из тепла. Все установки такого типа пока могут работать или только кратковременно, или при крайне малых мощностях, или при низких кпд, или зависят от временных факторов, таких как погодные условия, время суток, и т.п. В любом случае они не могут гарантировать достаточную стабильность в энергоснабжении страны.

Поэтому на тепловых электростанциях  нельзя обойтись без тепловых двигателей. Перспективное направлении развития энергетики связано с газотурбинными (ГТУ) и парогазовыми (ПГУ) энергетическими установками тепловых электростанций. Эти установки имеют особые конструкции основного и вспомогательного оборудования, режимы работы и управление. ПГУ на природном газе – единственные энергетические установки, которые в конденсационном режиме работы отпускают электроэнергию с электрическим кпд более 58% .

В энергетике реализован ряд  тепловых схем ПГУ, имеющих свои особенности  и различия в технологическом  процессе. Происходит постоянная оптимизация как самих схем, так и улучшение технических характеристик её узлов и элементов. Основными показателями, характеризующими качество работы энергетической установки, являются её производительность (или кпд) и надёжность.

В этой работе особое внимание уделяется практической стороне  вопроса, т.е. насколько выгодно с  экономической точки зрения использование  ПГУ в энергетике.

 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПГУ

 

В поисках путей улучшения  экономики газовых турбин ученые и конструкторы разработали оригинальную систему комбинированных установок. Эти установки, которые называются парогазовыми, состоят из сочетания  паровой и газовой турбины.

Совместное использование  парового и газового цикла снижает  удельный расход тепла на 4-7% по сравнению  с паротурбинной установкой аналогичной  мощности и параметров при одновременном  уменьшении на 10-12% капиталовложений. Большой  опыт строительства ПГУ в зарубежной энергетике показал, что их можно  сооружать за короткие сроки.

Установка состоит из двух ступеней: газотурбинной установки  или ГТУ, паротурбинной установки  или ПТУ.

Воздух сжимается в  компрессоре и поступает в  камеру сгорания, в которую подается топливо, и при его сгорании образуются высокотемпературные газы. Степень  повышения давления, т.е. отношение  давлений воздуха на входе и выходе в современных установках достигает 15 раз. Температура на выходе из камеры сгорания составляет 1000-1200 °С.

Далее в блоке турбина-генератор  происходит выработка электрической  энергии.

Отработавшие в ступени  ГТУ газы на выходе по-прежнему обладают высокой температурой (500-600 °С). Нецелесообразно  сбрасывать газы в атмосферу. Для  использования их тепла используют котел-утилизатор. Т.е. нижняя ступень  или паротурбинная установка (ПТУ) включает в себя: котел-утилизатор и  паровую турбину. Рабочим телом  ПТУ является вода и её пар. Рассмотрим работу этой установки: отработавшие в  ступени ГТУ высокотемпературные  газы попадают в паровой котел-утилизатор, в котором производится пар для  паровой турбины. Отработавший в  турбине пар сбрасывается в конденсатор, далее насосом снова на котел. Цикл повторяется.

Парогазовая установка с  котлом-утилизатором – наиболее перспективная  и широко распространенная в энергетике парогазовая установка, отличающаяся простотой и высокой эффективностью производства электрической энергии. Эти ПГУ – единственные в мире энергетические установки, которые  при работе в конденсационном  режиме отпускают потребителям электроэнергию с КПД 55-60%.

Эксплуатационные издержки мощной современной ПГУ вдвое  ниже по сравнению с издержками на пылеугольной ТЭС. Сроки строительства ПГУ, в особенности при поэтапном вводе в эксплуатацию, намного короче, чем сроки строительства мощных тепловых электростанций других типов.

Одной из главных причин перспективности ПГУ является использование  природного газа – топлива, мировые  запасы которого очень велики. Газ  – это лучшее топливо для энергетических ГТУ – основного элемента установки. Природный газ хорошо транспортируется на дальние расстояния по магистральным газопроводам. Его можно поставлять и в жидком виде, как сжиженный природный газ. Таким топливом, например, пользуются для ПГУ в Японии и Южной Корее.

Парогазовые установки могут  также работать при использовании  в ГТУ тяжелого нефтяного топлива, сырой нефти, побочных продуктов  переработки нефти, синтетического газа, получаемого при газификации  углей.

 

 

2. ВЫБОР СХЕМЫ ПГУ И ЕЁ ОПИСАНИЕ

 

Суть парогазовых установок (ПГУ) заключается в следующем: отработавшее в ГТУ рабочее тело выходит из турбины с достаточно высоким потенциалом – для современных ГТУ – 400-600 ᵒС. Этот поток направляется в паротурбинную часть схемы ПГУ. Реализация схемы ПГУ может осуществляться по двум вариантам:

1. ПГУ со сбросом выхлопных газов газовой турбины в обычный низконапорный парогенератор (ПГ).
2. ПГУ со сбросом выхлопных газов газовой турбины в паровой котёл-утилизатор(КУ) (Приложение 1).

В данной схеме отработавшие в газовой турбине (ГТ) выхлопные  газы сбрасываются в обычный низконапорный ПГ. Эта схема реализована в том случае, если паротурбинный блок уже существует на данном объекте и может достаточно продолжительное время работать.

Низконапорными генераторы называются так как горение топлива в них происходит при давлении, близком к атмосферному.

Горение топлива в данном ПГ в отсутствие воздуха происходит за счет кислорода, входящего в состав выхлопных газов (для обеспечения  допустимой для ГТ температуры рабочего тела 1000-1200 ᵒС воздуха в камере сгорания (КС) ГТУ подается значительно больше, чем теоретически необходимо, следовательно в этом дыме достаточно кислорода, который и поддерживает горение топлива в ПГ).

Так как выхлопные газы, поступившие в ПГ несут с собой достаточное количество энергии, то расход топлива в ПГ существенно уменьшается при той же электрической мощности. И в результате этого повышается термический КПД цикла объединенной ПГУ.

Схема, представленная в  пункте 1, то есть со сбросом выхлопных  газов в обычный низконапорный  ПГ применяется, когда ПТУ уже  существует на энергетическом объекте. Если же проектируется новая энергогенерирующая установка, то целесообразно реализовать схему со сбросом выхлопных газов в КУ. При этом в КУ не сжигается топливо, а генерация пара осуществляется только за счет энергии горячих выхлопных газов ГТ. При этом достигается максимально высокий КПД бинарного цикла ПГУ.

 

3. ЦИКЛ ПГУ В T, S – ДИАГРАММЕ И ЕГО ОПИСАНИЕ

 

 
Рисунок 1. Цикл ПГУ в T, s – диаграмме.

 

Выхлоп – состояние  точки 4 – направляется в КУ, где передаёт значительную часть своей энергии питательной воде, которая нагревается (8-9), превращаясь в пар (9-10), пар перегревается (10-5). Весь процесс 8-9-10-5 осуществляется за счет энергии выхлопных газов. Отдавая теплоту, они остывают и выбрасываются из КУ при температуре такой же, как из обычного ПГ (100-140 ᵒС).

Процесс 4-11 – это изобарный  процесс охлаждения дымовых газов  в КУ. (Они передали теплоту воде и обеспечили тем самым осуществление процесса 8-9-10-5).

 

4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЦИКЛА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

 

Расчёт цикла предполагает определение параметров в характерных  его точках.

Рисунок 2. Принципиальная схема и цикл газотурбинной установки

К – компрессор

КС – камера сгорания

ГТ – газовая турбина

ЭГ - электрогенератор

Основными параметрами являются: Давление р =[Па], температура Т [К], удельный объём v.

Точка 1:

p₁=0,1 МПа (задано)

t₁=18 ᵒC (задано)

Т₁=t₁+273=18+273=291 K

Удельный объём найдём из уравнения состояния идеального газа.

p₁v₁=RT₁, отсюда _;

где R – газовая постоянная

 

 

 

Точка 4:

(4-1) – процесс изобарный,  поэтому p₄=p₁=0,1 МПа

t₄=560  (задана)

T₄= t₄+273=560+273=833 K

 

Точка 3:

(3-4) – процесс адиабатный

t₃=1110 (задана)

T₃= t₃+273=1110+273=1383 K

Соотношение параметров в  адиабатном процессе:

 

 

где k – показатель адиабаты;

 

 

 

 

 

 

Точка 2:

(2-3) – процесс изобарный,  значит

р₂=р₃=0,59 МПа

(1-2) – процесс адиабатный, значит

 

 

t₂=T₂-273=483-273=210 ᵒC

 

Удельное количество подведенной  в цикл теплоты к 1кг рабочего тела:

q₁=C_p(T₃-T₂)=0.718(1383-483)=646,2

q₂=C_p(T₄-T₁)=0.718(833-291)=389,2

 q₁- q₂=646,2-389,2=257

 

 

=0,40·0,82·0,96=0,31 (31%)  (4.13)

 

 

5. РАСЧЕТ ЦИКЛА ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

 

 

Рисунок 3. Схема ПТУ и процесс расширения пара в турбине

ПГ – парогенератор

ПТ – паровая турбина

ЭГ – электрогенератор

НК – насос конденсатный

К – конденсатор

РП1, РП2 – регенеративные подогреватели 1, 2