1 Новосибирски държавен технически университет ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА ТОПЛИННА ЕФЕКТИВНОСТ
1 СЪДЪРЖАНИЕ Въведение. 3 Постановка на проблема за определяне на топлинната ефективност на парна турбина в рамките на изчислителната и графична задача. 5 Изходни данни и топлинна схема на силовия блок. 6 Кондензационен режим. 8 Режим на отопление. 9 Методика за определяне на ексергийния КПД на енергоблок. 11 Кондензационен режим. 11 Режим на отопление. 12 Заключение. Литература. Въведение Енергийните блокове, използвани в топлоелектрическите централи (ТЕЦ), могат да бъдат разделени на две групи: кондензационни, които генерират (и доставят на потребителя) само електрическа енергия и когенерационни агрегати, които генерират (и доставят на потребителя) електрическа и топлинна енергия.
В енергийните блокове се извършват процеси на неравновесна трансформация на енергия: химическата енергия на горивото е неравновесна (т.е. със загуби) се трансформира в топлина и след това в механична работа, която се превръща в електричество. За да се осъществи непрекъснат процес на трансформация на енергия под формата на топлина в механична работа, е необходимо да има "горещи" и "студени" термодинамични източници на топлина и да се използва работна течност в енергийния блок. Последният в кръгов термодинамичен процес (цикъл) променя състоянието си в резултат на извършване на работа и доставяне (или отнемане) на енергия под формата на топлина.
Уравнението на първия закон на термодинамиката за кръговия процес dQ = dW, като се вземе предвид фактът, че dU = 0, е теоретичната основа на процеса на преобразуване на енергия, на базата на който се създават и работят енергийни агрегати. Условията за осъществяване на тези процеси се определят от втория закон на термодинамиката, според който dW = dQ - dQ, dW dQ 1, dQ dQ 0. Термодинамичната ефективност на процеса на преобразуване на топлината в работа се оценява чрез коефициента на полезнодействие (коефициент на ефективност) t = dW dQ = 1 - dQ dQ 1. Максималната12 работа ще бъде получена, когато увеличенията на „горещите“ и „студените“ термодинамични източници на топлина са еднакви:
dQWmax = 1- () dQ Q1, където T, TG - температура на околната среда и "горещ" термодинамичен източник.
Причините за неравновесието на реалните процеси са пренос на топлина при крайна температурна разлика и триене. В резултат на това при изгаряне на гориво се получава както разграждане (намаляване на качеството) на енергията по време на трансформацията на химическата енергия в топлина, така и енергията се отстранява (поради невъзможността за техническо използване) в околната среда (например с газове, напускащи котела, които имат по-висока температура от околната среда). Когато топлината се трансформира в работа, процесът на разширяване на работния флуид е придружен от триене, което, както е известно, отново се превръща в топлина и отива за увеличаване на енталпията на работния флуид, за загряване на метала на елементите и корпусите на блоковете, следователно, заедно с 1 = min0 от силовия блок dQ dQ, е необходимо да се отведе топлината на триене в околната среда. Преобразуването на механичната работа в електричество също е придружено от триене (триене в лагери и по време на движение на механизми, триене по време на движение на електрони в проводниците на намотките на статора и ротора на генератора, което също се превръща в топлина и трябва да бъде изхвърлено в околната среда). Освен това има загуби в свързващите тръбопроводи (поради неравновесен топлообмен с околната среда и в резултат на движението на работния флуид с триене).
По този начин мощността на клемите на генератора:
= - min dQ dQ dQ, 12 където = Q при изгаряне на гориво в количество B със специфична химична енергия dQ (топлина на горене) Q ;
dQ е отнетата топлина поради неравновесни процеси. От товаОт израза следва, че за да се намали разходът на гориво за енергиен блок при дадена мощност NG, топлинният инженер трябва да се стреми към икономически обосновано (при дадени реални условия) намаляване на необратимостта на процесите, т.е. до намаляване на dQ.
Топлоелектрическите централи могат да изгарят въглища, газ и течни горива. За да се сравни ефективността на енергийните агрегати, изгарящи различни горива, се въвежда концепцията за еталонно гориво с Q = 29,3 MJ/kg. Еталонният разход на гориво, kg c.f./s, се определя от отношението c.t. = Q 29.3, а неговата специфична консумация на kWh електроенергия, kg еталонно гориво / (kWh), 3600 1 0.b = =, 29, където = Q е ефективността на кондензационния енергоблок.
( ) За когенерационни енергийни блокове, при оценка на ефективността на комбинираното производство на енергия, се използват условни показатели, така наречените коефициенти на частична ефективност за производството (производството) на електроенергия и (производството (производството) на топлина):
= Q - Q, Q = Q Q, ( ) където Q, Q са топлината, произведена и доставена на потребителя на топлина.
Съответна специфична консумация на еталонно гориво, kg еквивалент на гориво/(kWh):
b = 0,123, bQ = 0,123 Q.
Във формулата () Wmax представлява ексергията - максималната възможна работа на системата, в която "студеният" термодинамичен източник е Околната среда, и се обозначава с буквата E. Според () топлината Q се състои от две части с различно качество: E - ексергия, конвертируема (при дадени гранични условия) част от топлината в работа и - необратима (при същите dQ гранични условия) част от топлината, която в известен смисъл може да се сравни с ролята на горивен баласт. Загубата на ексергия или загубата на възможна работа не означава унищожаване на която и да е част от енергията, а нейното преминаване в необратима топлина, т.е. загуба на ексергия. Може да се представи механизмът за възникване на ексергийни загубиТака.
Част от идеалната техническа работа (ексергия), поради триене и неравновесен топлопренос, отново се превръща в топлина, която според втория закон на термодинамиката не може отново да се превърне напълно в работа. В общия случай една част от тази топлина отново преминава в работа, а другата част се пренася в околната среда и представлява крайната безвъзвратна загуба, наречена ексергия. Очевидно загубата на ексергия, като част от ексергията, изразходвана за триене и неравновесен топлообмен, не е включена в реалната работа.
Следователно мощността на клемите на генератора:
= - S, където е сумата от ексергийните загуби.
S За редица термични процеси (включително пренос на топлина), загубата на ексергия може да се изчисли като разликата между ексергията преди и след процеса. Преходът на необратимата част от топлината, еквивалентна на тази разлика, към околната среда не е задължително да се случи в тази част на енергийния блок, където възниква загубата на ексергия. В кондензационен енергоблок например загубата на ексергия от неравновесен топлообмен между продуктите на горенето (димните газове) и водата и парата се извършва в котела, но преминава в околната среда в кондензатора. На същото място загубата на ексергия преминава в околната среда, причинена от неизотермичното разширение на парата по пътя на потока на турбината. Преходът на химическата енергия в топлина по време на изгарянето на горивото е придружен от появата на загуба на ексергия.
Докато енергията беше химическа, тя, подобно на механичната и електрическата енергия, беше организирана енергия, т.е. напълно конвертируеми в други видове. Следователно, в топлотехническите изчисления се смята, че топлината на изгаряне на горивото измерва с достатъчна точност химическата енергия, равна на неговата ексергия.
Ексергийна ефективносткондензационен агрегат:
Г =, където 0 Q - ексергия на горивото.
Коефициент на ексергиен КПД на когенерационния агрегат:
+ =, dQ където = 1- dQ Q ; TT е температурата на енергоносителя (мрежова вода, пара).
Съответна специфична консумация на еталонно гориво, kg еквивалент на гориво/(kWh):
, Q Изложение на проблема за определяне на топлинната ефективност на парна турбина в рамките на изчислителната и графична задача Изчислете принципната топлинна диаграма (с деаераторно нагряване на захранващата вода) на топлинна и енергийна единица въз основа на метода на енергийните и ексергийни баланси. Определете загубите на енергия и ексергия по време на работа на енергийния блок в режими на кондензация и отопление. Сравнете показателите за енергийна и ексергийна ефективност. Въз основа на резултатите от изчисленията изградете диаграми на енергийните и ексергийните баланси.
Първоначални данни и топлинна схема на силовия блок Дадени:
• електрическа мощност на отоплителния блок (Таблица 2.1);
• начални параметри на парата (налягане и температура);
• относителен разход на пара при контролирано топлоотвеждане (за режим отопление);
• вид гориво (кафяви, каменни въглища, газ);
Например в таблица 2.1 е представен вариант на изходните данни. Нека ги опишем накратко.
Вариант на изходни данни Таблица 2. № параметри на варианта NG, MW P0, bar t0, OS PK, bar T гориво 1 50 130 540 0,05 0,4 KU Когенерационният блок има еднаква електрическа мощност - 50 MW при работа в когенерационен и кондензен режим.
Принципната топлинна диаграма е показана на фиг. 2.1 Горивото в количество B kg/s след системата за подготовка на горивото влиза в горелките на котела. Димните газове от котела след системата за почистване сс помощта на димососи се изхвърлят в комина. Въздухът, необходим за изгаряне на горивото, се подава към пещта на котела от вентилатор. Парогенериращите повърхности са разположени в котела. Предварително загрятата пара след котела се подава с температура 540 °C и налягане 130 bar към парната турбина, след което отработената пара се кондензира при налягане 0,05 bar в кондензатора. Кондензационната топлина се отвежда към циркулиращата охлаждаща вода, подадена към кондензатора от циркулационни помпи. Кондензатът се подава от кондензни помпи към деаератора, където поради парата, взета от турбината, се извършва както обезвъздушаване на захранващата вода, така и нагряването й до температурата на кондензация на избраната пара (при налягане в деаератора от 6 бара, взето в изчисленията). След деаератора водата се подава от захранваща помпа към котела. Част от електроенергията, генерирана от генератора, равна на разходите за собствени нужди на енергоблока, се подава чрез спомагателния трансформатор към електродвигателите на спомагателните механизми. Електроенергията се доставя на потребителите чрез повишаващи трансформатори. От изхода на турбината се подава пара в количество Т за захранване на отоплителни консуматори. При изчисленията се приема, че кондензатът на тази пара се връща изцяло от консуматорите и се изхвърля в деаератора.
Гориво KU, дадено в таблица 2.1 - Кузнецки въглища (виж таблица 2.2).
Калоричност на някои енергийни горива Кафяви въглища Gusinozersky (GU) 16, въглища Neryungri (NU) 24, мазут със сяра (MS) 39, P0, ta) NG 2 G RK V QT T 5 b) P t (PV) PN RKN RD R D KSK K X=0 X=S Фиг. 2.1 Принципна схема (а) и цикъл (б) на когенерационен енергоблок 1 - система за подготовка на горивото; 2 - котел; 3 - система за почистване на димни газове; 4 - димоотвод; 5 - комин; 6 - вентилатор; 7 - парна турбина; 8 - електрически генератор; 9 - спомагателен трансформатор; 10 - повишаващ трансформатор; 11 - потребител на електроенергия; 12 - кондензатор; 13 - циркулационна помпа на системата за техническо водоснабдяване;
14 - кондензна помпа; 15 - обезвъздушител; 16 - захранваща помпа; 17 - извличане на пара към деаератора; 18 - нагряване на пара; 19 - консуматори на топлина; 20 - мрежова инсталация; 21 - мрежова помпа Urengoy gas (UG) 36, Метод за изчисляване на топлинната ефективност на парна турбина, въз основа на метода на енергийния баланс Кондензационен режим.
В кондензационен режим отвеждането на топлина е забранено и T = 0.
Алгоритмично методът за изчисляване на топлинната ефективност на енергийния блок е представен в следната форма.
1. Изгражда се цикъл (фиг. 2.1) на енергийния блок O, K, K, KN, D, PN:
пн. O - изобарен процес на генериране на пара; O. K - разширение на парата в турбината; K. K - кондензация на отработената пара; K. KN - процес в кондензна помпа; KN. D - нагряване на водата в деаератора; D. PN - процес в захранващата помпа. Състоянието в точка ST се определя като състояние на питателната вода - SW при температура на питателната вода tPV=f(RD) и налягане Р0. При изчисленията процесите в кондензната и захранващата помпи се приемат за изенталпични.
Състоянието на отработената пара след турбината е на изобарата RK, според енталпията на тази пара hK = h0-(h0-hKS)T, където T е коефициентът на полезно действие на парната турбина (T = 0,83. 0,85).
Енталпиите в характерните точки на цикъла могат да бъдат определени от P, S диаграмата и записани в таблица 3.1.
Параметри на цикъла Таблица 3.1.
Параметри Характерни точки на цикъла O R KS K KH D PS K h, kJ/kg P, bar t, OS S, kJ/kgK 2. Определя се потокът на прегрята пара към турбината, kg/s:
D \u003d, 1- yR ) EM ( R където H \u003d h - h - топлинен спад към турбината; NG - мощност, kW;
yR = h - h H, = h - h h - h - коефициент на недостатъчно производство и () () ( ) R R P R V относителен поток на пара от извличането на турбината към деаератора (за подгряване на захранващата вода); точка R се определя на диаграмата P, S в пресечната точка на изобарата PD=PR с линията на процеса на разширение на парата в турбината O, K;
EM=0,97. 0,98 - електромеханична ефективност на турбогенератора.
3. Консумирана топлина за производство на електроенергия, kW:
( ) Топлина, отведена към циркулиращата вода в кондензатора, kW:
h ( ) R Топлина на регенеративно нагряване на захранващата вода в деаератора, kW:
( ) R R 4. Разход на гориво за котела, kg/s (m3/s):
QE 10- \u003d, Q където K е ефективността на котела (при изчисления се взема на ниво от 0,90. 0,92 при работа с въглища и - 0,94. 0,95 при работа с нефтено-газово гориво).
5. Горивна топлина, неизползвана в котела, kW:
( ) 6. Консумация на електроенергия за собствени нужди, kW:
, - за тягови агрегати TD = 36 D0, TD където TD е специфичното потребление, (kWh)/t, на електроенергия (с отчитане на коефициента на безопасност), TD=4 при работа с нефтено-газово гориво; TD=7,8 при работа на въглища;
- за подготовка на гориво = 36, където TP=27 при изгаряне на кафяви въглища; TP=30 - при изгаряне на въглища;
, D0, - за циркулационни, кондензни помпи TsN = 36 1- ) ( TsN R където TsN=6,7 за системи за циркулационно водоснабдяване;
- за захранващи помпи = 014P0D, където PN=0,82. 0,85 - ефективност на помпата;
- обща консумация на електроенергия, kW:
7. Ефективност на електроснабдяването:
= 103 -CH Q = CH, () ( ) където Ефективност на собствени нужди CH = - CH10-3 ; Ефективността на преноса на топлина TE ( ) се приема равна на единица; КПД на турбогенераторния комплект за производство на електроенергия = 103 QE.
( ) 8. Специфичен референтен разход на гориво за доставена електроенергия, kgce/(kWh):
9. Въз основа на резултатите от изчисленията изграждаме схема на енергиен баланс (фиг. 3.1 а).