Частина V. Базові енергетичні установки icon

Частина V. Базові енергетичні установки




Скачати 136.93 Kb.
НазваЧастина V. Базові енергетичні установки
Дата25.06.2012
Розмір136.93 Kb.
ТипДокументи


ЧАСТИНА V. БАЗОВІ ЕНЕРГЕТИЧНІ УСТАНОВКИ






Розділ14. Паротурбінні, газотурбінні і комбіновані енергоустановки та їх складові частини




Загальні питання


Парові і газові турбіни


Комбіновані установки


Технологічні показники парових турбін


Контрольні запитання

14.1. Загальні питання


^ Паротурбінні установки (ПТУ), що застосовуються як базові для виробництва електричної і теплової енергії є основою сучасної енергетики.

Для виробництва тільки електричної енергії застосовують конденсаційні ПТУ, електричної та теплової – теплофікаційні ПТУ (які мають регульовані відбори пари, що йде на теплопостачання).

Основними елементами ПТУ (рис.14.1) є: котел 1, турбіна 2, електрогенератор 3, конденсатор 5, циркуляційний 6, конденсатний 7 і живильний 9 насоси, бак живильної води 8 і охолоджувач циркуляційної води 10. Хімічна енергія палива, яке спалюють у топці котла, перетворюється в теплову енергію і передається (через радіаційні і конвективні поверхні нагріву котла) живильній воді. У результаті утворюється насичена пара, що перегрівається в пароперегрівачі і далі надходить при відповідному тиску р0 і температурі t0 до парової турбіни.

У сопловому апараті парової турбіни відбувається перетворення потенційної енергії пари в кінетичну, яка, у свою чергу, перетворюється на робочих лопатках в механічну енергію обертання ротора турбіни. Перетворення механічної енергії в електричну відбувається в електрогенераторі.

Особливістю конденсаційної установки є те, що відпрацьована водяна пара(за винятком деякої її кількості – до 20–30 %), яка відбирається у










Рис. 14.1 - Принципова схема конденсаційної паротурбінної установки: 1 – паровий котел; 2 – турбіна; 3 – електрогенератор; 4 – регульовані відбори пари; 5 – конденсатор; 6 – конденсатний
електронасос (КЕН); 7 – живильний
електронасос; 8 – бак живильної води;
9 – сітьовий насос; 10 – градирня
вигляді нерегульованих відборів і подається в систему регенеративного підігріву живильної води) направляється в конденсатор з тиском рк, значно нижче атмосферного. Конденсатор являє собою теплообмінник поверхневого типу, де в результаті теплообміну між відпрацьованою парою і холодною циркуляційною водою відбувається конденсація пари при температурі tк.

Конденсат конденсатним насосом подають в систему регенеративного підігріву живильної води. Далі після термічної дегазації (для видалення корозійних газів СО2 і О2) і додавання хімічно очищеної води (для поповнення втрат конденсату) живиль­ну воду живильним насосом подають у котел. У результаті робочий цикл замикається.

У комбінованому виробництві теплової і електричної енергії застосовують паротурбінні установки з регульованими теплофікаційними і промисловими відборами пари. Тиск теплофікаційного відбору пари значно нижчий, ніж тиск промислового.

Коли споживачеві (промисловому об’єктові) потрібна в значній кількості пара для технологічних потреб, використовують парові турбіни з протитиском. У цьому випадку в схемі ПТУ немає конденсатора, і вся відпрацьована пара направляється споживачеві. Конденсат пари, що надходить від споживача, частково або цілком повертається на станцію і використовується для живлення котлів. У таких установках кількість пари, що проходить через турбіну, а, отже, і кількість вироблюваної електроенергії цілком залежать від теплового споживання.

Тобто, станція, що оснащена турбінами з протитиском працює за заданим тепловим графіком, тобто повинна мати можливість віддавати всю вироб­лену нею електроенергію в електричну мережу досить потужної системи. У тих випадках, коли споживач зменшує витрату теплоти, що означає зниження вироблення і електричної енергії, електрична система має заповнювати це зниження потужності підвищенням її на інших станціях системи.

^ Газотурбінні установки порівняно з паровими мають такі особливості:

  • немає металоємних та об’ємних парових котлів і котельного цеху;

  • швидкий пуск, який створює сприятливі умови для використання ГТУ, щоб покрити пікові навантаження;

  • незначна потреба у воді;

  • значно менша кількість обслуговуючого персоналу (включаючи можливість повної автоматизації робочого процесу);

  • можливість роботи переважно на рідкому та газовому паливі.

Газові турбіни зі згоранням при постійному тиску можна розподілити на турбіни, що працюють у розімкненому і замкненому циклі.

На рис. 14.2 подано принципову схему ГТУ, що працює у найпростішому розімкненому циклу (циклу Брайтона).




Рис. 14.2 - Принципова схема газової турбіни
зі згоранням при постійному тиску:
1 – компресор; 2 – камера згорання;
3 – сопла; 4 – робочі лопатки; 5 – диск;
6 – вихлопний патрубок; 7 – форсунка;
8 – насос
Паливний насос 8 подає в камеру згорання 2 через форсунку 7 паливо, що згорає, змішую­чись з повітрям, яке подають у камеру під тиском, створюваним компресором 1. Продукти згорання проходять через сопла 3 і, розширюючись у них, надходять з великою швидкістю на робочі лопатки 4, установлені на диску 5. Відпрацьовані гази виходять
в атмосферу через вихлопний патрубок 6. Якщо потрібне комбіноване виробництво теплової і еле­ктричної енергії, то ГТУ може мати котел-утилізатор, з’єднаний з вих­лопним патрубком турбіни.

Показником ефективності перетворення хімічної енергії палива на електричну є коефіцієнт корисної дії установки. Найчастіше, ПГУ  ГТУ. Однак, якщо ПТУ і ГТУ використовують спільно, то ККД комбінованої установки (ПГУ) стає істотно вищим за відповідний показник ПТУ. Це пояснюється тим, що у цьому разі використовують переваги розгляданих установок і виключають недоліки, зумовлені термодинамічною недосконалістю кожної з них.

Вища початкова температура циклу ГТУ визначає її істотну термодинамічну перевагу порівняно з ПТУ. Водночас вища кінцева температура газотурбінного циклу визначає низьку термодинамічну ефективність ГТУ.

У комбінованому циклі ГТУ виконує роль надбудови над ПТУ, що зумовлює підвищення сумарного ККД комбінованого циклу.

Є багато різних варіантів парогазових установок і відповідних циклів, що визначаються особливостями функціонування елементів ГТУ і ПГУ
і їх взаємозв’язком. Одну з можливих схем ПГУ, що працює за бінарною схемою (за наявності двох силових контурів з роздільною подачею пари
і газу в парову і газову турбіну) наведено на рис. 14.3.



Рис. 14.3 - Принципова схема ПГУ з високонапорним парогенератором: 1 – паровий котел; 2 – парова турбіна (ЦВТ); 3 – парова турбіна (ЦНТ); 4 – економайзер;
5 – газова турбіна; 6 – компресор; 7 – регенератор; 8 – система регенеративного
підігріву живильної води; 9 – проміжний перегрів водяної пари

У цій схемі застосований високонапорний парогенератор 1, тобто котел спеціальної конструкції з топкою, що працює під тиском і забезпечує ефективну теплопередачу та високі теплові навантаження поверхонь нагріву (до 350 кВт/м2). Повітря, потрібне для горіння палива, подається осьовим компресором 6 через регенератор 7, де воно підігрівається відпрацьованими в газовій турбіні 5 газами. Після парогенератора гази подаються під тиском в газову турбіну. Відпрацьовані в турбіні гази подаються в регенератор для підігріву повітря і потім в економайзер 4 для підігріву живильної води паротурбінної установки, включеної послідовно із системою регенеративного підігрівача сітьової води 8. Пару високого тис­ку, отриману в парогенераторі, використовують для приводу парової двоциліндрової турбіни 2 і 3 з проміжним перегрівом пари 9.

Газова турбіна виконує функції приводу компресора, що знаходиться на її валу, а надлишкову потужність використовують для приводу електричного генератора.

Паливом у такій установці може слугувати газ або рідке паливо, що забезпечує чистоту продуктів згорання перед газовою турбіною для запобігання забрудненню її проточної частини.

Крім ПГУ, що працюють за бінарною схемою, є також комбіновані установки, що працюють за монарною схемою, у яких робоче тіло турбіни – це суміш продуктів згорання з водяною парою. Такі установки називають газопарові.
^

14.2. Парові і газові турбіни


Парові і газові турбіни – основні механізми перетворення потенційної енергії робочого тіла на механічну роботу відповідно в ПТУ і ПГУ. Вони складаються з ідентичних елементів, однак конструкція і технологія виготовлення цих елементів може бути різною.

На рис. 14.4 показано поздовжній розріз циліндра високого тиску (ЦВТ) парової турбіни з поворотним потоком пари.



Рис. 14.4 - Проточна частина ЦВТ з поворотним потоком пари:
1 – зовнішній корпус; ^ 2 – суцільнокований дисковий ротор; 3 – задній опорний підшипник; 4 – вихідний патрубок; 5 – подвійний підвід свіжої пари; 6 – внутрішній кор­пус;
7 – корпус установки переднього опорно-упорного підшипника

Така схема виконання ЦВТ властива конденсаційним турбінам Ленінградського металевого заводу (ЛМЗ) і турбінам з протитиском або з регульованими відбираннями пари, що працюють на докритичних або понадкритичних параметрах пари. Ротор ЦВТ дисковий суцільнокований. Статор ЦВТ 1 складається із зовнішнього і внутрішнього 6 корпусів. Спочатку пара надходить до внутрішнього корпусу в середній частині циліндра, проходить через декілька ступенів у лівій частині ЦВТ, протікає між внутрішнім і зовнішнім корпусами в протилежному напрямку, далі проходить через останні ступені ЦВТ і через вихідний патрубок виводиться з циліндра. Потім, після проміжного перегріву, пара надходить до циліндра 2 середнього тиску (ЦСТ), після чого трьома паралельними потоками надходить до трьох ци­ліндрів низького тиску (ЦНТ) і далі потрапляє до конденсатора (рис. 14.5).



Рис. 14.5 - Структурна схема конденсаційних турбін ЛМЗ потужністю 800 і 1 200 МВт: 1 – ЦВТ; 2 – ЦСТ; 3 – ЦНТ1; 4 – ЦНТ2; 5 – ЦНТ3; 6 – проміжний пароперегрівник;
7 – до конденсатора.

Якщо в паровій турбіні робочим тілом є водяна пара, то в газовій продукти згорання палива і стисненого повітря. Найістотнішою є відмінність у конструкції і технології виготовлення ротора газової турбіни, виконаного у вигляді збірної конструкції (на стяж­них болтах). Крім того, газова турбіна має систему повітряного охолодження найбільш термонапружених елементів проточної частини.

Основою проточної частини парових і газових турбін є ступінь – сукупність нерухомої решітки (напрямленого апарата) і решітки робочих лопаток, що обертаються. У нерухомій решітці, яку ще називають сопловою, потенційна енергія пари перетворюється на кінетичну. У робочому апараті кінетична енергія пари перетворюється на механічну енергію обертання ротора турбіни.

За аналогічною схемою потенційна енергія робочого тіла перетворюється на кінетичну і механічну енергію на всіх ступенях багатоступінчастої парової або газової турбіни. При цьому ступенево змінюються тиск робочого тіла та обертальний момент.

На рис. 14.6 наведено принципову схему і цикл конденсаційної ПТУ
в Ts-координатах (Т – абсолютна температура, К; s – ентропія, Дж/кгК). В основу робочого процесу всіх типів ПТУ покладено цикл Ренкіна. Робота ПТУ (без урахування незворотних втрат) характеризується площею
1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 1. Лінія 1 – 2 характеризує процес ізоентропійного розширення пари в турбіні, лінія ^ 2 – 3 – ізобарно-ізотермічний процес конденсації пари в конденсаторі, лінія 3 – 4 – ізоентропійний процес підвищення тиску живильної води в насосі, 4 – 5 – ізобарний процес підігріву води до лінії насичення, 5 – 6 – ізотермічний процес випаровування води й одержання сухої (х = 1) насиченої пари, 6 – 1 – ізобарний процес перегріву води в пароперегрівнику.

Конденсаційні паротурбіни установки мають розвинену систему регенеративного підігріву живильної води, що сприяє підвищенню потужності турбіни й економічності ПТУ загалом (економія палива сягає 10 % і більше порівняно з турбінами без регенерації).

Економічність ПТУ можна також підвищити збільшенням початкових параметрів пари (р1 і Т1). Однак з підвищенням початкового тиску р1 точка 2 в Ts-діаграмі зміщається в її ліву область, тобто вологість пари зростає (при цьому ступінь сухості падає х  1) вище припустимих норм вологості.



Рис. 14.6 - Схема (а) і термодинамічний цикл (б) ПТУ: ПП – пароперегрівник;
ПГ – парогенератор; Т – турбіна; Кон – конденсатор; Н – насос; Г – електрогенератор;
К – критична точка (для води: tкр = 374,15 °С; Ркр = 22,129 МПа)

На рис. 14.7 наведено схему ГТУ простого типу, основними елементами якої є турбіна, компресор і камера згорання. У ^ Ts-координатах наведено цикл Брайтона. Якщо немає втрат в основних елементах ГТУ, реалізується ідеальний цикл (площа 1 – 2`– 3 – 4 – 1). Така ГТУ працює за розімк­неною схемою. Атмосферне повітря (точка 1 на Ts-діаграмі) надходить
у компресор, де в результаті адіабатичного стиснення (процес ^ 1 – 2) його тиск підвищується від р1 = ратм до кінцевого тиску р2 р1. Відношення тисків к = р2/р1 називають ступінь стиснення компресора. У результаті стиснення зростає і температура повітря на виході з компресора відповідно до відомого термодинамічного відношення Т2 = Т1кm (де m = (к – 1)/к; к = ср/сv – показник адіабати).

Процес 2 – 3 підведення теплоти q1, що утворюється за рахунок хіміч­ної енергії згорілого палива, відбувається в камері згорання при постійному тиску до температури Т3, після чого продукти згорання надходять до турбіни, де розширюються до атмосферного тиску і де виробляється механічна робота.



Рис. 14.7 - Схема (а) і термодинамічний цикл (б) ГТУ простого типу: К – компресор; КЗ – камера згорання; Т – турбіна; Т1, Т2, Т3, Т4 – температури в характерних точках циклу

У реальних умовах у результаті незворотних втрат у компресорі і тур­біні процес розширення політропічний. З урахуванням цієї обставини конфігурація циклу буде відповідати площі 1 – 2 – 3 – 4 – 1.

Одним з недоліків ГТУ є те, що температура вихлопних газів, які викидаються в атмосферу, сягає 400...500 °С і вище. Цим обумовлюється її відносно низький ККД. Щоб збільшити ККД, ГТУ можна виконати з регенератором, який являє собою теплообмінник поверхневого типу. У такій ГТУ повітря після компресора потрапляє в регенератор, де за рахунок теплоти газів, що відходять після турбіни, його температура підвищується. Одночасно знижується температура вихлопних газів, що економить паливо і збільшує ККД циклу ГТУ.

Подальшого підвищення економічності ГТУ можна досягти ускладненням її схеми за рахунок застосування циклу зі ступінчатим стисненням повітря і з проміжним підведенням теплоти.
^



14.3. Комбіновані установки


Комбінація парових і газових турбін дозволяє істотно підвищити їх техніко-економічні показники. Цього досягають, створюючи парогазові (ПГУ) і газопарові (ГПУ) комбіновані установки, класифікацію яких наведено на рис. 14.8.

^ Парогазові установки об’єднують безконтактність між продуктами згорання і парорідинним робочим тілом. Кожний з робочих аген­тів рухається в ізольованому контурі і взаємодіє з іншими лише у формі теплообміну в апаратах поверхневого типу.



Рис. 14.8 - Схема класифікації комбінованих установок з паровими і газовими турбінами

Якщо в топці котла нормальної конструкції, що працює за схемою
з передвключеною ГТУ, не спалювати додаткове паливо, то вона перетвориться на утилізатор теплоти димових газів.

У газопарових установках продукти згорання безпосередньо контактують з пароводяним робочим тілом. Майже в усіх установках цієї групи переважна частина об’єднаного потоку робочого тіла припадає на газоподібні продукти згорання. Установки з упорскуванням води в газовий тракт називають газопарові контактні, або скорочено ГПУ-К .

Випаровування в установках цього типу відбувається в потоці продук­тів згорання. Однак можна застосовувати схеми, що використовують газопарові суміші, де пара генерується в апаратах поверхневого типу. Утворення пари в поверхневих апаратах створює ряд специфічних умов як для видалення солей, так і для основних термодинаміч­них процесів. Тому такі установки слід називати, на відміну від попередніх, газопарові установки напівконтактного типу, скорочено ГПУ-НК.

Основні особливості установки ГПУ-НК: можливість повного знесолення пари, що надходить у газовий тракт, і зменшення теплових втрат. Якщо генерація пари відбувається тільки за рахунок теплоти турбіни, то ККД комбінованої установки наближається до ККД звичайної ГТУ
в умовах надзвичайного підвищення тиску.

Значної переваги ця схема набуває в теплофікаційних установках, де пару з котла-утилізатора можна використовувати (залежно від графіка навантажень), щоб задовольнити теплові потреби або зняти піки електрич­ного навантаження. Однак кількість генерованої пари лімітовано можливістю скидної теплоти. Найчастіше співвідношення між витратою пари і газу (повітря) в установках типу ГПУ-НК знаходиться в межах 10–20 %.

Схему можна застосувати на підприємствах, де є підведення газу і джерело низькопотенційної скидної теплоти. Малі масштаби установки –переваги перед ТЕЦ. Основною особливістю ГПУ є те, що вони можуть працювати тільки на рідкому і газоподібному паливі, зокрема на продуктах газифікації твердого палива (тоді треба очистити продукти згорання від твердих абразивних домішок).

Що стосується ПГУ, то вони можуть працювати на всіх видах палива, включаючи і тверде, в залежності від конкретної схеми їх виконання.
^

14.4. Технологічні показники парових турбін



Парові і газові турбіни є складовою частиною ПТУ і ГТУ і їх характеристики суттєво впливають на техніко-економічні показники, що харак­теризують роботу всієї установки. Робота турбін у складі ПТУ і ГТУ визначається відповідними показниками, внесеними в їх паспортні дані.

До основних показників належать: номінальна і максимальна потужність, номінальний тиск і температура робочого тіла на вході в турбіну, питомі витрати і коефіцієнт корисної дії.

Крім цього, є інші параметри, які контролюють у процесі роботи турбіни, щоб підтримати її техніко-економічні показники в номінальному (паспортному) режимі.

Розглянемо основні характеристики парових турбін.


^ Номінальні початкові параметри пари – номінальний тиск і номіналь­на температура пари перед стопорним клапаном турбіни.


Температура пари після проміжного перегріву – початкова температура пари перед циліндром середнього тиску.


^ Температура живильної води після регенеративного підігріву – температура за останнім по ходу води регенеративним підігрівником.


Номінальна температура охолоджувальної води – температура охолоджувальної води на вході в конденсатор, при якій завод-виробник гарантує значення питомої витрати теплоти і витрату пари на турбіну.


^ Номінальний відбір – найбільша кількість пари відбору за одиницю часу для номінальної потужності турбіни і рівня інших параметрів в межах допуску, обумовленого відповідним стандартом.


^ Номінальна потужність конденсаційної турбіни – найбільша потужність на клемах генератора, яку турбіна має довгостроково розвивати при номінальних значеннях усіх інших основних параметрів і відборах пари на постійні власні потреби енергоустановки.


^ Номінальна потужність теплофікаційної турбіни і турбіни з протитиском – найбільша потужність на клемах генератора, яку турбіна має довгостроково розвивати при номінальних значеннях основних параметрів.


^ Максимальна потужність конденсаційних турбін (К) – потужність, якої досягають з максимальною витратою пари через стопорні клапани і
з відключенням теплових споживачів, передбачених технічними умовами.


^ Максимальна потужність теплофікаційної турбіни і турбіни з протитиском – найбільша потужність на клемах генератора, яку турбіна має довгостроково розвивати з витратами пари у визначених співвідношеннях тисків
у відборах з протитиском і номінальних значеннях інших основних параметрів.

Турбіни мають допускати тривалу роботу з відхиленнями початкових параметрів свіжої пари і температури проміжного перегріву пари від номінальних значень у заданих межах.

Економічність турбін характеризується ККД, що показує, яка частка підведеної теплоти перетворюється на механічну роботу.

Ступінь удосконалення турбіни визначається порівнянням її ККД з ККД ідеальної турбіни, яка не має внутрішньої втрати теплоти на тертя тощо.
^

Контрольні запитання




  1. Характеристика і принцип роботи ПТУ.

  2. Характеристика і принцип роботи ГТУ.

  3. Особливості роботи установок.

  4. Типи паротурбінних і комбінованих установок.

  5. Загальна схема і термодинамічний цикл ПТУ.

  6. Класифікація, параметри і типові цикли паротурбінних установок.

  7. Схеми і термодинамічні цикли газотурбінних установок.

  8. Особливості парогазових і газопарових установок.

  9. Технологічні показники паротурбінних установок.




Схожі:

Частина V. Базові енергетичні установки icon113. doc&name=02-11 двигуни та енергетичні установки

Частина V. Базові енергетичні установки iconСпеціальність 05120103 Суднові енергетичні установки та устаткування

Частина V. Базові енергетичні установки iconСпеціальність 05120103 Суднові енергетичні установки та устаткування

Частина V. Базові енергетичні установки iconМіністерство освіти І науки України
Маляренко В. А. Енергетичні установки. Загальний курс: Навчальний посібник. – Харків: хнамг, 2007. – 287с з іл
Частина V. Базові енергетичні установки iconCуднові енергетичні установки: експлуатація та ремонт
Колегаєв М. О. – к т н., професор, декан судномеханічного факультету онма, голова Одеського відділення Інституту морської техніки,...
Частина V. Базові енергетичні установки iconЕнергетичні установки Загальний курс
Підп до друку 05. 06. 07 Формат 60 Х 84 1/16. Папір офісний Друк на ризографі. Умовн друк арк. 16,9 Обл вид арк. 17,4
Частина V. Базові енергетичні установки iconДокументи
1. /Частина 1/101.pdf
2. /Частина 1/107.pdf
Частина V. Базові енергетичні установки iconДокументи
1. /Частина 2/10.pdf
2. /Частина 2/100.pdf
Частина V. Базові енергетичні установки iconКонтрольні питання з дисципліни «Суднові енергетичні установки І електрообладнання суден» для 3-го курсу денної форми навчання спеціальності «Судноводіння» старший викладач Барановський Євген Броніславович
Термічний ккд прямого кругового процесу, що він показує І від чого він залежить, як його збільшити
Частина V. Базові енергетичні установки iconМатематична модель перешкод при роботі асу газотурбінної електростанції в. В. Нечипорук *, асп.; А. В. Толбатов**, асп
Прикладом реалізації таких електростанцій є енергетичні установки, які розроблені І експлуатуються ват “Сумське мнво ім. М. В. Фрунзе”...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи