Пример курсовой работы по энергоблоку ПТ-45-130 МВт с расчетом тепловой схемы

Тепловые электростанции (ТЭС) являются основой энергетической системы России, вырабатывая до 72% всей электроэнергии в стране. Среди них особое место занимают теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые работают в режиме комбинированной выработки, отпуская потребителям сразу два вида энергии — электрическую и тепловую. Такой подход значительно повышает эффективность использования топлива и является ключевым элементом систем централизованного теплоснабжения городов и промышленных предприятий.

Курсовой проект по турбоустановке ПТ-45-130 — это не просто абстрактное учебное задание. Это глубокое погружение в принципы работы реального инженерного объекта. Цель этой работы — не в механическом выполнении расчетов, а в том, чтобы научиться понимать, как функционирует сложный теплоэнергетический комплекс, как взаимосвязаны его элементы и от чего зависит его эффективность. Вы научитесь анализировать процессы, происходящие в турбине, и оценивать ее экономичность в разных режимах работы.

Теперь, когда мы осознаем важность и цели нашей работы, давайте разберемся, из каких фундаментальных частей она состоит и каков наш план действий.

Какова структура курсовой работы и какова последовательность действий

Чтобы успешно справиться со сложной задачей, ее нужно разбить на понятные и логичные этапы. Курсовой проект по тепловой схеме имеет четкую структуру, где каждый последующий раздел опирается на результаты предыдущего. Вот «дорожная карта», которая проведет вас через весь процесс:

1. Составление и анализ принципиальной тепловой схемы. Это фундамент всего проекта. На этом этапе вы графически изображаете все оборудование и связи между ним, создавая визуальную модель энергоблока.
2. Построение hS-диаграммы процесса расширения пара. Это ключевой графический инструмент для визуализации термодинамических процессов. С его помощью вы определите важнейшие параметры пара (энтальпии) во всех узловых точках турбины.
3. Расчет тепловой схемы. Основная и самая объемная часть работы. Здесь вы, используя данные из hS-диаграммы, составляете и решаете систему уравнений материального и теплового балансов для каждого элемента схемы. Результатом будет определение всех расходов пара и воды.
4. Составление сводной таблицы параметров. Все полученные в ходе расчетов данные (давление, температура, энтальпия, расход) систематизируются в одной большой таблице. Это обеспечивает наглядность и удобство проверки результатов.
5. Расчет технико-экономических показателей (ТЭП). На этом этапе вы оцениваете эффективность работы станции, рассчитывая КПД, удельные расходы тепла и другие ключевые показатели для нескольких режимов работы.
6. Формулировка выводов. В заключении вы не просто перечисляете сделанное, а синтезируете главные результаты и аналитические умозаключения, демонстрируя глубину понимания темы.

Фундаментом всего нашего проекта является принципиальная тепловая схема. Рассмотрим, как ее грамотно составить и проанализировать на основе нашего варианта турбоустановки.

Как устроен энергоблок ПТ-45-130 МВт и в чем его особенности

Чтобы грамотно рассчитать схему, необходимо досконально понимать объект исследования. Паровая турбина ПТ-45-130 — это теплофикационная турбина, предназначенная для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии. Ее ключевая задача — не только вращать электрогенератор, но и обеспечивать паром промышленных потребителей и горячей водой системы городского отопления.

Турбоустановка спроектирована для работы в блоке с котлом паропроизводительностью 420 т/ч и имеет следующие ключевые характеристики:

• Номинальная электрическая мощность: 45 МВт.
• Начальные параметры свежего пара: давление 12,5 МПа и температура 560°С.
• Конструкция: одновальная, двухцилиндровая, состоящая из Цилиндра Высокого Давления (ЦВД) и Цилиндра Низкого Давления (ЦНД).
• Регулируемые отборы пара: имеется производственный отбор с давлением 1,2 МПа для технологических нужд потребителей.

Сердцем эффективности турбины является ее система регенеративного подогрева питательной воды. Она состоит из семи подогревателей, на которые поступает пар из нерегулируемых отборов турбины. Эта система позволяет подогревать воду, идущую в котел, за счет тепла отработанного пара, что значительно повышает общий КПД цикла. Система включает:

• Четыре подогревателя низкого давления (ПНД).
• Деаэратор, служащий для удаления из воды коррозионно-активных газов и как V ступень подогрева.
• Три подогревателя высокого давления (ПВД).

Ключевое отличие этой ТЭЦ от конденсационной электростанции (КЭС) — наличие сетевой установки для подогрева воды для отопления. Она включает в себя сетевой подогреватель (СП), куда также подается пар из отборов турбины. Именно эта часть схемы реализует функцию теплофикации, делая станцию источником тепла для целого района.

Пошаговое построение принципиальной тепловой схемы

Построение тепловой схемы — это не рисование, а логическая сборка конструктора по определенным правилам. Каждый элемент имеет свое условное обозначение и строгое место в технологической цепочке. Давайте пройдем этот путь шаг за шагом.

1. Основной пароводяной контур. Начните с «силового каркаса» цикла Ренкина: Котельный агрегат → Турбина (изображается как несколько цилиндров, ЦВД и ЦНД) → Конденсатор → Конденсатный насос → Питательный насос, который возвращает воду в котел.
2. Система регенерации низкого давления. После конденсатного насоса последовательно установите охладитель эжекторов (ОЭ), охладитель уплотнений (ОУ) и четыре подогревателя низкого давления (ПНД 1-4). От соответствующих ступеней турбины проведите к ним линии отбора пара.
3. Деаэратор. Это важнейший узел. Он устанавливается после группы ПНД. В него поступает основной конденсат после ПНД-4, а также пар из соответствующего отбора турбины. Из деаэратора воду забирает питательный насос.
4. Система регенерации высокого давления. После питательного насоса, который создает высокое давление воды, установите три подогревателя высокого давления (ПВД 5-7). Аналогично, подведите к ним пар от ступеней высокого давления турбины. После ПВД-7 вода направляется в котел.
5. Теплофикационная установка. Изобразите регулируемый производственный отбор (1,2 МПа) и отбор пара на сетевой подогреватель (СП). Покажите, как дренаж (конденсат греющего пара) из подогревателей каскадно перетекает в подогреватели с более низким давлением или откачивается насосами в основную линию.
6. Финальные штрихи. Обязательно установите на всех линиях отбора пара от турбины обратные клапаны. Они необходимы для предотвращения обратного потока пара в турбину при сбросе нагрузки, что может привести к ее разгону и аварии.

Схема готова. Теперь нам нужно «оживить» ее, наполнив данными. Для этого необходимо визуализировать термодинамический процесс расширения пара в турбине.

Как построить hS-диаграмму и проанализировать процесс расширения пара

hS-диаграмма (или диаграмма «энтальпия-энтропия») — это ваш главный инструмент для определения состояния пара в любой точке турбины. Без нее невозможно провести тепловой расчет. Построение кажется сложным, но на самом деле подчиняется четкому алгоритму.

Процесс построения выглядит так:

1. Нанесение начальной точки. Найдите на диаграмме точку пересечения линии начального давления (P₀ = 12,5 МПа) и начальной температуры (t₀ = 560°С). Это точка 0, характеризующая состояние свежего пара перед турбиной.
2. Построение изобар. Проведите на диаграмме горизонтальные линии, соответствующие давлениям в каждом из семи регенеративных отборов, производственном отборе (1,2 МПа) и конечному давлению в конденсаторе. Эти линии называются изобарами.
3. Построение теоретического процесса. Из точки 0 проведите строго вертикальную линию вниз до пересечения с изобарой давления в конденсаторе. Это теоретический, или изэнтропный, процесс расширения пара (при s=const), который был бы возможен в идеальной турбине с КПД 100%.
4. Построение действительного процесса. Реальный процесс расширения всегда идет с потерями (трение, вихри), что приводит к росту энтропии. Поэтому действительная линия процесса будет отклоняться вправо от теоретической. Ее строят по точкам, учитывая внутренний относительный КПД отсеков турбины.
5. Определение энтальпий. Точки пересечения действительной линии процесса с ранее построенными изобарами давлений в отборах и есть искомые точки. Проведя от них горизонтальную линию влево до оси h (энтальпия), вы определяете значение энтальпии (h₁, h₂, h₃…) для каждого отбора пара. Эти значения — основа для последующих расчетов.

Имея на руках тепловую схему и значения энтальпий из hS-диаграммы, мы обладаем всеми исходными данными для самого ответственного этапа — составления уравнений материального и теплового балансов.

Методика расчета тепловой схемы, или Составляем систему уравнений

Основная цель этого этапа — найти массовые расходы пара и воды (G, кг/с) во всех ветвях схемы. Расчет представляет собой последовательное составление уравнений теплового и материального баланса для каждого элемента установки. Наиболее удобная стратегия — двигаться от «хвоста» схемы к ее «голове», то есть от конденсатора к котлу.

Для каждого подогревателя (как ПНД, так и ПВД) составляется уравнение теплового баланса, которое в общем виде гласит:

Количество тепла, отданное греющим паром, равно количеству тепла, полученному нагреваемой водой.

В виде формулы для любого i-го подогревателя это выглядит так:
G_пi * (h_пi - h'_кi) = G_в * (t'_вi - t'_в(i-1)) * c_в
где G_пi — расход пара на подогреватель (наше неизвестное), h_пi — энтальпия пара на входе в подогреватель (из hS-диаграммы), h'_кi — энтальпия конденсата греющего пара на выходе, G_в — расход питательной воды, t' — температура воды, c_в — теплоемкость воды.

Для узлов, где потоки смешиваются (например, в деаэраторе или точках ввода дренажей), составляется уравнение материального баланса:

Сумма масс потоков, входящих в узел, равна массе потока, выходящего из узла.

Например, для деаэратора:
G_пд + G_к + G_др = G_пв
где G_пд — расход пара на деаэратор, G_к — расход основного конденсата, G_др — расход дренажных потоков, G_пв — расход питательной воды после деаэратора.

Вы последовательно составляете такие уравнения для каждого из семи регенеративных подогревателей, деаэратора и сетевого подогревателя. В результате вы получаете систему линейных алгебраических уравнений. Неизвестными в этой системе являются расходы пара на каждый из отборов. Решив эту систему, вы находите все потоки в схеме, что позволяет перейти к следующему этапу.

После того как все неизвестные найдены, необходимо систематизировать полученные данные для удобства дальнейшего анализа и оформления работы.

Как оформить результаты расчетов в сводной таблице параметров

После завершения громоздких расчетов крайне важно представить их результаты в ясной, структурированной и легко проверяемой форме. Для этого служит сводная таблица параметров пара и воды. Она является «паспортом» вашего рассчитанного режима и демонстрирует полноту проделанной работы.

Таблица должна содержать исчерпывающую информацию о состоянии рабочего тела в узловых точках схемы (на входе и выходе из каждого элемента: насоса, подогревателя, турбины и т.д.).

Рекомендуется использовать следующую структуру таблицы:

Пример структуры сводной таблицы параметров рабочего тела

Наименование точки	Давление P, МПа	Температура t, °C	Энтальпия h, кДж/кг	Энтропия s, кДж/(кг·К)	Массовый расход G, кг/с
0. Свежий пар перед турбиной	12,5	560	(из hS-диаграммы)	(из hS-диаграммы)	(из расчета)
1. Пар на ПВД-7	(из задания)	(из hS-диаграммы)	(из hS-диаграммы)	(из hS-диаграммы)	(из расчета)
…и так далее для всех точек	…	…	…	…	…

Тщательное и аккуратное заполнение этой таблицы не только является требованием к оформлению, но и помогает вам самим увидеть полную картину и выявить возможные ошибки в расчетах.

Когда все параметры определены и систематизированы, мы можем перейти к оценке эффективности работы всей установки.

Расчет и анализ технико-экономических показателей для разных режимов

Это кульминация всей работы. Расчеты были лишь инструментом, а сейчас начинается настоящий анализ — оценка эффективности энергоблока. В курсовом проекте требуется рассчитать и проанализировать технико-экономические показатели (ТЭП) для двух разных режимов работы, например, для номинальной электрической нагрузки и для режима с максимальным тепловым потреблением.

Ключевыми показателями эффективности являются:

• Удельный расход тепла на выработку электроэнергии (qэ): показывает, сколько тепла из топлива нужно затратить для выработки 1 кВт·ч электроэнергии. Чем он ниже, тем эффективнее станция.
• Удельный расход тепла на отпуск тепла (qт): аналогичный показатель для отпуска тепла потребителю (например, на отопление).
• КПД нетто электростанции: главный обобщающий показатель, демонстрирующий, какая доля всей подведенной с топливом теплоты преобразуется в полезную работу (электричество и тепло).

Сравнив ТЭП для разных режимов, вы сможете сделать важные выводы. Например, вы, скорее всего, обнаружите, что в режиме с большой теплофикационной нагрузкой (когда много пара идет на отопление) удельный расход тепла на выработку электроэнергии снижается. Это наглядно доказывает главное преимущество ТЭЦ: пар, уже совершивший полезную работу в турбине, не выбрасывается в конденсаторе, а его остаточное тепло используется для полезных целей, что dramatically повышает общую эффективность использования топлива.

Анализ этих показателей — это то, что отличает инженера от простого вычислителя. Здесь вы должны объяснить почему цифры именно такие и что это означает с физической и экономической точек зрения.

Мы проделали огромный путь: от анализа схемы до оценки ее эффективности. Остался финальный шаг — грамотно подвести итоги.

Что необходимо отразить в выводах по курсовой работе

Выводы — это визитная карточка вашей работы. Это не краткий пересказ содержания, а концентрированный синтез самых важных результатов и умозаключений. Хорошие выводы должны быть структурированными, краткими и опираться строго на полученные вами данные.

Рекомендуется строить выводы по следующей логической схеме:

1. Констатация факта выполнения задачи. Начните с того, что было сделано. Пример: «В рамках курсового проекта была рассчитана принципиальная тепловая схема турбоустановки ПТ-45-130 для номинального режима работы».
2. Представление ключевых количественных результатов. Приведите 2-3 самые важные цифры, полученные в ходе расчетов. Пример: «Расход свежего пара на турбину составил 115 кг/с. Мощность, развиваемая турбоустановкой, — 45 МВт. КПД нетто электростанции в данном режиме равен 38%».
3. Формулировка главных качественных выводов и аналитических наблюдений. Это самая ценная часть. Здесь вы объясняете, что значат ваши цифры. Пример: «Анализ технико-экономических показателей показал, что работа турбины в теплофикационном режиме с максимальным отбором пара на сетевые подогреватели позволяет существенно снизить удельный расход условного топлива на производство электроэнергии. Это подтверждает высокую эффективность комбинированного цикла выработки энергии по сравнению с раздельным».

Четко сформулированные, обоснованные выводы демонстрируют, что вы не просто выполнили расчеты, но и поняли их физический и инженерный смысл, что и является главной целью курсового проекта.

Заключение и список литературы

Выполнение курсового проекта по расчету тепловой схемы — это важный этап в становлении инженера-теплоэнергетика. Эта работа учит системному мышлению, аккуратности в расчетах и умению анализировать сложные технические системы. Полученные навыки станут прочным фундаментом для дальнейшего обучения и будущей профессиональной деятельности.

Пример оформления списка литературы (согласно ГОСТ 7.1-2003):

1. Щегляев, А. В. Паровые турбины. В 2 кн. Кн. 1. Теоретические основы / А. В. Щегляев. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1993. — 384 с.
2. Рыжкин, В. Я. Тепловые электрические станции: Учебник для вузов / В. Я. Рыжкин. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 328 с.
3. ГОСТ 2.767-89. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Оборудование энергетическое. — Введ. 1991-01-01. — М.: Издательство стандартов, 1989. — 44 с.