Расчет тепловой схемы — это фундаментальная задача в курсовом проектировании для любого инженера-теплоэнергетика. Конденсационные электростанции (КЭС) и атомные электростанции (АЭС) до сих пор являются основой генерации электроэнергии, и в центре их работы лежит пароводяной цикл. Тепловая схема выступает «кровеносной системой» станции, определяя ее общую эффективность и надежность. Главная цель курсовой работы — не просто механическое выполнение расчетов по формулам, а глубокое понимание физических процессов и взаимосвязей между отдельными элементами оборудования, от котла до конденсатора, и их совокупного влияния на конечные технико-экономические показатели энергоблока. Данная работа проведет вас по всем ключевым этапам: от анализа теоретических основ до расчета финальных показателей эффективности.
Глава 1. Теоретические основы и принцип действия паротурбинного энергоблока
В основе работы любого паротурбинного энергоблока лежит замкнутый пароводяной цикл (цикл Ренкина), где рабочее тело (вода и пар) последовательно меняет свое агрегатное состояние, проходя через ряд ключевых технологических узлов. Понимание назначения и принципа действия каждого из них — ключ к успешному расчету всей схемы.
Основной технологический комплекс энергоблока включает следующее оборудование:
- Паровой котел (или парогенератор на АЭС): Здесь происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию пара. Питательная вода, пройдя через экономайзер и испарительные поверхности, превращается в насыщенный пар, который затем в пароперегревателе доводится до требуемых высоких параметров (давления и температуры).
- Паровая турбина: Это сердце станции, где тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора. Перегретый пар под высоким давлением поступает на лопатки турбины и, расширяясь, отдает свою энергию. Конструктивно турбины большой мощности, как правило, состоят из нескольких цилиндров: высокого (ЦВД), среднего (ЦСД) и низкого давления (ЦНД) для максимальной эффективности.
- Электрогенератор: Механически соединен с валом турбины и преобразует энергию вращения в электрическую энергию.
- Конденсатор: Отработавший в турбине пар с низким давлением поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством циркуляционной воды и превращается обратно в жидкое состояние (конденсат). Эффективность этого процесса напрямую влияет на создаваемый вакуум и, следовательно, на мощность турбины.
- Насосное оборудование: Критически важное вспомогательное оборудование. Конденсатные насосы (КСН) откачивают конденсат из конденсатора и подают его в систему регенерации. Питательные насосы (ПЭН) повышают давление этого конденсата (уже называемого питательной водой) до сверхвысоких значений для подачи обратно в паровой котел, замыкая цикл.
- Система регенеративного подогрева: Для повышения термического КПД цикла питательная вода перед поступлением в котел подогревается паром, отбираемым из промежуточных ступеней турбины. Этот подогрев происходит в специальных теплообменниках — подогревателях низкого (ПНД) и высокого давления (ПВД), а также в деаэраторе, где из воды дополнительно удаляются коррозионно-активные газы.
Оптимизация тепловых схем, то есть поиск наилучшей конфигурации оборудования и параметров, является важнейшей задачей, направленной на снижение потерь энергии и повышение общей производительности электростанции.
Глава 2. Построение принципиальной тепловой схемы и определение исходных данных
Для выполнения конкретных расчетов необходимо формализовать задачу, выбрав типовой энергоблок. В качестве примера для курсового проектирования часто используется энергоблок на базе паровой турбины К-300-240, разработанной Ленинградским металлическим заводом (ЛМЗ) или Харьковским турбогенераторным заводом (ХТГЗ). Эта трехцилиндровая конденсационная турбина номинальной мощностью 300 МВт является одной из самых распространенных в отечественной энергетике, что делает ее отличным объектом для изучения.
Принципиальная тепловая схема визуализирует все перечисленное в Главе 1 оборудование и потоки рабочего тела между ним. На ней отмечаются ключевые точки, для которых в ходе курсовой работы будут определяться термодинамические параметры (давление, температура, энтальпия). Перед началом расчетов необходимо собрать все исходные данные.
При выполнении курсового проекта крайне важно рассматривать различные режимы работы энергоблока, такие как номинальная нагрузка, технический минимум и режимы с частичной нагрузкой, так как это определяет экономичность работы станции в реальных условиях эксплуатации.
Ниже представлена таблица с типовыми исходными данными для расчета тепловой схемы с турбиной К-300-240.
| Параметр | Значение | Описание |
|---|---|---|
| Номинальная мощность | 300 МВт | Электрическая мощность, выдаваемая генератором при номинальных условиях. |
| Начальное давление пара (перед турбиной) | 23,5-24 МПа | Давление свежего пара, поступающего из котла в ЦВД. |
| Начальная температура пара | 540-560 °C | Температура свежего пара перед стопорными клапанами турбины. |
| Температура промперегрева | 540-565 °C | Температура пара после повторного перегрева в котле перед поступлением в ЦСД. |
| Давление в конденсаторе | 3,4-4 кПа | Давление отработавшего пара, зависящее от температуры охлаждающей воды. |
| Температура питательной воды | ~265-275 °C | Температура воды после всех подогревателей высокого давления перед подачей в котел. |
Глава 3. Расчет процесса расширения пара в турбине
Это центральный и наиболее сложный этап расчета, так как именно здесь определяются термодинамические параметры пара во всех точках проточной части турбины. Результаты этого этапа являются основой для всех последующих расчетов, включая систему регенерации и конденсатор. Основой для расчета служит h,s-диаграмма (диаграмма «энтальпия-энтропия») для воды и водяного пара, на которой визуально строится весь процесс.
Расчет ведется последовательно для каждого цилиндра турбины:
- Цилиндр высокого давления (ЦВД): Процесс начинается с точки начальных параметров свежего пара (давление 24 МПа, температура 560 °C). Строится линия адиабатного расширения до давления на выходе из ЦВД. С учетом внутреннего относительного КПД цилиндра определяется действительная конечная точка процесса, ее энтальпия и температура.
- Промежуточный перегрев: Пар после ЦВД направляется обратно в котел, где его температура вновь повышается до 560 °C при практически постоянном давлении. Этот процесс также отображается на h,s-диаграмме.
- Цилиндр среднего давления (ЦСД): Расчет аналогичен ЦВД. Горячий пар после промперегрева расширяется в ЦСД. На этом этапе из нескольких ступеней производятся отборы пара на подогреватели высокого давления (ПВД) и на привод питательного турбонасоса.
- Цилиндр низкого давления (ЦНД): Пар из ЦСД поступает в ЦНД, где продолжает расширяться до конечного давления в конденсаторе. Из ЦНД отбирается пар для подогревателей низкого давления (ПНД) и деаэратора.
Для каждого регенеративного отбора пара необходимо точно определить его давление и энтальпию, так как эти значения напрямую влияют на тепловой баланс соответствующих подогревателей. Методика расчета внутреннего относительного КПД для каждого цилиндра учитывает различные гидравлические потери и позволяет от теоретического (адиабатного) процесса перейти к реальному, политропному.
Глава 4. Расчет элементов системы регенеративного подогрева и деаэратора
Система регенерации — ключевой фактор экономичности паротурбинного цикла. Ее назначение — подогреть питательную воду теплом пара, взятого из отборов турбины, тем самым уменьшая потери тепла в «холодном источнике» (конденсаторе) и снижая расход топлива в котле. Расчет ведется последовательно для каждого элемента, как правило, начиная от ПВД и заканчивая ПНД.
- Подогреватели высокого давления (ПВД): Через них проходит питательная вода после питательного насоса под полным давлением. Греющим паром для них служит пар из отборов ЦСД и, иногда, ЦВД. Для каждого ПВД составляется уравнение теплового баланса, где тепло, отдаваемое конденсирующимся греющим паром, равно теплу, получаемому питательной водой. Из этого уравнения находится расход греющего пара.
- Деаэратор: Это один из важнейших элементов схемы, выполняющий две функции: подогрев воды и удаление из нее растворенных газов (кислорода и углекислоты) для предотвращения коррозии. Давление в деаэраторе обычно составляет около 0,6-0,7 МПа. Он является точкой смешения основного конденсата, поступающего из ПНД, и различных дополнительных потоков. Расчет деаэратора также сводится к решению уравнений материального и теплового балансов для определения расхода греющего пара из отбора турбины.
- Подогреватели низкого давления (ПНД): В этих аппаратах подогревается основной конденсат после конденсатных насосов. Греющий пар для них поступает из отборов ЦНД. Часто для ПНД, особенно первых по ходу воды, применяют подогреватели смешивающего типа. В них греющий пар напрямую контактирует с водой, что конструктивно проще и повышает надежность схемы, устраняя необходимость в дренажных насосах.
Для каждого подогревателя поверхностного типа также рассчитывается температурный напор, который является движущей силой теплообмена и влияет на необходимую площадь его поверхности.
Глава 5. Расчет и выбор насосного оборудования
Насосы обеспечивают циркуляцию рабочего тела по всему пароводяному тракту, преодолевая гидравлическое сопротивление трубопроводов, арматуры и оборудования. Их надежная работа — залог стабильности всего энергоблока.
Основной питательный насос (ПЭН)
ПЭН является одной из самых ответственных и энергоемких вспомогательных машин станции. Его задача — поднять давление питательной воды от значения в деаэраторе (0,6-0,7 МПа) до давления за котлом (свыше 25 МПа).
- Определение подачи (производительности): Расчетная подача насоса должна превышать максимальный расход питательной воды на котел. При выборе насоса принято закладывать запас по производительности не менее 5%.
- Расчет напора: Напор, создаваемый насосом, должен компенсировать давление в паровом котле, а также все гидравлические потери в тракте от деаэратора до котла, включая ПВД и трубопроводы.
- Выбор привода: Для мощных энергоблоков, таких как К-300-240, питательные насосы часто имеют привод от отдельной небольшой паровой турбины (турбопривод). Это позволяет использовать пар из отбора основной турбины и повышает общую экономичность. Типичные модели турбоприводов — ОК-12А или ОП-12П. Альтернативой является электропривод от мощного электродвигателя.
- Расчет потребляемой мощности: Мощность насоса напрямую зависит от его подачи, напора и КПД.
Конденсатные насосы (КСН)
Задачей КСН является откачка конденсата из-под вакуума в конденсаторе и подача его через группу ПНД в деаэратор. Расчет производится аналогично ПЭН: определяется требуемая подача (с учетом всех потоков, поступающих в конденсатор) и напор, достаточный для преодоления сопротивления тракта низкого давления. Важной особенностью является расчет кавитационного запаса, так как насос работает на линии насыщения.
Глава 6. Тепловой расчет конденсационной установки
Конденсационная установка — это «холодный» конец паротурбинного цикла, и от ее эффективности напрямую зависит глубина вакуума в выхлопном патрубке турбины. Чем ниже давление (глубже вакуум), тем больший теплоперепад срабатывается в турбине и, следовательно, тем выше ее мощность и КПД.
Расчет конденсатора включает следующие ключевые шаги:
- Составление уравнения теплового баланса: Главное уравнение гласит, что количество тепла, отдаваемое отработавшим паром при его конденсации, должно быть равно количеству тепла, поглощенному охлаждающей водой. Q_пара = Q_воды.
- Расчет расхода охлаждающей воды: Зная расход и энтальпию пара, поступающего в конденсатор (из расчета расширения в турбине), а также заданную температуру охлаждающей воды на входе и выходе, из уравнения теплового баланса определяется требуемый массовый расход охлаждающей воды. Для мощных КЭС это значение огромно, что объясняет их расположение вблизи крупных водоемов.
- Определение поверхности теплообмена: На основе рассчитанной тепловой нагрузки, температурного напора и коэффициента теплопередачи определяется общая площадь поверхности трубок, необходимая для обеспечения конденсации всего поступающего пара. Этот параметр является ключевым при выборе или проектировании конденсатора.
Важно учитывать, что такие факторы, как сезонное изменение температуры охлаждающей воды или загрязнение теплообменных трубок, оказывают сильное влияние на давление в конденсаторе и, как следствие, на работу всего энергоблока.
Глава 7. Составление сводного теплового баланса энергоблока
После того как были рассчитаны отдельные элементы, необходимо свести все данные воедино. Составление теплового баланса — это итоговая проверка корректности всех предыдущих вычислений и основа для определения финальных показателей экономичности. Баланс представляет собой систему уравнений, описывающих потоки массы и энергии для каждого узла схемы.
Процесс составления баланса обычно ведут в порядке, обратном движению питательной воды:
- Начинают с уравнения материального баланса для точки перед котлом, где расход питательной воды является искомой величиной.
- Последовательно составляют уравнения материального и теплового баланса для каждого подогревателя высокого давления (ПВД), деаэратора и подогревателей низкого давления (ПНД).
- Каждое уравнение связывает расход основного потока (воды или конденсата) с расходом греющего пара из соответствующего отбора турбины.
- В результате получается система линейных алгебраических уравнений, где неизвестными являются расходы пара в регенеративные отборы.
Решение этой системы позволяет определить главную величину — общий расход свежего пара на турбину, а также расходы питательной воды и конденсата по всему циклу. Результаты удобно представлять в виде сводной таблицы, где для каждой характерной точки схемы указаны давление, температура, энтальпия и массовый расход рабочего тела.
Глава 8. Определение технико-экономических показателей энергоблока
Финальный этап курсовой работы — это оценка эффективности спроектированной тепловой схемы. На основе данных, полученных из теплового баланса, рассчитывается ряд ключевых показателей, которые характеризуют совершенство теплового цикла и всей установки.
К основным показателям тепловой экономичности относятся:
- Мощность, развиваемая турбоустановкой: Рассчитывается как сумма мощностей, вырабатываемых каждым потоком пара (основным и отборным) при его расширении в соответствующих отсеках турбины.
- Удельный расход пара на выработку электроэнергии: Показывает, сколько килограммов пара необходимо затратить для производства 1 кВт·ч электроэнергии. Чем меньше этот показатель, тем эффективнее установка.
- Удельный расход тепла на выработку электроэнергии: Ключевой показатель экономичности. Он показывает, какое количество теплоты необходимо подвести в котле для выработки 1 кВт·ч электроэнергии.
- КПД брутто турбоустановки: Отношение выработанной электрической мощности к полному количеству тепла, подведенному к циклу.
- КПД нетто энергоблока: Наиболее важный итоговый показатель. Он учитывает не только КПД турбоустановки, но и затраты энергии на собственные нужды станции (питательные насосы, циркуляционные насосы, вентиляторы и т.д.).
После получения расчетных значений необходимо провести их анализ: сравнить с типовыми показателями для энергоблоков данного класса. Например, для блока 300 МВт КПД нетто обычно находится в диапазоне 38-40%. Отклонения от этих значений могут указывать на неточности в расчетах или на неоптимальные проектные решения, что требует дополнительного анализа.
В заключительной части работы необходимо кратко перечислить все выполненные этапы, от построения схемы до анализа результатов. Систематизируйте полученные ключевые показатели: электрическую мощность, удельные расходы пара и тепла, а также КПД нетто. На основе этих данных формулируется главный вывод о том, соответствует ли спроектированная схема заданным требованиям и каков ее уровень тепловой экономичности по сравнен��ю с аналогами.
Также целесообразно указать на возможные направления для дальнейшей оптимизации. Это может быть изменение параметров пара, модернизация системы регенерации или использование более эффективного вспомогательного оборудования. В завершение даются краткие рекомендации по оформлению пояснительной записки и графической части курсового проекта, включая построение принципиальной тепловой схемы и процесса расширения пара в h,s-диаграмме.
Список литературы
- Рыжкин В.Я. «Тепловые электростанции» 1987г.
- Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: Энергоиздат, 1982.
- Щегляев А.В. Паровые турбины. М.: Энергия, 1976.