Как рассчитать тепловую схему конденсационного энергоблока полное руководство для курсовой работы

С чего начинается курсовая работа по тепловой схеме. Введение в задачу

Для любого инженера-теплоэнергетика расчет тепловой схемы энергоблока является ключевой задачей, позволяющей определить его энергетическую эффективность и составить полный тепловой баланс. Именно этому посвящен один из самых важных этапов обучения — курсовая работа. На первый взгляд, она может показаться сложной из-за обилия формул и таблиц, но на самом деле это логичный и последовательный процесс. Этот материал — ваше пошаговое руководство, которое проведет вас через все этапы и поможет снять страх перед задачей.

Основная цель курсовой работы по расчету принципиальной тепловой схемы (ПТС) заключается в определении технических характеристик теплового оборудования и ключевых энергетических показателей энергоблока. Проще говоря, мы должны ответить на следующие вопросы:

• Каковы расходы пара на турбину, в ее отборы и в конденсатор?
• Какую мощность развивает турбоустановка?
• Сколько энергии потребляет сама станция на свои нужды?
• Каков итоговый коэффициент полезного действия (КПД) и удельные расходы тепла и топлива?

Чтобы найти ответы, мы пройдем четкий и понятный путь. Типовая структура курсовой работы, которую мы воспроизведем в этом руководстве, включает в себя введение в основы, описание объекта, детальные расчеты и анализ полученных результатов с выводами. Вы увидите, как теория превращается в практику.

Все расчеты обычно стартуют с нескольких заданных исходных данных. Как правило, это требуемая электрическая мощность, которую энергоблок должен отдавать в сеть, а также начальные и конечные параметры пара: его давление и температура перед турбиной и давление в конденсаторе.

Теперь, когда мы понимаем цель и структуру нашей работы, необходимо заложить прочный теоретический фундамент, на котором будут строиться все дальнейшие расчеты.

Теоретический фундамент. Как устроен и работает конденсационный энергоблок

В основе работы практически любого конденсационного энергоблока лежит термодинамический цикл Ренкина. Это идеализированная модель, описывающая процесс преобразования тепла в работу в паросиловых установках. На T-s (температура-энтропия) и h,s (энтальпия-энтропия) диаграммах он представляет собой замкнутый контур, наглядно показывающий все изменения состояния рабочего тела — воды и пара.

Чтобы этот цикл стал реальностью, используется комплекс сложного оборудования. Основные компоненты тепловой схемы включают:

1. Котел-парогенератор: Здесь вода превращается в перегретый пар высоких параметров за счет сжигания топлива.
2. Паровая турбина: Раскаленный пар под высоким давлением поступает на лопатки турбины, заставляя ее ротор вращаться и вырабатывать механическую энергию, которая затем преобразуется в электрическую генератором.
3. Конденсатор: Отработавший в турбине пар поступает сюда, где охлаждается и конденсируется, снова превращаясь в воду (конденсат). Глубина вакуума (давление в конденсаторе) оказывает существенное влияние на экономичность всей установки.
4. Питательные насосы: Они забирают конденсат и под высоким давлением подают его обратно в котел, замыкая цикл.
5. Система регенеративного подогрева: Это «секретное оружие» для повышения эффективности. Часть пара отбирается из турбины на разных стадиях расширения и используется для подогрева питательной воды перед ее поступлением в котел.

Регенеративный подогрев питательной воды — это ключевой метод повышения эффективности. Он позволяет уменьшить потери тепла с уходящими газами в котле и снизить необратимые потери в самом цикле, что в итоге позволяет повысить общий коэффициент полезного действия.

Для выполнения расчетов нам потребуются точные значения термодинамических параметров воды и водяного пара (давление, температура, энтальпия, энтропия) в каждой узловой точке схемы. Эти данные берутся из специальных паровых таблиц или определяются с помощью программного обеспечения.

После того как теоретические основы заложены, логичным шагом является визуализация нашей конкретной задачи — построение принципиальной тепловой схемы и ее графического представления в виде диаграммы.

Шаг 1. Построение принципиальной тепловой схемы и процесса в h,s-диаграмме

Первый практический шаг в курсовой работе — это создание «карты» нашей установки. Принципиальная тепловая схема (ПТС) электростанции определяет основное содержание технологического процесса и наглядно показывает, как все оборудование связано в единую систему.

На чертеже ПТС изображается все основное и вспомогательное теплоэнергетическое оборудование и соединяющие его трубопроводы. Для простоты схема обычно выполняется в однолинейном изображении, где одинаковые по типу аппараты (например, несколько подогревателей низкого давления) показываются условно один раз.

Стандартная ПТС конденсационного энергоблока включает в себя:

• Основные агрегаты: котел, турбину, конденсатор, генератор.
• Систему регенерации: регенеративные подогреватели низкого (ПНД) и высокого (ПВД) давления, а также деаэратор.
• Насосное оборудование: конденсатные, питательные и, возможно, дренажные насосы.

При составлении схемы решается ряд важных вопросов, например, выбирается схема отвода дренажей греющего пара из подогревателей — будет ли она каскадной (с переливом в подогреватель с более низким давлением) или насосной. Именно ПТС становится основой для всех последующих расчетов.

Следующий этап — перенос этой схемы на язык термодинамики. Для этого строится процесс расширения пара в турбине в h,s-диаграмме (диаграмме энтальпия-энтропия). Каждая узловая точка на ПТС (пар перед турбиной, пар в отборах на регенерацию, пар на выходе в конденсатор, вода после каждого подогревателя) находит свое место на этой диаграмме. Это позволяет визуализировать, как меняется энергия рабочего тела в ходе процесса, и является главным инструментом для определения значений энтальпии в каждой точке идеального цикла.

Имея перед глазами схему и ее графическое представление, мы готовы приступить к ядру нашей курсовой работы — последовательному расчету каждого элемента цикла.

Шаг 2. Расчет теплового баланса турбоустановки и определение расходов пара

Это самый ответственный и трудоемкий этап курсовой работы. Его цель — определить, сколько пара расходуется в каждом элементе схемы. Расчет теплового баланса предполагает детальное определение расходов тепла и массы по всем элементам цикла. Главный принцип здесь — вести расчет «с хвоста» схемы, то есть от последнего по ходу воды подогревателя (ПВД №1) к первому (ПНД).

Для каждого регенеративного подогревателя и деаэратора составляется уравнение теплового баланса. Его суть проста: количество тепла, отданное греющим паром из отбора турбины, равно количеству тепла, полученному основной питательной водой. Выглядит это так:

Q_{отданное} = Q_{полученное}

Из этого уравнения мы можем выразить искомую величину — массовый расход пара в данный отбор турбины (D_отб). Для этого нам понадобятся значения энтальпий пара и воды, которые мы ранее определили по h,s-диаграмме и таблицам.

Этот процесс последовательно повторяется для каждого аппарата в системе регенерации:

1. Составляется уравнение теплового баланса для ПВД №1. Находится расход пара в первый отбор.
2. Составляется уравнение для ПВД №2. При его расчете учитывается не только расход питательной воды, но и дренаж, поступивший из ПВД №1. Находится расход во второй отбор.
3. Аналогично рассчитывается деаэратор и все подогреватели низкого давления (ПНД).

После того как все расходы пара в регенеративные отборы найдены, мы можем определить два главных показателя:

• Общий расход пара на турбину (D₀): Он находится путем суммирования расхода пара на выходе из турбины в конденсатор и расходов во все регенеративные отборы.
• Расход пара в конденсатор (D_к): Это то количество пара, которое отработало во всех отсеках турбины и ушло на конденсацию.

На этом этапе критически важна точность, так как любая ошибка в расчете одного подогревателя повлечет за собой неверные результаты для всех последующих. Когда известны все расходы теплоносителей, мы можем рассчитать ключевой показатель — мощность, вырабатываемую турбиной.

Шаг 3. Расчет мощности турбины и затрат тепла в цикле

Зная расходы пара через каждый отсек турбины, мы можем перейти к вычислению ее мощности. Внутренняя мощность турбоагрегата — это не единая величина, а сумма мощностей, которые вырабатываются каждым ее отсеком. Отсеком в данном случае называется участок проточной части турбины между точками подвода свежего пара и первого отбора, либо между двумя соседними отборами.

Формула для расчета мощности, вырабатываемой i-м отсеком турбины (N_i), выглядит следующим образом:

N_i = G_i * (h_{i_вх} — h_{i_вых})

Где:

• G_i — расход пара через данный отсек, кг/с. Мы определили его на предыдущем шаге.
• h_{i_вх} и h_{i_вых} — энтальпии пара на входе и выходе из отсека соответственно, кДж/кг. Эти значения мы берем из h,s-диаграммы.

Чтобы получить полную внутреннюю мощность турбины (N_вн), необходимо просто просуммировать мощности всех ее отсеков, от входа свежего пара до выхлопа в конденсатор.

Следующий важный шаг — определить, сколько всего тепла было подведено к циклу. Это количество тепла (Q_подв) передается рабочему телу в котле (парогенераторе). Оно рассчитывается как разница энтальпий на выходе из котла (свежий пар) и на входе в него (питательная вода после всех подогревателей), умноженная на общий расход пара через котел.

Q_подв = D₀ * (h_пп — h_пв)

На данном этапе мы получили «грязную» (внутреннюю) мощность. Это та энергия, которую выработал турбоагрегат. Но чтобы найти чистый, полезный эффект от работы энергоблока, необходимо учесть его внутренние затраты энергии.

Шаг 4. Учет собственных нужд и определение чистой мощности

Энергоблок, как и любое сложное производство, потребляет часть вырабатываемой энергии для обеспечения своей работы. Это потребление называется «собственными нуждами». Чтобы получить итоговую, полезную мощность, отдаваемую в энергосистему, эти затраты необходимо вычесть из внутренней мощности турбины.

К основным потребителям электроэнергии на собственные нужды относятся:

• Питательные насосы (ПЭН): Это, как правило, самый мощный потребитель, так как он должен прокачивать огромные объемы воды под сверхвысоким давлением в котел.
• Конденсатные насосы (КЭН): Откачивают конденсат из конденсатора и подают его в систему регенерации.
• Циркуляционные насосы: Прокачивают охлаждающую воду через конденсатор.
• Тягодутьевые машины (дымососы и вентиляторы котла), системы топливоподачи и другое вспомогательное оборудование.

В рамках курсовой работы чаще всего подробно рассчитывается мощность, потребляемая питательным насосом, как наиболее значимая. Она зависит от производительности насоса (расхода питательной воды) и напора, который он создает. Мощность остальных потребителей может быть принята в процентном соотношении от выработки турбины.

После суммирования мощностей всех потребителей собственных нужд (N_сн) мы можем определить главный итоговый параметр — чистую мощность энергоблока (N_нетто). Это та мощность, которая остается после вычета всех внутренних затрат и поставляется потребителям.

N_нетто = N_вн * η_эг * η_м — N_сн

Здесь η_эг и η_м — это КПД электрогенератора и механический КПД турбины, учитывающие потери при преобразовании механической энергии в электрическую и на трение в подшипниках.

Теперь, зная итоговую полезную мощность и общее количество затраченного тепла, мы можем вычислить главные показатели эффективности нашего энергоблока.

Шаг 5. Анализ эффективности. Расчет КПД и удельных расходов

На этом этапе мы сводим все предыдущие расчеты воедино, чтобы ответить на главный вопрос: насколько эффективно наш энергоблок преобразует теплоту сгоревшего топлива в полезную электроэнергию. Для этого вычисляются ключевые показатели эффективности.

1. Коэффициент полезного действия нетто (КПД нетто)

Это основной показатель эффективности. Он показывает, какая доля от всей подведенной к циклу тепловой энергии была преобразована в чистую, полезную электрическую мощность. Рассчитывается по простой формуле:

η_нетто = N_нетто / Q_подв

Чем выше этот процент, тем более совершенной и экономичной является установка.

2. Удельный расход тепла нетто

Этот показатель тесно связан с КПД и часто является даже более наглядным. Он показывает, сколько килоджоулей тепла нужно затратить, чтобы выработать 1 кВт·ч полезной электроэнергии. Связь с КПД обратная: чем эффективнее станция, тем меньше удельный расход тепла.

3. Удельный расход условного топлива нетто

Для сравнения экономичности станций, работающих на разных видах топлива (газ, уголь, мазут), используется понятие «условное топливо». Это абстрактное топливо с фиксированной теплотой сгорания (7000 ккал/кг или 29,33 МДж/кг). Удельный расход условного топлива (г.у.т./кВт·ч) показывает, сколько граммов такого топлива тратится на производство 1 кВт·ч электроэнергии. Эффективность энергоблока часто оценивается именно по этому показателю.

После получения этих цифр обязательно проводится краткий сравнительный анализ. Полученные значения КПД и удельных расходов сопоставляются с типовыми показателями для современных конденсационных электростанций (КЭС). Такое сравнение позволяет оценить, насколько адекватен выполненный расчет и соответствует ли спроектированная схема современному техническому уровню.

Расчеты завершены, показатели эффективности получены. Финальный шаг — подвести итоги проделанной работы и сформулировать обоснованные выводы.

Формулирование выводов и завершение курсовой работы

Заключительная часть курсовой работы — это не формальность, а возможность продемонстрировать глубину понимания проделанной работы. Здесь необходимо обобщить результаты, подвести итоги и показать аналитические способности. Структура выводов должна быть логичной и последовательной.

В первую очередь, следует в сжатой форме представить основные результаты расчетов. Не нужно переписывать все промежуточные цифры. Достаточно указать ключевые итоговые значения:

• Чистая электрическая мощность энергоблока, МВт.
• Расход пара на турбину, т/ч.
• Расход тепла на производство электроэнергии, МВт.
• КПД нетто энергоблока, %.
• Удельный расход условного топлива, г.у.т./кВт·ч.

Далее формулируется главный вывод о том, что цель курсовой работы достигнута: на основе исходных данных была разработана и рассчитана тепловая схема конденсационного энергоблока, определены его технические характеристики и показатели энергетической эффективности.

Наиболее ценной частью выводов являются рекомендации и анализ. На основе полученных результатов можно предложить возможные пути повышения экономичности рассчитанной схемы. Например:

• Повышение начальных параметров пара (давления и температуры).
• Углубление вакуума в конденсаторе (снижение давления отработавшего пара).
• Оптимизация системы регенерации (изменение числа подогревателей или давлений в отборах).
• Применение более современных решений, например, смешивающих подогревателей низкого давления.

Наконец, стоит дать короткие рекомендации по оформлению работы. Как правило, в приложения выносятся громоздкие графические материалы (построенная h,s-диаграмма) и детальные таблицы с расчетами параметров в узловых точках. В конце работы обязательно приводится список использованной литературы в соответствии с требованиями.

Список использованной литературы

1. Рыжкин В.Я. «Тепловые электростанции» 1987г.
2. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: Энергоиздат, 1982.
3. Щегляев А.В. Паровые турбины. М.: Энергия, 1976.