НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ “КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ імені ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО” Звіт з виконання розрахункової роботи з навчальної дисципліни “Основи фізики традиційних та альтернативних джерел енергії” Варіант 10 Перевірив доцент кафедри _________[ім’я автора приховано] _______________ 2024 року Київ 2024 Зміст Перелік скорочень БН – бустерний насос; Д – деаератор; ДН – дренажний насос; ЖН – живильний насос; ЕГ – електрогенератор; К – конденсатор; КН – конденсатний насос; ОД – охолоджувач дренажу; ОЕ – охолоджувач ежекторів; ОЕС – об’єднана енергетична система; ОП – охолоджувач пари; ПВТ – підігрівач високого тиску; ПНТ – підігрівач низького тиску; ПК – паровий котел; ПТЕ – правила технічної експлуатації; ПТУ – паротурбінна установка; ПУ – підігрівач ущільнень; ТЕС – теплова електрична станція; ТП – турбіна привідна; ХОВ – хімічно очищена вода; ЦВТ – циліндр високого тиску; ЦНТ – циліндр низького тиску; ЦСТ – циліндр середнього тиску; ЧНТ – частина низького тиску. Вступ Теплові та атомні електростанції складають основу генерації електричної енергії в Об’єднаній енергетичній системі України. Розуміння основних закономірностей енергетичної конверсії, складу головного та допоміжного устаткування, а також особливостей проектування та розрахунку теплових схем є вкрай важливим для здобувачів, що навчаються за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». Розрахункова робота «Розрахунок теплової схеми електростанції з турбіною К-300-240» присвячена повному циклу проєктування теплової схеми енергоблоку пиловугільної теплової електростанції. Даний навчальний посібник містить короткий опис типової теплової схеми, що використовується для експлуатації на одному з енергоблоків ТЕС України, методику розподілення регенеративного підігріву по ступеням, побудову наближеного процесу розширення пари в турбоустановці, закономірності складання теплових балансів основних елементів схеми з відповідними прикладами, а також розрахунок інтегральних показників якості роботи енергоблоку. Вхідними даними до даної розрахункової роботи є: тиск пари в конденсаторі pК, кПа, тиск в деаераторі рД, МПа, температура живильної води на вході в котел tжв, °С, початковий тиск пари р0, МПа, початкова температура пари t0, ℃, температура після промперегріву tПП, ℃, тиск пари після промперегріву рПП, МПа, відносний внутрішній ККД циліндрів високого та середнього + низького тиску ηоіЦВТ, % та ηоіЦНТ, % відповідно, сумарна витрата пари на турбоустановку G0, т/год, механічний ККД ηм, %, електричний ККД ηег, %, робоча нижча теплота згоряння антрацитового палива Qрн, МДж/кг, витрата натурального палива на енергоблоці B, т/год. Вхідні дані до розрахунку за варіантами представлені в данному навчальному посібнику в якості додатку. Вхідні дані до розрахунку за варіантом Варіант 11 Короткий опис теплової схеми електростанції з турбіною К-300-240 Об’єднана енергосистема України налічує 38 конденсаційних енергоблоків потужністю 300 МВт. Дані енергоблоки обладнані паровими котлами типу ТПП-312 та ТПП-210, а також паровими турбінами К-300-240 [1]. За режимом роботи ці енергоблоки проектувались як базові, однак у зв’язку з дефіцитом маневрових потужностей в ОЕС України активно залучаються до роботи у напівбазовому-напівпіковому режимі роботи [2]. Основне паливо – вугілля антрацитової та газової групи. Енергоблоки 300 МВт спроектовані на надкритичні параметри пари і працюють за блочною технологічною структурою. Типова теплова схема енергоблоку 300 МВт представлена на рис. 1.1. Гостра пара генерується прямоточним котлом та перегрівається до параметрів р0 = 23,6 МПа та Т0 = 540 °С. Пройшовши органи паророзподілення пара виконує роботу в ЦВТ, який обладнаний двома регенеративними відборами пари (1, 2). Відпрацювавши у ЦВТ пара направляється по трубопроводам холодного промперегріву до котла на повторне нагрівання, після чого прямує до ЦСТ. Циліндр середнього тиску турбіни К-300-240 однопоточний, обладнаний 4 регенеративними відборами (3, 4, 5, 6). ЦНТ в даній турбоустановці спеціальної трьохпоточної конструкції: два потоки представляють собою окремий циліндр та ще один потік у вигляді частини низького тиску (ЧНТ) суміщено з ЦСТ. З ЦНТ здійснюються два відбори пари (7, 8) з окремого циліндру. У вказаних вище трьох циліндрах турбіни пара здійснює роботу та генерує крутний момент МТ для подолання корисного опору електрогенератора ТГВ-300-2УЗ. Відпрацьована в турбіні пара конденсується в конденсаторі, після якого за допомогою конденсатних насосів прокачується через групу підігрівачів. Також, після конденсатора в лінію основного конденсату вливається додаткова хімічно очищена вода для компенсації втрат у циклі (які згідно до ПТЕ не мають перевищувати 1 %). Регенеративна схема енергоблоку представлена 10 підігрівачами різного типу, серед них: 2 підігрівачі утилізаційного типу – охолоджувач ежекторів та підігрівач ущільнень, 4 поверхневих підігрівача низького тиску, 1 змішуючий деаератор підвищеного тиску Д-0,7 та 3 складних підігрівача високого тиску. Рис. 1.1. Теплова схема енергоблоку 300 МВт з турбіною К-300-240 В ОЕ та ПУ утилізується теплова енергії робочого тіла основних ежекторів та кінцевих ущільнень турбіни. Зконденсоване робоче тіло зливається у конденсатор для запобігання матеріальних втрат у циклі. Підігрівачі низького тиску № 1, 2, 3 і 4 живляться парою з відборів № 8, 7, 6 та 5 відповідно. Дренаж гріючої пари ПНТ-1 зливається у конденсатор. Для ПНТ-4, 3 та 2 реалізовано більш складну та економічно-вигідну схему. Дренаж пари 5 відбору з ПНТ-4 каскадно зливається до ПНТ-3 і змішується з дренажем 6 відбору. Далі вони разом зливаються до ПНТ-2, де також змішуються з дренажем пари 7 відбору і за допомогою дренажного насосу закачуються в лінію основного конденсату. Розподіл регенеративного підігріву по ступенях турбоустановки Наступним етапом розрахункової роботи є розподіл регенеративного нагріву по підігрівачам. Необхідно визначити ентальпію конденсату та дренажу пари в ступенях нагрівання, а також визначити необхідний тиск у відборах турбіни для забезпечення прийнятого розподілу термодинамічних параметрів. Приймаються наступні параметри теплової схеми: тиск пари в конденсаторі pК, тиск в деаераторі рД-0,7, температура живильної води на вході в котел tжв, початковий тиск пари р0. Таблиця 2.1 – Розрахунок регенеративної схеми турбіни К-300-240 Кожна комірка в таблиці відповідатиме певному термодинамічному параметру безпосередньо в самому регенеративному елементі, або після нього. Наприклад, у виділеній комірці (табл. 2.1) має бути записаний тиск конденсату pк на виході з підігрівача ПВТ-2. Такий же тиск матиме живильна вода на вході в підігрівач ПВТ-1 (рис. 2.1). Запишемо прийняті вхідні дані за варіантом до розрахункової таблиці (табл. 2.2). Таблиця 2.2 – Вхідні параметри конденсату турбіни К-300-240 На першому етапі розподілимо підігрів конденсату по ступеням регенеративної схеми. Для цього слід визначити ентальпію води на виході з конденсатору. Конденсація пари в конденсаторі проходить за допомогою охолоджуючої циркуляційної води, яка поступає від системи водопостачання. При чому, через значний пропуск пари, вона лише конденсується і новоутворена вода (конденсат) майже не охолоджується. Тому вода в конденсаторі знаходиться в стані насичення і її ентальпія є функцією від тиску насичення: hк(К) = f (pк(К)S) (2.1) Аналогічно можна розрахувати і ентальпію води в деаераторі. Оскільки технологічний процес в деаераторі передбачає кипіння конденсату, вода в ньому теж знаходиться в стані насичення: hк(Д) = f (pк(Д)S) (2.2) Результати представлено в табл. 2.3. Сірим кольором виділено всі ті комірки, що далі не будуть задіяні в подальших розрахунках Таблиця 2.3 – Розрахунок підігріву конденсату турбіни К-300-240 Внесемо до таблиці 2.3 розраховані значення ентальпій води (жовті комірки) та прийняті значення підігріву (помаранчеві комірки), а також визначимо значення ентальпії води після ОЕ і ПУ (зелені комірки) за формулами: hк(ОЕ) = hк(К) + θ(ОЕ) hк(ПУ) = hк(ОЕ) + θ(ПУ) Таблиця 2.4 – Розрахунок підігріву конденсату в ПНТ турбіни К-300-240 На цій таблиці видно результат розподілу підігріву води по ступеням підігрівачів низького тиску. Існує безліч методик для такого розподілу, проте в даній роботі пропонується найбільш проста – методика Калафаті (арифметичної прогресії). За цією методикою, величина підігріву води в кожному підігрівачу низького тиску є однаковою і визначається: θ(ПНТ) = [hк(Д) - hк(ПУ)] / [zПНТ + 1] (2.5) де zПНТ – число підігрівачів низького тиску. «+1» в знаменнику вказано, оскільки деаератор теж є ступенем нагрівання. Значення ентальпії води в усіх підігрівачах низького тиску може бути знайдене за формулами аналогічними до (2.3) та (2.4), в які будуть підставлені відповідні значення ентальпій в попередніх ступенях нагрівання та величина підігріву в поточному елементі. Результати розрахунків наведено в табл. 2.4. Тиск в підігрівачах високого тиску визначається аналогічно і створюється за допомогою живильних насосів. Їх задача – прокачати воду через гідравлічний опір всіх ПВТ, котла і створити номінальний тиск на вході в турбіну. Через те, що гідравлічний опір котла дуже високий, то: рЖН = 1,3 · p0 (2.9) Визначивши напір ЖН слід прийняти значення гідравлічного опору кожного ПВТ в діапазоні 0,25-0,4 МПа. Вибираємо 0,3 МПа. Обрахуємо за формулою включно зі значенням гідравлічного опору кожного ПВТ. Аналогічно до ПНТ запишемо всі значення тисків для ПВТ у табл. 2.6 Таблиця 2.5 – Розподіл тиску конденсату турбіни К-300-240 Температура конденсату tк після кожного регенеративного елементу може бути знайдена за відповідними значеннями тиску pк та ентальпії hк: tк = f (pк; hк) (2.10) На цьому закінчується розрахунок параметрів конденсату. Далі визначаються параметри дренажу гріючої пари. Температура дренажу гріючої пари визначається за формулою: tд = tк + ϑ Таблиця 2.6 – Температура дренажу гріючої пари Величина недогріву ϑ залежить від типу підігрівача і якості його теплообмінної поверхні. Оскільки ПВТ в даній схемі складного типу (мають вмонтовані охолоджувач пари та дренажу) недогрів в них складає ϑ(ПВТ) = 2÷3 ℃. Для ПНТ ця величина значно більша – ϑ(ПНТ) = 7÷12 ℃. Так як ПНТ-4 та ПНТ-3 теж маються додаткові теплообмінні поверхні для них недогрів слід примати менший, а для простих ПНТ-2 та ПНТ-1 – більший. В даному прикладі ϑ(ПНТ-3, 4) = 7 ℃, ϑ(ПНТ-1, 2) = 9 ℃. Деаератор є теж підігрівачем, проте змішуючого типу. Оскільки вода та гріюча пара контактують напряму, недогрів в змішуючих підігрівачах відсутній. Як вже зазначалось вище, регенеративний підігрів на ТЕС і АЕС розраховується з умови максимальної економічності, що передбачає відсутність охолодження пари в підігрівачах, а нагрівання води відбувається за рахунок тепла конденсації гріючої пари. Тому тиск дренажу гріючої пари є функцією насичення від температури: pд = f (tд) (2.12) Таблиця 2.7 – Тиск дренажу гріючої пари Тиск пари на виході з турбіни є дещо вищим за тиск відповідного дренажу на виході з підігрівача на величину гідравлічного опору трубопроводів. За нормами трасування трубопроводів відбірної пари, значення втрат тиску в ньому не мають перевищувати 5 %, тому тиск гріючої пари можна прийняти: pп = 1,05 · pд (2.13) Результати повного розрахунку регенеративної схеми турбіни К-300-240 представлено в табл. 2.8. Таблиця 2.8 – Таблиця повного розрахунку регенеративної схеми. Побудова наближеного процесу розширення пари в турбіні К-300-240 в HS-діаграмі. Розрахунок параметрів пари у відборах Третім етапом розрахункової роботи є побудова наближеного процесу розширення пари в турбіні та розрахунок ентальпії гріючої пари у відборах. Додатковими вхідними даними для даної задачі є: початкова температура пари t0, температура після промперегріву tПП, тиск пари після промперегріву рПП, відносний внутрішній ККД циліндрів високого та середнього + низького тиску відповідно ηоіЦВТ, ηоіЦНТ. Повторення варіанту Таблиця 3.1. Дані варіанту. Жирним виділено значення, необхідні для діаграми. Також підготуємо таблицю для обрахованих на основі діаграми HS даних. Таблиця 3.2. Шаблон для значень на основі діаграми hs. Ентальпія пари на вході в ЦВТ визначається за ізобарою початкового тиску та ізотермою температури (рис. 3.1): Рисунок 3.1. Параметр пари на вході в ЦВТ Тиск на виході з ЦВТ, він же – тиск перед проміжним перегрівачем може бути визначений за величиною тиску після ПП і з врахуванням гідравлічних втрат у трубопровадах. Згідно правил технічної експлуатації (ПТЕ) вони не мають перевищувати 10 %. Знаходимо таку ізобару на діаграмі та опускаємо вертикально вниз лінію від попередньої точки перетину до ізобари рЦВТ. Таким чином буде побудовано ідеальний процес розширення пари в ЦВТ. Ентропія в ідеальному процесі розширення визначається за початковими параметрами: S0 = f (p0; t0) (3.3) Ентальпія на виході з ЦВТ знаходиться за двома параметрами: hЦВТ t = f (pЦВТ; S0) (3.4) Теплоперепад, що спрацьовується в дійсному процесі розширення можна розрахувати за формулою: HiЦВТ = H0ЦВТ · ηоіЦВТ = (h0 - hЦВТ t) · ηоіЦВТ Таблиця 3.4. Пораховані перші два значення. З’єднуючи початкову точку (p0; t0) з точкою (pЦВТ; hЦВТ t) отримаємо ідеальний процес розширення пари, а з точкою (pЦВТ; hЦВТ) – реальний. Дані процеси графічно зображені на рис. 3.2. Рисунок 3.2. Знаходження по вертикалі точки h цвт t. Таблиця 3.3. Знаходження ідеального перепаду ентальпій. Наступним етапом, будується процес нагріву пари при проміжному перегріві. Кінцева точка реального процесу розширення пари в ЦВТ є початковою точкою проміжного перегріву, а кінцева точка проміжного перегріву (рис. 3.3) може бути знайдена за формулою: hПП = f (pПП; tПП). Рисунок 3.3. Ідеальний та реальний процеси розширення пари в ЦВТ Таблиця 3.4. Розрахунок реальної точки закінчення процесу розширення. Знову ж таки, кінцева точка реального процесу розширення пари в ЦВТ є початковою точкою проміжного перегріву. Рисунок 3.5. Процеси розширення пари в ЦВТ та подальшого проміжного перегріву в котлі. Наступним кроком є побудова процесу розширення пари в ЦСТ та ЦНТ. Однак оскільки між цими циліндрами немає додаткового підводу тепла, то процес розширення пари в цих двох циліндри зображуються на h,S-діаграмі однією лінією. Побудова реального процесу розширення виконується за аналогічним алгоритмом, описаним формулами. Повний процес розширення пари в турбіні К-300-240 представлено на рис. 3.6. Рисунок. 3.6. Процес розширення пари в ЦВТ, ЦСТ та ЦНТ турбіни К-300-240. Маємо сформовану таблицю: Таблиця 3.5. Повна таблиця обрахунків для підігрівачів високого тиску і низького. Для визначення ентальпії пари в точках відбору слід знайти на h,S-діаграмі ізобари що відповідають тискам пари у відборах. В точках перетину даних ізобар та політропи процесу розширення пари можуть бути знайдені шукані значення ентальпій. Аналогічним чином слід розрахувати відбори № 3-8, які виконані в ЦСТ та ЦНТ турбіни і наносяться на праву частину політропи процесу. Отримані значення ентальпій пари hп слід занести до розрахункової таблиці 2.7 у вигляді нового стовпця. Значення ентальпії пари у відборах турбіни для даного варіанту наведено в табл. 3.1. Знайдемо перші два значення для ЦВТ: Таблиця 3.6. За результатом обрахунків графічно знайдено ентальпію. Рисунок 3.8. Фіолетовим кольором позначено відповідності тиску до шуканої ентальпії. Помічаємо відповідно до кожного тиску відповідну точку на червоній лінії розширення. Також вписуємо результати до таблиці. Рисунок 3.9. Відмітки щодо циліндрів середніх та низьких тисків. Таблиця 3.7. Таблиця результатів та знайдені значення в останній колонці. Висновок У ході виконання роботи детально вивчено принцип функціонування теплової схеми електростанції з турбіною К-300-240. Проведено детальний аналіз графічної схеми розподілу електростанції на основні компоненти: котел, турбіни, генератор, підігрівачі та конденсатори. Досліджено стан і характеристики води та пари на різних етапах циркуляції в системі, зокрема після котла, турбінних циліндрів, конденсатора, ежектора, насосів, відводів у циліндрах та підігрівачів високого й середнього-низького тисків. Отримано практичні навички розрахунку ентальпії, тиску та температури пари на виході з елементів теплової схеми, таких як підігрівачі низького й високого тисків, деаератор, ежектор тощо. Засвоєно методи визначення однієї характеристики пари за відомими іншими параметрами, а також використання онлайн-калькуляторів для оптимізації процесу розрахунків. На основі графічної діаграми ентальпії-ентропії побудовано лінії процесів розширення пари через різні типи підігрівачів. Виконано порівняння ідеальних та реальних процесів, що підтвердило існування енергетичних втрат у системі. Це дозволило зробити висновок про невідповідність реального циклу ідеальному, а також про обмежений коефіцієнт корисної дії (ККД) системи. Список літератури 1. Звіт з відповідності (достатності) генеруючих потужностей – 2021. Затверджена постановою НКРЕКП від 20.04.2022 № 394 / Національна енергетична компанія «Укренерго». – Київ, 2021. – 106 с. 2. Національна енергетична компанія «Укренерго» [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. – Електронні дані. – Київ : НЕК «Укренерго», 2020. – Режим доступу: ua.energy (дата звернення 2.06.2022) – Назва з екрана. 3. Атомні і теплові електричні станції: Курс лекцій [Електронний ресурс] / О. Ю. Черноусенко. – Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. – 323 с. Гриф надано Методичною радою КПІ ім. Ігоря Сікорського (протокол № 6 від 31.01.2020 р.) за поданням Вченої ради теплоенергетичного факультету (протокол № 7 від 27.01.2020 р.) 4. Основи теплової енергетики: конспект лекцій [Електронний ресурс] / КПІ ім. Ігоря Сікорського; уклад.: А. В. Борисенко, В. А. Пешко. – Електронні текстові дані (1 файл: 41,9 Мбайт). – Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. – 149 с. Гриф надано Методичною радою КПІ ім. Ігоря Сікорського (протокол № 7 від 13.05.2021) за поданням Вченої ради Теплоенергетичного факультету (протокол № 11 від 26.04.2021). 5. Теплові та атомні електростанції і установки: навчальний посібник / М.С. Бондаренко, О.С. Єлеонська. – Миколаїв: Видавництво НУК, 2022. – 131 с. 6. Енергетична стратегія України на період до 2035 року: безпека, енергоефективність, конкурентоспроможність // Схвалено розпорядженням Кабінету Міністрів України від 18 серпня 2017 р. № 605-р – К.: Міністерство енергетики України. – 2017. – 66 с. 7. Енергетика: історія, сучасність і майбутнє. Кн. 3: Розвиток теплоенергетики та гідроенергетики / Є. Т. Базеєв, Б. Д. Білека, Є. П. Васильєв, Г. Б. Варламов, І. А. Вольчин;