Проектирование установки парогазового цикла

Балтийский Государственный  Технический Университет «Военмех» им. Д.Ф.Устинова

Кафедра К6

«Ракетно-космическая и авиационная теплотехника и плазмогазодинамика»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект на тему:

«Проектирование установки  парогазового цикла»

Этап 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: ст. гр. М481

Григорьева И.В.

Руководитель проекта: Профессор

Сахин В.В.

 

 

 

Санкт-Петербург

2011 год 

Оглавление

Введение: 3

Глава 1. История газотурбинных установок. 4

1.1 Из истории газотурбинных установок. 4

Глава 2. Обзор существующих циклов энергетических систем. 7

2.1.Описание газотурбинных установок. 7

2.1.1.Основные достоинства и недостатки газотурбинных установок 7

2.1.2.Недостатки газотурбинных установок: 8

2.2. Циклы газотурбинных установок. 8

2.2.1.ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении. 9

2.2.2.Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме 10

2.2.3. Сравнение эффективности циклов при P= const и V = const. 11

2.2.4. Цикл ГТУ с регенерацией теплоты 11

2.2.5.Сравнение циклов с регенерацией и без регенерации теплоты. 13

2.3. Циклы паротурбинных установок: 13

2.3.1. Цикл Ренкина 14

2.4. Парогазовый цикл. 15

2.4.1. Схема и цикл парогазовой установки. 16

2.4.2. Роль парогазовых циклов в современной энергетике: 17

Глава 3. Расчет параметров циклов энергогенерирующих установок. 18

3.1.Термодинамический расчет цикла газотурбинной установки. 18

3.2. Расчет цикла паротурбинной установки. 20

3.3. Расчет цикла ПГУ. 21

3.3.1. Определение электрической мощности ГТУ и ее технико-экономические показатели. 22

3.3.2.  Технико-экономические характеристики ПГУ. 22

Глава 4. Сгорание топлива в камере ГТУ. 23

4.1. Виды топлива. 23

4.2.Горение топлива. 24

4.2.1.Расчет горения нефти: 24

4.2.2. Расчет горения природного газа. 25

4.2.3. Расчет горения мазута. 26

Заключение: 27

Список литературы: 27

Введение:

Энергетика - базовая отрасль, влияющая на состояние всей экономики. Вместе с тем она является одним из основных потребителей первичных энергетических ресурсов и оказывает заметное влияние  на окружающую среду. На сегодняшний  день имеются широкие возможности  энергетического использования  газообразного и жидкого топлива. Исключительная народнохозяйственная ценность этих видов топлива требует  изыскания наиболее рациональных схем энергетических установок, причем многообразие потребителей и особенности экономических  районов заведомо не позволяет ограничиться разработкой какой либо одной  оптимальной схемы.

Постоянный рост в мире производства электроэнергии с доминирующей ролью  тепловых электростанций, сжигающих  органическое топливо, стоимость которого неуклонно растет, обусловливает  необходимость повышения эффективности  топливоиспользования на ТЭС, что возможно только на основе более совершенных технологических и технических решений преобразования энергии топлива в электрическую (и тепловую). Определяющими здесь являются степень совершенства и мощностью возможности теплового двигателя (привода электрогенератора), работающего на водяном паре и газообразных продуктах сжигаемого топлива.

Стратегическим направлением развития мировой энергетики является внедрение  парогазовых технологий (ПГУ) при  выработке электроэнергии и тепла. Это направление дает возможность  существенно повысить КПД конденсационных  установок с 38%-40% до 55%-60%.

В электроэнергетике для вариантов использования топлива, пригодного для ГТУ, разработан и уже нашел практическое применение парогазовый цикл при сочетании предвключенных газовых турбин и парового контура, содержащих котел–утилизатор, работающий на отработанных в ГТУ газах, и паровую турбину, что в целом повышает эффективность практически в два раза.

Перенесение его на силовой агрегат  автомобиля позволит повысить топливную  экономичность. Большая часть процессов, составляющих комбинированный цикл, проверена на практике не только на крупных энергетических газотурбинных  агрегатах, но и на дизельных судовых  установках, а также на поршневых  двигателях тракторного и автомобильного типов. Это дает основание утверждать, что рассмотренный метод может  стать базой для существенного  повышения качественных характеристик  автомобильных силовых агрегатов  всех классов автомобилей (включая  малый класс), эксплуатируемых в  основном в городах и являющихся одними из основных потребителей моторного  топлива, а также наиболее серьезными источниками загрязнения атмосферы  городов. Кроме повышения эффективности  парогазовый цикл открывает и  другие перспективы применения его  на силовых агрегатах автомобилей, в частности в схемах гибридного привода.

ПГУ особенно актуальны для отечественной  электроэнергетики, которая почти  на 90% зависит от привозного топлива  Рост производства электроэнергии нужно  рассматривать еще и с точки  зрения наращивания экспортного  потенциала в качестве важной валютной составляющей совокупного дохода. С  этих позиций назрела необходимость  внедрения современных ПГУ или  надстройки паровой части в установленных ГТУ. Это позволяет значительно снизить удельные расходы топлива на выработку тепла и электроэнергии, сократить эксплуатационные расходы и численность персонала, существенно улучшить экологическую обстановку.

 

Глава 1. История газотурбинных установок.

1.1 Из истории газотурбинных установок.

Идея использования энергии  горячих дымовых газов для  совершения механической работы известна человечеству очень давно. По имеющимся  данным она была высказана и реализована  еще Героном Александрийским, которым  был построен прибор, где для целей  вращения использовалась энергия восходящего  горячего газового потока.

Позднее, в ХV веке, Леонардо да Винчи была высказана идея "дымового вертела" для обжарки туш животных. Принцип действия "дымового вертела" совершенно подобен принципу действия ветряной мельницы. "Дымовой вертел" размещался в дымоходе, и вращение его создавалось дымовыми газами, проходившими через колесо с насаженными на него лопастями (рис.1).

Подобное устройство было осуществлено в средние века. Первый патент на проект газотурбинной установки  был выдан в 1791 году в Англии Джону  Барберу. В патенте Барбера, хотя и в примитивной форме, были представлены все основные элементы современных газотурбинных установок: имелись воздушный и газовый компрессоры, камера горения и активное турбинное колесо. Для работы предполагалось использовать продукты перегонки угля, дерева или нефти. Для понижения температуры рабочих газов предполагалось впрыскивание воды в камеру горения.

В XIX веке продолжались попытки многочисленных ученых и изобретателей различных  стран создать газотурбинную  установку, пригодную для практического  использования. Однако эти попытки  были обречены на неудачу вследствие низкого уровня науки и техники. Металлы, которые могли бы длительное время противостоять температурам порядка 500 °С и выше еще не были получены. Свойства, газов и паров были изучены недостаточно. Состояние газодинамики не могло обеспечить создания хороших проточных частей турбины и .компрессора.

В России также предпринимались  попытки создать газотурбинную  установку, в частности, инженер-механиком русского военно-морского флота П.Д.Кузьминским в 1897 году. Он разработал, а затем и осуществил небольшую газопаровую турбинную установку, состоявшую из камеры сгорания, в которую кроме воздуха и топлива, подавался водяной пар, получавшийся в змеевике, окружавшем камеру. Газопаровая смесь затем поступала в многоступенчатую турбину радиального типа (рис.2).

 

Горение топлива (керосина) происходило  при постоянном давлении порядка 10 кгс/см². При испытаниях, несмотря на принятые меры, камера горения быстро прогорала и выходила из строя. Создать длительно действующую установку не удалось.

В период 1900 - 1904 гг. в Германии инженером  Штольце была построена и испытана газотурбинная установка, в которой понижение температуры рабочих газов перед поступлением их в турбину осуществлялось за счет большого избытка воздуха, подававшегося компрессором в камеру горения. Испытания установки не дали положительных результатов. Вся мощность, развивавшаяся газовой турбиной, расходовалась только на привод компрессора. Полезная мощность установки была равна нулю.

В 1905 - 1906 гг. французскими инженерами Арманго и Лемалем были построены две газотурбинные установки, работавшие на керосине.

Снижение температуры газов  перед турбинами примерно до 560 °С достигалось впрыскиванием воды. Мощность газовой турбины первой установки равнялась 25 л.с., второй - 400 л.с. От второй установки впервые была получена полезная мощность. КПД установки был чрезвычайно низок и не превышал 3 ¸ 4 %, хотя КПД собственно турбины достигал уже 70 ¸ 75 %.

Над созданием газотурбинных установок  работал также немецкий ученый доктор Хольцварт, который провел обширные экспериментальные работы, основанные на глубоких теоретических исследованиях. Начиная с 1908 г. по проектам Хольцварта было построено несколько газотурбинных установок. Наибольший КПД, который был получен в опытах с турбинами Хольцварта за период до 1927 г. составил 14 %.

В общем же можно сказать, что  те немногие, фактически работавшие газотурбинные  установки, которые были построены  за рассмотренный период времени, либо обладали низким КПД, либо были конструктивно  очень сложны и мало надежны в эксплуатации, что, естественно, являлось препятствием для их практического использования.

Реальное применение газовых турбин началось в 50-х годах XX века.

Первые практически эксплуатировавшиеся  газовые турбины выполнялись  утилизационными. Они работали на газах, отходивших от двигателей внутреннего сгорания, и приводили в действие воздуходувку, осуществлявшую наддув того же двигателя (увеличение воздушной зарядки цилиндров). Подобная система впервые была применена в авиации и позволила уменьшить падение мощности мотора с увеличением высоты полета.

Первая газотурбинная электростанция с турбоагрегатом мощностью 5000 кВт  была введена в эксплуатацию в 1939 г. в Швейцарии. Установка была выполнена  по простейшей схеме и работала при  температуре газа перед турбиной порядка 560 °С.

Позднее, в 50-х годах, в Швейцарии  же была построена и эксплуатировалась  газотурбинная электростанция в  местечке Бецнау с турбоагрегатами мощностью в 12 и 25 МВт при начальной температуре газа 650 °С.

Тепловая схема установок была усложнена, что обеспечило более  высокий КПД.

С 50-х годов XX века начинается быстрое  развитие газотурбостроения во всех странах, имевших развитую турбостроительную промышленность.

В стационарном применении газотурбинных  установок наметились два основные направления:

использование на магистральных газопроводах и

для выработки электроэнергии на электростанциях.

На газопроводах газотурбинные  агрегаты применяются для привода  компрессоров, перекачивающих газ.

На отечественных заводах (НЗЛ, УТЗ, ЛМЗ) был освоен выпуск подобных турбонагнетателей первоначально мощностью 4 МВт, затем 5, 6, 10, 16, 25 МВт и более мощных.

Суммарная мощность газотурбинных  установок, выпущенных для этих целей  только заводами Советского Союза и  России, превышает многие миллионы кВт.

Газотурбинные установки на электростанциях, как основной тип двигателя для  привода электрогенераторов, используются главным образом в тех районах, где имеется природный газ, а  так же, учитывая их возможности к быстрому пуску, для покрытия пиковых нагрузок, возникающих в энергосистемах в относительно кратковременные периоды наибольшего потребления энергии. На ЛМЗ, в частности, освоен выпуск турбоагрегатов мощностью 100 МВт.

Предпринимались попытки применения газотурбинных агрегатов в новых  технологических процессах - с использованием в качестве топлива для ГТУ  продуктов подземной газификации  угля. С этой целью на ЛМЗ были изготовлены два турбоагрегата  мощностью по 12 МВт, смонтированы на Шацкой электростанции (Рязанская область) и запущены в эксплуатацию.

Однако работы, проводившиеся в  течение ряда лет, показали, что путь использования в газотурбинных  агрегатах низкокалорийных продуктов  подземной газификации в энергетике неперспективен с экономической  точки зрения. Паротурбинные установки  с обычной схемой использования  топлива экономичнее и надежнее. Поэтому в 1961 г. работы по освоению сжигания продуктов перегонки твердого топлива в газотурбинных агрегатах были прекращены, а Шацкая электростанция остановлена.

Еще одно из направлений по применению газотурбинных установок для  выработки электроэнергии - использование  авиационных газотурбинных агрегатов. Эти агрегаты имеют высокое техническое совершенство, компактны, надежны, не требуют охлаждающей воды, быстро запускаются в работу (1-3 мин) и при минимальных работах по реконструкции могут быть использованы для привода электрогенераторов как для передвижных автоматизированных энергоустановок небольшой мощности (1000 - 3000 кВт), так и для более мощных, в том числе пиковых. Транспортабельные установки монтируются на трейлерах и могут быть доставлены практически в любой район для обслуживания строительных объектов и снятия пиковых нагрузок.

Стандартные обозначения газотурбинных  установок, принятые в отечественной  практике (как пример): ГТ-35-770-2, ГТ-50-800, ГТ-100-750-1, ГТ-45-950. Здесь первые цифры - мощность в МВт, вторые - температура  газа перед турбиной, °С и третья - номер модели.

В газотурбостроении промышленно развитых стран, так же, как и в паротурбостроении, практически существует единый мировой уровень по тенденциям развития, мощностям турбоагрегатов и их параметрам.

 

Глава 2. Обзор существующих циклов энергетических систем.