Тепловая схема современной тепловой электрической станции включает значительное число агрегатов и устройств, к основному числу которых относятся теплообменники поверхностного и смешивающего типов, расширители, эжекторы, испарители и целый ряд другого оборудования. Как правило, задачей расчета теплообменных аппаратов ТЭС является нахождение расходов греющей или обогреваемой сред, которые определяются в рамках единого подхода – на основе уравнений балансов. Последние есть не что иное, как уравнения законов сохранения массы, энергии (в термодинамическом виде) и импульса. В основу составления уравнений теплового и материального балансов положено знание принципов действия и процессов, протекающих в той или иной установке тепловой схемы.

Цель работы – изучить общие подходы к построению тепловых схем ТЭС, направление движения теплоносителей и их фазовое (агрегатное) состояние до и после элементов схемы. Закрепить навыки построения тепловых схем ТЭС с использованием библиотеки элементов из лабораторной работы 1 (ЛР-1).

Изучить функциональное назначение тепло-, массообменных аппаратов в тепловой схеме и их математические модели. Закрепить знания по использованию пакета прикладных программ расчета термодинамических свойств воды и водяного пара (ЛР-2) на примерах расчета теплообменников ТЭС.

Ниже представлена принципиальная тепловая схема реального объекта ТЭЦ 250МВт с теплофикационной (отопительной) нагрузкой жилого района.

Принципиальная тепловая схема ТЭС (на примере Т-250)

Элементы тепловой схемы ТЭС

Подогреватель поверхностного типа.

Подогреватель поверхностного типа (зона - собственно подогреватель).

Предназначен для подогрева основного конденсата или питательной воды за счет тепла пара отбираемого, из проточной части паровой турбины. Как правило, нагреваемая вода течет внутри трубной системы, греющий пар – в межтрубном пространстве. Целью расчета подогревателя поверхностного типа является определение расхода греющего пара `- D_п`. Для этого необходимо составить уравнение теп-лового баланса, заключающееся в равенстве теплоты отдаваемого греющим паром с учетом коэффициента полезного действия теплообменника и теплоты воспринимаемой нагреваемой средой.

`D_п*(h_п - bar t_(др))*eta = G_в*(bar t_(в)^' - bar t_в)`
где:
`D_п` - расход греющего пара, `(кг)/с`
`h_п` - энтальпия греющего пара, `(кДж)/(кг)`
`bar t_(др)` - энтальпия дренажа пара, `(кДж)/(кг)`
`eta` - к.п.д. подогревателя, `(0.9 -: 0.98)`
`G_в` - расход нагреваемой воды, `(кг)/(с)`
`bar t_(в)^'` - энтальпия воды на выходе из подогревателя, `(кДж)/(кг)`
`bar t_в` - энтальпия воды на входе в подогреватель, `(кДж)/(кг)`

Энтальпия греющего пара является функцией его давления и температуры: `h_п = h(P_п, t_п)` . Энтальпия дренажа греющего пара равна энтальпии насыщенной воды, определяемой по давлению греющего пара `bar t_(др) = h^'(P_п)`.

Энтальпия нагреваемой воды на выходе из подогревателя поверхностного типа зависит от давления и температуры воды: `bar t_(в)^' = h(P_в, t_в^')` , где `t_в^'` – температура нагреваемой воды на выходе из подогревателя, определяемая в свою очередь, как разность температуры дренажа греющего пара и величины недогрева: `t_(в)^' = t_s(P_п)-theta` . Значение `theta` в инженерных расчетах для подогревателей высокого давления (ПВД) принимается 2 ÷ 4 °С, а для подогревателей низкого давления (ПНД) – 3 ÷ 6 °С. Величина энтальпии нагреваемой среды на входе в теплообменник `bar t_(в)` определяется типом элемента тепловой схемы стоящего перед рассчитываемым элементом против хода движения нагреваемой среды. Нагрев теплоносителя в таких теплообменниках осуществляется в основном за счет скрытой теплоты, выделяющейся при изменении агрегатного состояния (конденсации) греющего пара. Все теплообменники, работающие по вышеизложенному принципу, называются собственно подогревателями (СП).

Для повышения эффективности работы подогревателей поверхностного типа современные установки выполняют многозонными. В общем случае количество зон составляет три, а их классификация осуществляется по принципу теплообмена на охладитель пара (ОП), собственно подогреватель и охладитель дренажа (ОД). В охладителе пара происходит охлаждение пара до температуры на `10-:15` °С больше температуры насыщения греющего пара: `t_п^'=t_s(P_п)+(10divide15)` °С. В охладителе дренажа нагреваемая среда подогревается за счет тепла, выделяющегося при переохлаждении дренажа греющего пара с температуры насыщения до температуры на `6-:10` °С больше температуры нагреваемой воды на входе в теплообменник `t_д^'=t_в+(6divide10)` °С.

Подогреватель поверхностного типа с охладителем пара (ОП), собственно подогревателем (СП) и охладителем дренажа (ОД).

Задачей расчета теплообменника такого типа является определение расхода греющего пара `D_п`, энтальпий нагреваемой среды на выходе из охладителя пара `bar t_(оп)` и охладителя дренажа `bar t_(од)`. С целью определения неизвестных величин составляют уравнения теплового баланса для каждой зоны подогревателя:

для охладителя пара: `D_п*(h_п - h_п^')*eta = G_в*(bar t_(oп) - bar t_(сп))`
для собственно подогревателя: `D_п*(h_п^' - bar t_д)*eta = G_в*(bar t_(сп) - bar t_(од))`
для охладителя дренажа: `D_п*(bar t_д - bar t_д^')*eta = G_в*(bar t_(oд) - bar t_(в))`

где:
`h_п^'=h(P_п,t_п^')` - энтальпия греющего пара на выходе из охладителя пара;
`bar t_д^'=h(P_п,t_д^')` - энтальпия дренажа греющего пара на выходе из охладителя дренажа.

Если в балансовых уравнениях все слагаемые с неизвестными величинами перенести в левую часть, а с известными в правую, то в результате получим совместную систему трех линейных алгебраических уравнений с тремя неизвестными, решить которую можно одним из известных численных методов (Метод Крамера, метод Гаусса).

Подогреватель смешивающего типа.

Расчетная схема подогревателя смешивающего типа.

Предназначен для подогрева воды за счет теплоты пара, отбираемого из проточной части турбины. Нагрев осуществляется путем непосредственного контакта и смешения греющей и нагреваемой сред.

При расчете теплообменников смешивающего типа искомыми величинами являются, как правило, расход греющего пара `D_п` и нагреваемой среды после подогревателя `G_в^'.` Для определения неизвестных величин при расчете подогревателей смешивающего типа необходимо составить два уравнения: материального и теплового балансов. Если уравнение теплового баланса характеризует равенство отданного и воспринятого количества тепла соответственно между греющей и нагреваемой средой, то уравнение материального баланса выражает равенство всех материальных потоков, поступающих в теплообменник и выходящих из него.

Уравнение материального и теплового балансов записываются в следующем виде:

`{ (D_п + G_в = G_(см)), (D_п * h_п * eta_m + G_в * bar t_в^' = G_(см) * bar t_(см)^') :}`

где:
`bar t_(см)^' = h^'(P_п) - ` энтальпия нагреваемой среды на выходе из подогревателя смешивающего типа равна энтальпии насыщенной воды, определяемой по давлению греющего пара.

Деаэрационная установка (деаэратор).

Расчетная схема деаэрационной установки.

Предназначена для дегазации технологической воды от растворенных в ней агрессивных газов `(СО_2, О_2)`, приводящих к химической коррозии металла станционного оборудования. Одновременно деаэрационная установка служит подогревателем смешивающего типа, состоящая из бака аккумулятора и деаэрационной колонки, в которой собственно и происходит деаэрация (дегазация) воды. Для организации вышеназванных процессов в деаэратор подается греющий пар из отборов турбины и считается, что давление пара `P_д` по всему объему аппарата остается неизменным, сам процесс теплообмена происходит в области насыщения, причем греющий пар полностью конденсируется. Целью расчета деаэрационной установки является определение расхода отборного пара `D_п` и расхода теплоносителя, поступающего на деаэрацию `G_(ок).`

Для определения неизвестных величин необходимо совместно решить уравнения материального и теплового балансов:

`{ (D_п + G_(ok) = G_(пв)), (D_п * h_п * eta_m + G_(ok) * bar t_(ok) = G_(пв) * bar t_(пв).) :}`

где:
`bar t_(пв) = h^'(P_д) - ` энтальпия питательной воды (насыщенная среда) на выходе из деаэрационной установки; `P_д` – давление в деаэраторе.

Конденсационная установка (конденсатор).

Расчетная схема конденсационной установки (конденсатора).

Предназначен для конденсации отработавшего в турбине пара за счет охлаждающей технической (циркуляционной) воды. При этом также полагают, что все процессы происходят на линии насыщения, а давление в конденсаторе `P_k` является известной величиной. Параметры охлаждающей воды определяются так же, как для соответствующих потоков у подогревателя поверхностного типа. При этом расход основного конденсата на выходе из конденсатора `G_(ok)` равен расходу пара в конденсаторк `D_k.`

Задача расчета конденсационной установки сводится к определению энтальпии основного конденсата пара на выходе, которая в свою очередь вычисляется как энтальпия насыщенной (кипящей) воды в зависимости от давления пара в конденсационной установке: `bar t_(ok) = h^'(P_k).`

Точка смешения, точка разветвления.

Расчетная схема точки смешения.

Точки смешения и разветвления являются элементами тепловой схемы и предназначены для смешения или разветвления различных материальных потоков.

Целью расчета любой точки смешения является определение одного из расходов теплоносителя, подходящего к точке `(G_в " или " G_(в2) " или " G_д),` `кг//с`, и температуры (энтальпии) теплоносителя, получающейся в результате смешения потоков `t_(см), (bar t_(см)),^oС, (кДж//кг)`. Для решения поставленной задачи, как и в случае расчета подогревателя смешивающего типа и деаэрационной установки, необходимо составить, систему уравнений, состоящую из уравнений материального и теплового балансов:

`{ (G_в + G_(в2) + G_д = G_(см)), (G_в * bar t_в + G_(в2) * bar t_(в2) + G_д * bar t_д = G_(см) * bar t_(см).) :}`

где:
`G_в , G_(в2) , G_д , G_(см) -` расходы теплоносителей, `кг//с;`
`bar t_в, bar t_(в2), bar t_д, bar t_(см)` - энтальпии теплоносителей, `кДж//кг`.

Расширитель непрерывной продувки.

Расчетная схема расширителя непрерывной продувки.

Данные устройства используются в тепловой схеме ТЭС для утилизации тепла потока продувочной воды, поступающей из соленых отсеков барабанов, выносных циклонов паровых котлов. Принцип работы расширителей непрерывной продувки основан на резком изменении давления продувочной воды `(G_(пр))` от давления в барабане или выносном циклоне котла `(P_б)` до давления в расширителе `(P_р)`. За счет резкого перепада давлений происходит вскипание продувочной воды, сопровождаемое образованием обессоленного насыщенного пара, который далее используется на технологические нужды и продувочную воду с повышенной концентрацией растворенных в ней солей. Если расширители в тепловой схеме используются одноступенчатые, то давление в расширителе `(P_р)` обычно поддерживается равным `0,7` `МПа.` Если схема включения расширителей двухступенчатая, то в аппарате первой ступени давление равно `0,7` `МПа,` а второй ступени `0,12` `МПа.`

Целью расчета расширителя непрерывной продувки является определение расхода вторичного пара `D_п^'` и расхода соленой продувочной воды после расширителя `G_(пр)^'.`

Для определения искомых величин необходимо составить систему линейных алгебраических уравнений из уравнений материального и теплового балансов:

`{ (G_(пр) = D_п^' + G_(пр)^'), (G_(пр) * bar t_(пр) = D_п^' * h_п^' + G_(пр)^' * bar t_(пр)^'.) :}`

где:
`h_п^' = h^('')(P_p) -` энтальпия сухого насыщенного пара, определяемая по давлению в расширителе `кДж//кг;`
`bar t_(пр)^' = h^'(P_p)` - энтальпия насыщенной соленой воды на выходе из расширителя, `кДж//кг`.
`bar t_(пр) = h^'(P_(np))` - энтальпия продувочной воды на входе в расширитель, `кДж//кг`.
`(P_(np) = P_б)` - давление продувочной воды на входе в расширитель принимается равным давлению в барабане котла, `МПа`.

Испарительная установка (испаритель).

Расчетная схема испарительной установки (испарителя).

Используется в тепловых схемах ТЭС для генерации вторичного, влажного насыщенного пара из добавочной воды за счет тепла пара, отбираемого из проточной части турбины или коллектора собственных нужд.

Целью расчета испарителя является определение расхода греющего пара `D_п,` расхода вторичного пара `D_п^'` или расхода продувочной воды `G_(пр)` на выходе из установки. Для определения искомых величин необходимо составить уравнение теплового баланса испарителя, дополненное уравнением материального баланса по добавочной воде:

`{ (D_п*h_п*eta_m + G_(дв)*bar t_(дв) = D_п*bar t_д + D_п^'*h_п^' + G_(пр)*bar t_(пр)), (G_(дв) = D_п^' + G_(пр).) :}`

где:
`bar t_д = h^'(P_п) -` энтальпия дренажа греющего пара, `кДж//кг;`
`h_п^' = h^('')(P_(дв))` - энтальпия получаемого вторичного насыщенного пара, `кДж//кг`.
`bar t_(пр) = h^'(P_(дв))` - энтальпия продувочной воды на выходе из испарителя, `кДж//кг`.

Насосная установка (насос).

Расчетная схема насосной установки (насоса).

Предназначен для перекачивания (перемещения) теплоносителей (вода, конденсат и т.д.) по трактам тепловой схемы ТЭС, тепловым сетям, а также для содания напора (давления) теплоносителя. Имеет однозначную расходную характеристику, поэтому задача его расчета сводится к оценке величины прироста энтальпии в результате сжатия теплоносителя с давления на входе во всасывающий патрубок насоса `P_(вс)` до давления нагнетания (напора) `P_н.`

Математическая модель насосной установки в данном случае имеет вид:

`bar t_(н)^' = bar t_в + Delta bar t`

где:
`Delta bar t = ((P_н - P_(вс))*nu_(вс))/(eta_н)*10^3 -` прирост энтальпии в результате сжатия в насосе, `кДж//кг;`
`nu_(вс)` - удельный объем теплоносителя на входе в насос, `м^3//кг`;
`eta_н` - гидравлический к.п.д. насоса, `0,755` (принимается в расчетах: `0,6-:0.8`);
`P_н , P_(вс)` - соответственно давление нагнетания (напора) и во всасывающем патрубке насоса, `МПа`.

Водо-водяной теплообменник.

Целью расчета теплообменников, в которых греющим теплоносителем является вода (дренаж греющего пара, продувочная вода и др.), является энтальпия и соответственно температура нагреваемой среды на выходе из аппарата. Принцип расчета такой установки совпадает с принципом расчета охладителя дренажа `(ОД)` подогревателя поверхностного типа. В рассмотриваемых тепловых схемах ТЭС - в рамках учебного процесса - к такому типу теплообменников относится подогреватель химочищенной воды (ПХОВ).

Задание к работе

1. В соответствии с вариантом задания по ссылке ниже, с использованием библиотеки элементов (см. ЛР-1) разработать фрагмент тепловой схемы.

2. Изучить функциональное назначение и принцип действия каждого элемента (оборудования) входящего в узел (фрагмент) тепловой схемы.

3. Определить термодинамические параметры теплоносителей их фазовое (агрегатное) состояние до и после элементов схемы и направление движения.

4. Составить математические модели всех элементов входящих в узел (фрагмент) схемы.

5. Отчет по результатам выполнения работы сдать в письменном виде согласно формы по ссылке ниже.