Цель работы - ознакомление студентов с составом основного и вспомогательного оборудования тепловой электростанции и способами его включения в тепловую схему энергоблока; ознакомление с методикой расчета принципиальной «упрощенной» тепловой схемы (ПТС) энергоблока, разработка алгоритма и составление программы расчета ПТС. Выполнение расчета ПТС на ЭВМ.

Выбор вида и параметров тепловой схемы энергетической установки, а также анализ режимов ее работы возможны лишь на основе расчета большого числа (нескольких десятков) ее вариантов.

«Ручной» расчет одного варианта тепловой схемы современной паротурбинной электростанции (рис. ниже) требует значительных затрат инженерного труда и времени (до нескольких рабочих дней). При ограниченном числе вариантов «ручной» расчет тепловой схемы не обеспечивает получения оптимального решения. В настоящее время широко используют метод расчета тепловых схем с применением ЭВМ.

Ниже представлены принципиальные тепловые схемы реальных объектов.

Принципиальная тепловая схема ТЭС (на примере Т-250)

Принципиальная тепловая схема ТЭС (на примере Т-25-90)

Необходимость использования ЭВМ при таких расчетах обусловлена значительным усложнением конфигурации тепловой схемы конденсационных и, в особенности, теплофикационных турбоустановок, а также возросшими требованиями экономии энергоресурсов и повышения к.п.д. энергетических установок.

Вместе с тем расчет тепловой схемы электростанции является основой комплексной технико-экономической оптимизации. Проведение расчетов тепловой схемы электростанции с применением ЭВМ требует использования приемов вычислительной математики. Появились также новые требования к форме исходной информации для расчета, в том числе о теплофизических свойствах рабочего тела и теплоносителя (водяного пара и воды) и др.

Расчет ПТС производится по исходным данным, к основному числу которых относятся электрическая и тепловая нагрузки, параметры острого пара на входе турбину и за ней, а также давление пара в отборах.

По начальным параметрам пара перед турбиной `P_0` и `t_0`, а так же по давлению пара в конденсаторе `P_k` и давлению пара в отборах `P_i` строится процесс расширения пара в проточной части турбины (рис. ниже).

Процесс расширения пара в проточной части турбины

При этом на `h-s` диаграмме параметры пара в точке `0` определяются по `P_0` и `t_0`. Далее из точки `0` проводится линия, перпендикулярная оси абсцисс `(S-const)`, до пересечения с изобарой `P_1`. Получают значение идеального теплоперепада на первый отсек `H_(01).` Для оценки действительного теплоперепада на отсек, необходимо значение теоретического теплоперепада умножить на относительно внутренний к.п.д. отсека `H_1 = H_(01) * eta_(oi).` Значение энтальпии пара в первом регенеративном отборе определяется как `h_1 = h_0 - H_1.`

Для определения энтальпии пара во втором отборе откладывают изоэнтропу из точки `1` до пересечения с изобарой `P_2.` По аналогии находят значения энтальпий во всех нижеследующих отборах. Линия `0-K` соответствует действительному процессу расширения пара в проточной части турбины.

После определения термодинамических параметров пара в регенеративных отборах приступают к расчету расхода пара на турбину – `D_0.`

`D_0 = k_(рег) * (W_э // sum_(i=1)^n H_i eta_(эм) + y_п*D_п + y_т*D_т),`
где:
`k_(рег)` - коэффициент регенерации, для расчета ПТС, принимается ориентировочно в диапазоне `1,15 div 1.3`
`W_э` - электрическая мощность, `кВт`
`eta_(эм)` - электромеханический к.п.д., принимается в расчетах равным `0,98 div 0.99`
`y_п , y_т` - коэффициент недовыработки паром соответственно производственного и теплофикационного отборов.
Значения этих коэффициентов определяются по следующим формулам:
`y_п = (h_п - h_k)/(h_0 - h_k);` `y_т = (h_т - h_k)/(h_0 - h_k).`
где:
`h_п, h_т` - энтальпии в производственном и теплофикационном отборах `кДж//кг`
`D_п, D_т` - расходы пара на производство и теплофикацию, `кг//с`

Расход пара промышленного отбора `D_п` определяется обычно производственными потребностями в технологическом паре и является известной величиной. Расход пара `(кг//с)` на теплофикацию `D_т` определяется потребностью потребителя в тепловой энергии `Q_т.`

`D_т = Q_т/((h_т - bar t_д)*eta_m)`
где:
`eta_m` - к.п.д. теплообменника теплофикационной установки;
`bar t_д` - энтальпия конденсата теплофикационной установки, `кДж//кг`
`h_т` - энтальпия греющего пара теплофикационного отбора, `кДж//кг`
`Q_т` - тепловая нагрузка теплофикационной установки, `кВт`
`D_т` - расход греющего пара на теплофикационную установку, `кг//с`

Расход питательной воды `G_(пв)` `кг//с` для барабанного котла определяется по формуле:

`G_(пв) = D_0+D_(ут)+D_(сн)+D_(пр)`
где:
`D_0` - расход пара с котла, `кг//с`;
`D_(ут)` - внутрениие потери пара и конденсата: `D_(ут) = (1div2)% D_0,` `кг//с`;
`D_(сн)` - расход пара на собственные нужды станции: `D_(сн) = (1div5)% D_0,` `кг//с`;
`D_(пр)` - расход котловой (продувочной) воды в расширитель непрерывной продувки: `D_(пр) = (2div3)% D_0,` `кг//с`;

При расчете величины расхода питательной воды для прямоточного котла в последней формуле отсутствует расход продувочной воды.

Тепловая схема энергоблока состоит из теплообменников поверхностного и смешивающего типов (см. рис. выше). При тепловом расчете ПТС определяют расход греющей среды на каждый теплообменник или температуру обогреваемой среды на выходе из теплообменника. Эти величины определяются из уравнений тепловых и материальных балансов, составленных для элементов тепловой схемы.

Расчет ПТС выполняется в следующем порядке. В начале рассчитываются теплообменники, не входящие в регенеративную схему (расширители непрерывной продувки, испарители и паропреобразователи, сетевые подогреватели и т. д.). Затем рассчитываются теплообменники регенеративной схемы (ПВД, ПНД, деаэраторы, насосы и т. д.).

Расчет выполняется от котельного агрегата против хода питательной воды и основного конденсата.

Уравнения материального и теплового баланса объединяются в систему линейных алгебраических уравнений, для решения которой необходимо использовать специальные численные методы (метод Крамера, метод Гаусса и т. д.). Для этого балансовые уравнения для необходимых групп теплообменников приводят к соответствующему виду:

` { (a_11 x_1 + a_12 x_2 + a_13 x_3 + ... + a_(1n) x_n = b_1), (a_21 x_1 + a_22 x_2 + a_23 x_3 + ... + a_(2n) x_n = b_2), (a_31 x_1 + a_32 x_2 + a_33 x_3 + ... + a_(3n) x_n = b_3), (... ... ...), (a_(n1) x_1 + a_(n2) x_2 + a_(n3) x_3 + ... + a_(n n) x_n = b_n):}`

где:
`a_(ij)` - значения коэффициентов при неизвестных;
`x_i` - искомые корни системы уравнений (неизвестная величина);
`b_i` - значения правых частей уравнения.

После определения расходов пара в регенеративные отборы определяют расчетную мощность отсеков паровой турбины и общую суммарную электрическую нагрузку:

`W_э^p = sum_(i=1)^n W_(эi)^p = sum_(i=1)^n D_i H_(0i) eta_(0i) eta_(эм) = sum_(i=1)^n D_i H_i eta_(эм)`
где:
`W_(эi)^p` - расчетная мощность `i-го` отсека турбины, `кВт`;
`D_i` - расход пара через `i-й` отсек турбины, `кг//с`;
`H_i` - `H_(0i) * eta_(0i)` - действительный теплоперепад на `i-й` отсек, `кДж//кг`;
`eta_(эм)` - электромеханический к.п.д. турбоустановки `0.9 div 0.95`;

Путем сравнения заданной электрической мощности `(W_э)` и расчетной `(W_э^p)` обосновывается вывод о необходимости уточнения расчета. При этом определяется погрешность расчета `(delta)`, которая затем сравнивается с допустимой погрешностью – в инженерных расчетах принимается обычно равной `epsilon=(0.3div0.5)%`.

`delta = |(W_э-W_э^p)/W_э|*100%`

Если `delta le epsilon,` то расчет заканчивается. Если `delta gt epsilon,` то расчет повторяется с уточнением значения коэффициента регенерации:

`k_(рег) = k_(рег) * W_э/W_э^p`.

Структурная схема расчета ПТС представлена на рисунке.

Структурная схема расчета принципиальной тепловой схемы ТЭС.

Полученные результаты далее используются для оценки техникоэкономических показателей тепловой схемы в целом.

Расход условного топлива `(кг//с)` на ТЭС (КЭС или ТЭЦ) определяется по следующему выражению:

`B=(D_0(h_0-bart_(пв)))/(eta_(ка) Q_н^p)`
где:
`D_0` - расход острого пара на турбину, `кг//с`;
`h_0, bar t_(пв)` - соответственно энтальпии острого пара и питательной воды, `кДж//кг`;
`eta_(ка)` - к.п.д. котельного огрегата, `86 div 93 %`;
`Q_н^p` - теплота сгорания условного топлива, `29330 кДж//кг`;

Для тепловых схем, в которых отсутствует производственный и тепловой потребитель пара (КЭС), технико-экономические показатели рассчитываются следующим образом:

коэффициент полезного действия брутто:
`eta_(КЭС)^(бр) = W_э/(BQ_н^p),`
удельный расход условного топлива на выработку `1 кВт*ч`:
`b_(КЭС) = 0.123/eta_(КЭС)^(бр),`

В тепловых схемах с комбинированным отпуском тепловой и электрической энергии (ТЭЦ) технико-экономические показатели рассчитываются по каждому показателю:

расход топлива на выработку тепловой энергии `(кг//с)`:
`B_(ТЭЦ)^(тэ) = B Q_т/Q_k`
где:
`Q_т = D_п*(h_п - bar t_(дп)) + D_т*(h_т - bar t_(дт))` - расход тепла с турбины на производственные и теплофикационные нужды, `кВт`;
`D_п, D_т, h_п, h_т, bar t_(дп), bar t_(дт)` - соответственно расходы `кг//с`, энтальпии пара и конденсата `кДж//кг` производственного и теплофикационного отборов;
`Q_k = D_0*(h_0-bar t_(пв))` - полезное тепло, полученное в котельной установке, `кВт`;

расход топлива на выработку электрической энергии `(кг//с)`:
`B_(ТЭЦ)^(ээ) = B - B_(ТЭЦ)^(тэ),`
коэффициент полезного действия брутто по выработке электроэнергии:
`eta_(ТЭЦ)^(брээ) = W_э/(B_(ТЭЦ)^(ээ) Q_н^p),`
коэффициент полезного действия брутто по выработке тепла:
`eta_(ТЭЦ)^(бртэ) = Q_т/(B_(ТЭЦ)^(тэ) Q_н^p),`
удельный расход условного топлива `(кг//(кВт*ч))` на выработку `1 кВт*ч`:
`b_(ТЭЦ)^(ээ) = 0.123/eta_(ТЭЦ)^(брээ),`
удельный расход условного топлива `(кг//МДж)` на выработку `1 МДж`:
`b_(ТЭЦ)^(тэ) = 0.0342/eta_(ТЭЦ)^(бртэ).`

Задание и порядок выполнения расчетно-графического задания (РГЗ)
Построение и расчет принципиальной тепловой схемы ТЭС

1. В соответствии с вариантом задания выполнить расчет тепловой схемы энергоблока первой итерации в «ручную» с подробным выводом и описанием расчетных зависимостей.

2. Разработать программу расчета тепловой схемы на ЭВМ (язык программирования С#, математический пакет `bb"MathCad"`) с выводом на печать исходных данных и результатов первой и последней итераций.

3. Выполнить расчет технико-экономических показателей работы энергоблока.

4. В списке исходных данных к расчету используются следующие условные обозначения:

`W_э` - номинальная электрическая мощность, `МВт;`
`P_0, t_0` - соответственно давление `(МПа)`, и температура`-^oC` острого пара перед турбиной;
`P_1, P_2, ..., P_n` - давление пара в регенеративных отборах, `МПа;`
`P_k` - давление пара в конденсаторе, `МПа;`
`P_б` - давление в барабане котла `(1,15div1,2)*P_0`, `МПа;`
`P_(пв)` - давление питательной воды после ПЭН `(1,3div1,4)*P_0`, `МПа;`
`P_д` - давление пара в деаэрационной установки, `МПа;`
`P_p` - давление в расширителе непрерывной продувки, `МПа;`
`P_(дв)` - давление в деаэраторе добавочной воды, `МПа;`
`D_п` - расход пара на производственные нужды, `кг//с;`
`delta D_п` - доля возврата конденсата с производства;
`Q_т` - тепловая нагрузка на теплофикационный отбор, `МВт;`
`t_(хов)` - температура химически очищенной воды`-^oC;`
`t_(вк)` - температура возвращаемого конденсата с производства`-^oC;`
`t_(сл)` - температура слива (сбора)`-^oC;`

Содержание отчета

1. Задание к работе и исходные данные.

2. Тепловая схема согласно заданию, разработанный в редакторе MS Visio или любом другом редакторе с указанием исходных данных по потокам тепловой схемы. Указать наименование элементов схемы, направление движения теплоносителей и их наименование.

3. Описание элементов тепловой схемы и процессов, протекающих в элементах.

4. Параметры теплоносителей по ходу движения по схеме и фазовое состояние теплоносителей до и после элемента. Представить в табличном виде.

5. Система балансовых уравнений расчета тепловой схемы.

Результаты расчет представить в табличном виде.

Заключение. Описание последовательности расчета, исходынх данных и искомых величин, применяемого метода расчета и полученных результатов.

Отчет о выполнении РГЗ оформить по форме по ссылке ниже.