Расчет газотурбинных установок

Задача 15. Определить термический КПД цикла газовой турбины (рис. 3.18) с подводом теплоты по изобаре и температуру Т₃ , если даны р₁ = 1 бар, Т₁ = 273 К, р₂ = 9 бар, степень сжатия u₃/u₂ = 1,5, а рабочее вещество – 1 кг сухого воздуха.

Решение. Для адиабатного процесса 1-2 степень сжатия

Для адиабатного процесса 1-2

Для изобарного процесса 2-3:

;

Рис. 3.18. Цикл газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты

Задача 16. Определить термический КПД цикла газовой турбины (рис. 3.19) с подводом теплоты по изохоре и температуру Т₃ , если даны р₁ = 1 бар, Т₁ = 273 К, р₂ = 9 бар, р₃ = 13 бар, а рабочее вещество – 1 кг сухого воздуха.

Решение. Для адиабатного процесса 1-2 степень сжатия

Рис. 3.19. Цикл газотурбинной установки с изохорным подводом теплоты

Степень повышения давления

Для адиабатного процесса 1-2

,

Для изохорного процесса 2-3

;

Задача 17. Определить температуру газа за турбиной, работающей с начальными параметрами: р_НТ = 0,8 МПа; t_НТ = 750 ^ОС. Давление на выхлопе турбины р_ВТ = 0,125 МПа. Внутренний относительный КПД турбины h_Оi = = 0,85. Рабочее вещество – воздух (к = 1,4).

Решение. Степень понижения давления в турбине

p_Т = р_НТ / р_ВТ = 0,8 / 0,125 = 6,4.

В случае адиабатного расширения газа в турбине конечная температура на выхлопе

С учетом адиабатного КПД

Расчет поршневых двигателей внутреннего сгорания

Контрольная задача для самостоятельного решения.

Задача 18. Для поршневого двигателя внутреннего сгорания с изохорным процессом подвода теплоты (рис. 2.17) определить параметры (давление, удельный объем, температуру) рабочего вещества в узловых точках цикла, установить влияние степени сжатия e на термический КПД двигателя h_tu и построить зависимость h_tu = f (e). В расчетах принять давление р₁ = 0,1 МПа, считать показатель адиабаты воздуха и продуктов сгорания воздуха равными k = 1,41.

Варианты контрольных заданий приведены в табл. 3.14, расчетные формулы представлены в разделе 2.6.1.

Таблица 3.14

Пара- метры	Варианты заданий
р2, МПа	0,4-1,2
Т, К
l = р3 / р2	1,35	1,40	1,45	1,50	1,55	1,55	1,50	1,45	1,40	1,35

Задача 19. Определить термический КПД поршневого двигателя внутреннего сгорания с изобарным процессом подвода теплоты (рис. 2.21), если даны давления р₁ , р₃ , р₄ , МПа, температура Т₁, К. В расчетах принять показатель адиабаты воздуха и продуктов сгорания воздуха равными k = 1,41.

Варианты контрольных заданий приведены в табл. 3.15, расчетные формулы представлены в разделе 2.6.2.

Таблица 3.15

Пара- метры	Варианты заданий
р1, МПа	0,10	0,11	0,12	0,10	0,11	0,12	0,10	0,11	0,12	0,10
Т1, К
р3, МПа	4,0	4,5	5,0	6,0	6,5	4,0	4,5	5,0	6,0	6,5
р4, МПа	0,20	0,25	0,30	0,30	0,25	0,20	0,30	0,30	0,25	0,25

Бланк задания к курсовой работе

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Омский государственный

технический университет (ОмГТУ)»

Кафедра «Теплоэнергетика»

Задание

к курсовой работе по дисциплине «Тепловые электрические станции»

Студент _______________________

1. Тема работы «Расчет принципиальной схемы тепловой электрической станции».

2. Срок сдачи студентом законченной работы _________________.

3. Исходные данные к работе:

Рассчитать принципиальную схему станции с турбиной при следующих исходных данных:

начальные параметры пара перед турбиной р₀ = 11 МПа, t₀ = 520 ^ОС;

давление за турбиной р_К = 0,9 МПа;

отпуск пара внешнему потребителю из противодавления D_ВП = 500 т/ч;

внутренний относительный КПД турбины h_Оi = 0,844;

электромеханический КПД турбогенератора h_ЭМ = 0,97;

число отборов пара на регенерацию n = 3;

доля возвращаемого конденсата j_ВК = 0,80; t_ВК = 60 ^ОС;

давление в деаэраторе р_Д = 0,588 МПа;

температура химически очищенной воды t_ХОВ = 25 ^ОС;

продувка котла a_ПРОД = 6 % D_Т;

потеря пара и конденсата внутри станции a_УТ = 0,6 % D_Т (условно принято из деаэратора);

продувочная вода котла после подогревателя химически очищенной воды сливается в канализацию с температурой t_СВ = 50 ^ОС.

Принципиальная схема турбоустановки представлена на рис. 2.5.

4. Дата выдачи задания ______________ 201 г.

Руководитель: _____________________(подпись)

Задание принял к исполнению ______ _______________ 201 г.

(подпись студента)

Таблица 3.15

Варианты задание к курсовой работе

Параметры
р0, МПа		11,5		12,5			11,5		12,5
t0, ОС
рК, МПа	0,9	1,0	1,1	0,9	1,0	1,1	0,9	1,0	1,1	0,9
DВП , т/ч
jВК , % tВК , ОС	0,80	0,82	0,84	0,86	0,80	0,82	0,84	0,86	0,80	0,82
tХОВ , ОС
aПРОД , %, от DТ
aУТ , %, от DТ	0,6	0,7	0,8	0,9	1, 0	0,6	0,7	0,8	0,9	1, 0
tСВ , ОС

Параметры
р0, МПа		10,5		11,5			10,5	12,5	12,7	13,5
t0, ОС
рК, МПа	1,0	0,9	1,15	0,95	1,05	1,15	0,9	1,0	1,1	0,9
DВП , т/ч
jВК , % tВК , ОС	0,80	0,82	0,83	0,85	0,80	0,82	0,84	0,86	0,80	0,82
tХОВ , ОС
aПРОД , %, от DТ
aУТ , %, от DТ	0,8	0,6	0,8	0,9	1, 0	0,6	0,7	0,8	0,9	1, 0
tСВ , ОС

Контрольные задачи

1. В воздухоподогреватель котельной установки поступает 5 м³/с воздуха при температуре t₁ = 25 ^ОС и избыточном давлении 500 мм вод. ст. Определить скорость воздуха после воздухоподогревателя, если площадь поперечного сечения воздуховода F = 4 м². Температура подогретого воздуха t₂ = 200 ^ОС. Барометрическое давление В = 750 мм рт. ст. (задачу решить в единицах СИ).

2. В резервуаре находится 100 кг влажного пара при степени сухости х = = 0,8 и температуре t = 250 ^ОС. Определить объем резервуара.

3. В сосуде объемом V = 1 л находится в равновесии смесь сухого насыщенного пара и кипящей воды. Найти степень сухости смеси, если ее масса m = 0,1 кг, а температура t = 300 ^ОС.

4. В барабане котельного агрегата находится кипящая вода и над ней насыщенный пар. Определить массу пара, если объем барабана V = 8 м³, абсолютное давление р = 1,5 МПа и масса воды m_В = 6000 кг. Принять пар, находящийся над водой, сухим насыщенным.

5. Барабан парового котла объемом V = 15 м³ заполнили на 50 % сухим насыщенным паром и на 50 % кипящей водой. Определить энтальпию образовавшегося в барабане влажного пара, если давление его р = 10 МПа.

6. Водяной пар, имея абсолютное давление р = 5 МПа и степень сухости х = 0,88, течет по трубе со скоростью 20 м/с. Определить диаметр трубы, если расход пара D = 1,5 кг/с.

7. Для получения 4,5 кг/с воды с температурой 90 ^ОС имеется влажный пар при абсолютном давлении р = 0,15 МПа и степени сухости 0,9 и вода с температурой 12 ^ОС. Определить секундный расход пара и воды.

8. Водяной пар при абсолютном давлении р = 1,5 МПа имеет энтальпию h = 2450 Дж/кг. Определить параметры пара и его состояние.

9. Водяной пар при температуре t = 300 ^ОС имеет энтропию 7 кДж/(кг×К). Определить параметры пара и его состояние.

10. В барабане парового котла находится влажный пар при абсолютном давлении р = 20 МПа и степени сухости х = 0,4. Определить массу влажного пара, а также объемы воды и сухого насыщенного пара, если объем парового котла V = 12 м³.

11. Определить объем 120 кг влажного пара при абсолютном давлении р = 10 МПа и степени сухости х = 0,8. Насколько увеличится объем пара, если довести его степень сухости до единицы при том же давлении?

12. Один кг водяного пара, имея начальные параметры р₁ = 1,4 МПа (абсолютных) и u₁ = 0,12 м³/кг, нагревается при постоянном давлении до температуры t₂ = 270 ^ОС. Определить конечный объем пара, изменение внутренней энергии, подведенную теплоту и совершенную паром работу. Изобразить процесс в Т-s- и h-s-диаграммах.

13. Один кг сухого насыщенного водяного пара находится в закрытом сосуде при абсолютном давлении р₁ = 0,8 МПа. Пар охлаждается до температуры t₂ = 150 ^ОС. Определить конечное давление, степень сухости и количество отведенной теплоты. Изобразить процесс в Т-s- и h-s-диаграммах.

14. Четыре кг влажного водяного пара, находящегося в закрытом сосуде при абсолютном давлении р₁ = 0,1 МПа и степени сухости х₁ = 0,83, нагревается до температуры, соответствующей увеличению давления на 20 %. Определить конечную температуру, степень сухости, количество подведенной теплоты. Изобразить процесс в Т-s- и h-s-диаграммах.

15. В паровом котле находится 8000 кг пароводяной смеси, степень сухости которой х₁ = 0,002, абсолютное давление р₁ = 0,5 МПа. Определить время, необходимое для достижение давления смеси р₂ = 1 МПа при закрытых вентилях, если смеси сообщается 20 МДж/мин теплоты. Изобразить процесс в Т-s- и h-s-диаграммах.

16. Начальное состояние водяного пара характеризуется абсолютным давлением р₁ = 0.4 МПа и температурой t₁ = 250 ^ОС. В результате впрыскивания кипящей воды того же давления пар становится насыщенным, давление смеси при этом остается постоянным. Определить количество впрыскиваемой воды на 1 кг пара и работу, совершенную в этом процессе. Изобразить процесс в Т-s- и h-s-диаграммах.

17. Четыре кг водяного пара, имеющие начальное абсолютное давление р₁ = 0,9 МПа, расширяется при постоянной температуре от объема V₁ = 0,2 м³ до объема V₂ = 0,4 м³. Определить работу расширения и количество подведенной теплоты. Изобразить процесс в Т-s- и h-s-диаграммах.

18. Один кг пар, имея абсолютное давление р₁ = 0,2 МПа, температуру t₁ = 200 ^ОC, сжимается при постоянной температуре до объема V₂ = 0,12 м³/кг. Определить конечные параметры пара и количество отведенной теплоты. Изобразить процесс в Т-s- и h-s-диаграммах.

19. Сухой насыщенный водяной пар расширяется без теплообмена с окружающей средой от температуры t₁ = 180 ^ОС до t₂ = 50 ^ОС. Определить состояние и параметры пара в конце расширения, а также изменение энтальпии и работу расширения, отнесенные к 1 кг пара. Изобразить процесс в Т-s- и h-s-диаграммах.

20. Один кг водяного пара расширяется адиабатно. При этом абсолютное давление его меняется от р₁ = 9 МПа до р₂ = 4 МПа. Определить параметры пара, работу расширения и изменение внутренней энергии, если начальная температура пара t₁ = 400 ^ОС. Изобразить процесс в Т-s- и h-s-диаграммах.

21. Два кг водяного пара, имея начальные параметры t₁ = 100 ^ОС и х = = 0,95, сжимаются без теплообмена с окружающей средой, при этом объем пара уменьшается в 8 раз. Определить параметры и состояние пара в конце расширения, а также изменение энтальпии и работу сжатия. Изобразить процесс в Т-s- и h-s-диаграммах.

22. Определить скорость истечения водяного пара через суживающееся сопло, если начальные параметры пара р₁ = 0,6 МПа и t₁ = 350 ^ОС, а давление среды, в которую происходит истечение р₂ = 0,1 МПа. Потерями, теплообменом со стенками и скоростью пара на входе в сопло пренебречь.

23. Определить диаметры минимального и выходного сечений сопла Ловаля обдувочного аппарата парового котла с расходом сухого насыщенного пара М = 0,3 кг/с, если начальное давление пара р₁ = = 2 МПа, а конечное р₂ = 0,1 МПа. Скоростью пара на входе в сопло, потерями и теплообменом со стенками пренебречь.

24. Перегретый пар с начальными параметрами р₁ = 1,6 МПа и t₁ = 300 ^ОС вытекает через суживающееся сопло в атмосферу (р₂ = 0,1 МПа). Определить скорость истечения, если скоростной коэффициент сопла j = 0,90. Скоростью на входе в сопло пренебречь.

25. Влажный пар с начальными параметрами р₁ = 1,6 МПа и х₁ = 0,98 вытекает через суживающееся сопло с площадью выходного сечения f = 40 мм² в атмосферу (р₂ = 0,1 МПа). Определить секундный расход пара, если скоростной коэффициент сопла j = 0,2. Скоростью пара на входе в сопло пренебречь.

26. Влажный пар с параметрами р₁ = 1 МПа и х₁ = 0,9 дросселируется в редукционном клапане до р₂ = 0,12 МПа. Пренебрегая изменением скорости пара в трубопроводе, определить состояние и параметры пара после дросселирования, а также изменение внутренней энергии и энтропии пара в этом процессе.

27. Перегретый пар с параметрами р₁ = 2 МПа и t₁ = 350 ^ОС дросселируется в регулирующем клапане паровой турбины до р₂ = 1,5 МПа, а затем адиабатно расширяется в ней до р₂ = 0,004 МПа. Определить потерю располагаемой работы вследствие дросселирования.

28. В клапанах турбины перегретый пар с параметрами р₁ = 6 МПа и t₁ = = 400 ^ОС дросселируется до р₂ = 5 МПа, а затем расширяется в турбине до р₂ = 0,004 МПа. Определить потерю теоретической мощности турбины вследствие дросселирования, если расход пара D = 10 кг/с.

29. Определить до какого давления нужно дросселировать влажный пар с параметрами р₁ = 1 МПа и х₁ = 0,95, чтобы он стал сухим насыщенным. Определить также изменение внутренней энергии и энтропии пара в этом процессе. Изменением скорости пара при дросселировании пренебречь.

30. Перегретый пар с параметрами р₁ = 5 МПа и t₁ = 350 ^ОС дросселируется до р₂ = 2 МПа. Определить состояние и параметры пара после дросселирования, а также изменение внутренней энергии и энтропии пара в этом процессе. Скоростью пара и изменением ее при дросселировании пренебречь.

31. Параметры влажного пара в магистральном паропроводе р₁ = 1,4 МПа и х₁ = 0,98. Часть пара перепускается через дроссельный вентиль в паропровод низкого давления, в котором р₂ = 0,12 МПа. Пренебрегая изменением скорости при дросселировании, определить состояние и параметры пара в паропроводе низкого давления, а также изменение внутренней энергии и энтропии пара при дросселировании.

32. Электрическая мощность турбогенератора паросиловой установки N_Э = 25000 кВт. Определить расход пара на турбину, если параметры пара перед ней р₁ = 3,5 МПа и t₁ = 400 ^ОС, давление в конденсаторе р₂ = 0,004 МПа, относительный эффективный КПД турбины h_ОЭ = 0,8 и КПД генератора h = 0,95, считать, что установка работает по циклу Ренкина, работой насоса пренебречь.

33. Паросиловая установка работает по регенеративному циклу с отборами при давлении 1 и 0,16 МПа, параметры пара перед турбиной р₁ = 9 МПа и t₁ = 500 ^ОС, а давление в конденсаторе р₂ = 0,004 МПа. Определить термический КПД регенеративного цикла и сравнить его с термическим КПД цикла Ренкина, осуществляемого при тех же начальных параметрах и том же конечном давлении пара.

34. Определить термический КПД и конечную влажность пара для идеального цикла паросиловой установки с промежуточным перегревом пара, если в турбину поступает пар с параметрами р₁ = 12 МПа и t₁ = 550 ^ОС, вторичный перегрев осуществляется при давлении р = 2,4 МПа до температуры t₁ = 550 ^ОС, давление в конденсаторе р₂ = 0,004 МПа. Определить также, какое изменение термического КПД и конечной влажности пара дает вторичный перегрев по сравнению с циклом Ренкина для тех же начальных параметров и конечного давления пара.

35. Давление пара перед турбиной р₁ = 3 МПа, а в конденсаторе р₂ = = 0,004 МПа. Относительный внутренний КПД турбины h_oi = 0,82. Определить какова должна быть температура перед турбиной, чтобы влажность пара при выходе из турбины была равна 12 %. Задачу решить графическим методом.

36. Сравнить термический КПД циклов Ренкина, осуществленных при одинаковых начальных и конечных давлениях р₁ = 2 МПа, и р₂ = 0,02 МПа, если в одном случае пар влажный со степенью сухости х₁ = 0,9, а в другом – пар сухой насыщенный, а в третьем перегретый – с температурой t₁ = 300 ^ОС.

37. Сравнить теоретические расходы пара для случаев комбинированной и раздельной выработки электроэнергии и теплоты. В обоих случаях параметры пара перед турбиной р₁ = 4 МПа и t₁ = 450 ^ОС, а давление в конденсаторе р₂ = 0,004 МПа, электрическая мощность установки N = 50 МВт, тепловая мощность установки Q = 36 МВт. В первом случае пар к тепловому потребителю направляется из отбора турбины при давлении 0,3 МПа, во втором случае из парогенератора через редукционный клапан. Температура возвращаемого конденсата в обоих случаях соответствует насыщению при давлении 0,3 МПа.

38. Параметры пара перед теплофикационной турбиной р₁ = 5 МПа и t₁ = = 400 ^ОС. При давлении р = 0,3 МПа часть пара отбирается на производство, откуда возвращается конденсат с температурой t = 60 ^ОC. Определить теоретическую мощность турбины, если расход пара на нее составляет 30 кг/с, а отпуск теплоты на производство – 35 МДж/с.

39. Параметры пара перед теплофикационной турбиной р₁ = 8 МПа и t₁ = 450 ^ОС. При давлении р = 0,6 МПа часть пара отбирается на производство, откуда возвращается конденсат с температурой t = 50 ^ОC. Остальной пар расширяется в турбине до давления р₁ = 0,12 МПа и направляется в теплофикационную сеть, откуда возвращается конденсат с температурой t = 30 ^ОC. Определить теоретическую мощность турбины, если расход теплоты на производство составляет 14 МВт, а на отопление – 37 МВт.

40. Определить термический КПД цикла паросиловой установки с регенеративным отбором при давлении 0,3 МПа, если в турбину поступает пар с параметрами р₁ = 6 МПа и t₁ = 450 ^ОС, давление в конденсаторе р₂ = 0,004 МПа. Определить также относительное количество пара, расходуемое на регенерацию и термический КПД цикла Ренкина при тех же начальных параметрах и конечном давлении пара.

41. Сравнить термический КПД цикла Ренкина, регенеративного цикла с отбором при давлении пара 2,6 МПа и регенеративного цикла с двумя отборами при давлении пара 2,6 и 0,12 МПа. Для всех трех случаев начальные параметры пара р₁ = 18 МПа и t₁ = 550 ^ОС, давление в конденсаторе р₂ = = 0,004 МПа.

Список рекомендуемой литературы

1. Баженов М.И. Сборник задач по курсу «Промышленные тепловые электростанции» : учеб. пособие для вузов / М.И. Баженов, А.С. Богородский. – М. : Энергоатомиздат, 1990. – 128 с.

2. Галдин В.Д. Основы теории и опыт создания теплохладоэнергетических агрегатов: монография / В.Д. Галдин, В.И. Гриценко ; ОмГТУ. –Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. – 176 с.

3. Галдин В.Д. Тепловые электрические станции : учеб. пособие / В.Д. Галдин. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. – 116 с. : ил.

4. Галдин В.Д. Тепловые электрические станции. Схемы, оборудование, компоновка [Электронный ресурс] : учеб. электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие / В.Д. Галдин. – Электрон. текст. дан. (26,9 Мб). – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013.

5. Рындин В.В. Теплотехника: учеб. пособие / В.В. Рындин, В.В. Шалай; ОмГТУ. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. – 460 с.

6. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара : справ. / С.Л. Ривкин, А.А. Александров. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 80 с.

7. Тепловые электрические станции / В.Д. Буров, Е.В. Дорохов, Д.П. Елизаров и др.; под ред. В.М. Лавыгина, А.С. Седлова, С.В. Цанева. – М. : Издательский дом МЭИ, 2007. – 466 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица П.1