Курсовая работа: Паровые турбины

Введение

Современные паровые и газовые турбины являются основным двигателем тепловых и атомных электростанций, значение которых для энергетики определяется все возрастающими потребностями страны в электроэнергии. Паровые турбины позволяют осуществлять совместную выработку электрической энергии и теплоты, что повышает степень полезного использования теплоты органического и ядерного топлива.

Турбинами (от латинского слова turbo - вихрь, вращение) называются лопастные машины, не имеющие поршня и кривошипношатунного механизма и преобразующие кинетическую и потенциальную энергию потока рабочего тела в механическую энергию вращения вала. В зависимости от типа рабочего тела турбины разделяют на паровые, газовые и гидравлические.

Паровая турбина является двигателем, в котором потенциальная энергия пара превращается в механическую работу вращающегося ротора по преодолению сил сопротивления приводимой машины (электрического генератора, питательного насоса, компрессора, вентилятора и д.р.).

Всякая турбина состоит из неподвижных и вращающихся частей. Совокупность всех неподвижных частей принято называть статором турбины, а вращающихся - ротором.

В зависимости от характера теплового процесса различают следующие типы паровых турбин.

Тип К - конденсационные паровые турбины, в которых весь пар, за исключением отборов на регенерацию, проходит через турбину и расширяется в ней до давления ниже атмосферного. Затем пар поступает в конденсатор, где теплота конденсации отдается охлаждающей воде и полезно не используется.

Тип П или Т - теплофикационные с одним производственным (П) или теплофикационным (Т) отбором пара. В таких турбинах часть пара отбирается из промежуточных ступеней и направляется к тепловому потребителю при автоматически поддерживаемом постоянном давлении. Остальной пар продолжает расширяться последующих степенях турбины, после чего направляется в конденсатор.

Тип ПТ - теплофикационные турбины с двумя регулируемыми отборами пара: производственным и отопительным. В этих турбинах часть пара отбирается при двух разных давлениях, а остальная его часть продолжает работать в последующих ступенях и поступает в конденсатор.

Тип Р - турбины с противодавлением без регулируемого отбора пара. В этих турбинах весь пар, за исключением отбора пара на регенерацию, расширяется до давления, необходимому тепловому потребителю. Причем это давление выше атмосферного. Конденсатор в ПТУ с турбинами типа Р отсутствует.

Тип ПР или ТР - теплофикационные турбины с противодавлением и одним производственным (ПР) или теплофикационным (ТР) регулируемым отбором пара. В этих турбинах часть пара отбирается из промежуточной ступени, а остальная ее часть расширяется в последующих ступенях до давления выше атмосферного. Конденсатор отсутствует.

В обозначении турбин входят буквы и цифры. Буквы указывают тип турбины, а цифры - ее мощность (если дробь, то в числители номинальная, а в знаменателе максимальная мощность), начальное давление пара, давление отбираемого пара или ее противодавление. Для конденсационных турбин указывается номинальная мощность, а для остальных номинальная и максимальная.

Под номинальной мощностью понимается наибольшая мощность, которую турбина должна развивать длительное время при номинальных значениях всех других основных параметров.

Максимальная мощность - наибольшая мощность, которую турбина должна длительно развивать при чистой проточной части и отсутствии отборов пара для внешних потребителей теплоты.

Экономичность, надежность и долговечность паровых турбин зависит от соблюдения правил их эксплуатации и культуры обслуживания. Даже не большие просчеты в эксплуатации может привести к неоправданным потерям топлива, сокращению ресурса и незапланированной остановки турбины, а иногда - и к авариям. Поэтому персонал турбинных цехов электростанции должен хорошо знать и соблюдать правила, оговоренные соответствующими инструкциями, понимать физические основы процессов происходящих турбине, так же учитывать влияние отклонений тех или иных ее режимных параметров на надежность и экономичность.

В современных условиях интенсификации общественного производства только знающий, инициативный и творчески мыслящий персонал тепловых электростанций может обеспечить безаварийную эксплуатацию энергетического оборудования.

Задание на курсовую работу

турбина пар тепловой рабочий

Построить график рабочего процесса расширения пара в турбине. Выполнить тепловой расчет регулирующей ступени. При выполнении расчета необходимо определить: параметры, расходы и направления потоков рабочего тела в элементах тепловой схемы; общий расход пара на турбину, термический КПД и работу турбины. Вариант N 9

Исходные данные

Тип турбины К-100-90ЛМЗ

Таблица 1

1. Построение рабочего процесса пара в турбине

1. По параметрам пара P_o, t_o определяется точка состояние пара перед стопорным клапаном А_о (рис 1) в is-диаграмме и энтальпия io.

2. Давление пара перед соплами регулирующей ступени с учетом потерь в стопорном, регулирующих клапанах и перепускных паропроводах.

МПа

Точка А_о (рис 1) определяет состояние пара перед соплами регулирующей ступени энтальпия . В is-диаграмме точку строим на пересечении изобары и t_o.

3. Давление за последней ступенью турбины с учетом потерь в выхлопном патрубке.

, Па

где Р_к - давление в конденсаторе, Па,

Па;

С_вп - средняя скорость потока в выхлопном патрубке, м/с: для конденсационных турбин С_вп=110 м/с;

- коэффициент, учитывающий аэродинамические качества выхлопного патрубка для конденсационных турбин =0,09

Па=0,079 бар

4. Из точки А_о проводится вертикальная линия изоэнтропного расширения пара в турбине до давления Р_к и находится точка В. Длина отрезка А_оВ является располагаемым теплоперепадом турбины Н_о (рис 1).

Н_о = 3490-2107=1383 кДж/кг

Из точки опуская вниз прямую до пересечения с изобарой Р_2z находим точку F. Длина отрезка F представляет собой тепловой перепад проточной части турбины (рис 1).

=3494 -2120=1374 кДж/кг

5. Расход пара на турбину по предварительно заданному КПД (без учета утечек через кольцевые уплотнители)

кг/с

где N_э - расчетная электрическая мощность турбины, кВт, N_э= кВт;

- располагаемый тепловой перепад проточной части турбины;

относительный электрический КПД турбоагрегата (ориентировочные значения приведены в таблице 1.1 [1] ), %

- относительный внутренний КПД турбины;

- механический КПД турбины;

- КПД электрического генератора.

кг/с

6. Определяем полезно-используемый теплоперепад турбины:

, кДж/кг

где Н_о - располагаемый теплоперепад турбины, представляющий собой расстояние между точками А_о и В (рис 1), кДж/кг

кДж/кг

7. Определяем энтальпию пара за выхлопным патрубком:

, кДж/кг

где i_o - энтальпия пара перед стопорным клапаном (рис 1), кДж/кг, i_o=3475 кДж/кг

кДж/кг

8. Определяем потерю тепла с выходной скоростью и энтальпию пара за последней ступенью турбины.

Потери тепла с выходной скоростью:

- у турбин средней и малой мощности при неглубоких вакуумах

=, кДж/кг

= кДж/кг

9. Энтальпия пара за последней ступенью турбины:

, кДж/кг

кДж/кг

На пересечении линий - const и i_z - const с изобарами P_2z и Р_к строим точки Д, Е, К (рис 1), используя Н_i и Н_вс.

Выбираем ТИП - регулирующей ступени и тепловой перепад на нее.

В конденсационных турбинах средней мощности применяют одновенечную регулирующую ступень (ступень давления Р) с перепадом = кДж/кг, следовательно, = 95 кДж/кг.

Нанесение линии состояния пара в рабочем процессе турбины в is-диаграмме осуществляется следующим образом.

От точки по изоэнтропе откладывается выбранный тепловой перепад на регулирующую ступень (рис 1). Изобара, проведенная через точку С конца отрезка , соответствует давлению пара за регулирующей ступенью.

Итак, давление пара за регулирующей ступенью равен: МПа

Для определения полезного использования теплового перепада в регулирующей ступени подсчитывают внутренний относительный КПД регулирующей ступени по формуле:

для одновенечной ступени:

где G - расход пара на турбину, G=87,21 кг/с;

- давление пара перед соплами регулирующей ступени, =8,74 МПа;

- удельный объём пара перед соплами регулирующей ступени, =0,041 м³/кг;

Полезно используемый тепловой перепад:

, кДж/кг

кДж/кг

Отложенный от точки А_о до точки , определяет в этой точке в is-диаграмме энтальпию пара за регулирующей ступенью с учетом потерь, т.е. =3495-83=3412 кДж/кг.

На пересечении проходящей через точку линии постоянной энтальпии пара с изобарой получаем точку М конца процесса в регулирующей ступени.

Последовательно соединяя точки А_о,, М, Д, Е, К получаем линию соответствующую процессу расширения пара в турбине.

2. Тепловой расчет регулирующей ступени

В качестве регулирующей степени в современных паровых турбинах с сопловым (количественным) парораспределением применяют двух или трехвенечные ступени скорости или одновенечную степень давления.

Двухвенечная ступень представляет собой 2 ряда рабочих лопаток, которые размещены на одном рабочем колесе. Сопла же размещены только перед первым рядом рабочих лопаток, а между первым и вторым рядом рабочих лопаток размещаются направляющие лопатки, служащие только для изменения направления движения потока.

Применение одновенечной или двухвенечной регулирующей ступени обуславливаются экономическими и конструктивными соображениями.

Одновенечная ступень при расчетном режиме имеет более высокий КПД чем двухвенечная, однако при переменных нагрузках КПД ее изменяет более резко. Двухвенечная регулирующая ступень скорости на расчетном режиме имеет более низкий КПД, чем одновенечная, однако при переменных нагрузках КПД ее более устойчив. Двухвенечная ступень перерабатывает значительно большие теплоперепады, чем одновенечная, что приводит к сокращению числа нерегулируемых ступеней, уменьшение длины и упрощение конструкции турбины в целом, позволяет уменьшить утечки пара через переднее концевое уплотнение.

С другой стороны, большой тепловой перепад, приходящийся на 2 - венечную ступень, приводит к снижению КПД всей турбины, так КПД регулирующей ступени ниже, чем регулируемых ступеней давления. Выбор типа регулирующей ступени во многом зависит от объемного расхода пара на турбину.

Применение турбин только с многовенечными ступенями скорости оправданно при необходимости использования больших перепадов тепла при минимальном числе ступеней (это приводы вспомогательных механизмов, резервных, когда вопросы минимальной стоимости, компактности и простоты конструкции являются более важными, чем повышение КПД - это, например, механизмы периодического действия).

Регулирующая ступень, как правило, выполняется по активному принципу, позволяет осуществлять в них парциальный подвод пара, что позволяет, в свою очередь осуществлять сопловое парораспределение, дающее во всех условиях лучшие эксплуатационные показатели, чем другие типы парораспределения.

2.1 Определение среднего диаметра регулирующей ступени

Диаметр регулирующей ступени определяется величиной теплового перепада и отношением . Отношение окружной скорости U к фиктивной (установленной) изоэнтропной скорости, вычисляемой по располагаемому теплоперепаду на всю ступень, можно определить по графику, рис. 2.1 [1].

=0,43

Фиктивная изоэнтропная скорость пара подсчитывается по располагаемому теплоперепаду ступени:

, м/с

м/с

Окружная скорость вращения диска по среднему диаметру ступени:

, м/с

м/с

Средний диаметр ступени:

, м

где n - число оборотов ротора турбины, n=3000 об/мин;

м

2.2 Расчет сопловой решетки

2.2.1 Определение типа сопловой решетки

1. Располагаемый тепловой перепад сопловой решетки:

, кДж/кг

где - располагаемый тепловой перепад регулирующей ступени, кДж/кг;

степень реакции ступени, для одновенечной ступени: % = 0,1

кДж/кг

2. Теоретическая скорость пара на выходе из сопловой решетки при изоэнтропном расширении:

, м/с

м/с

3. Число Маха для теоретического процесса в соплах:

где а_1t - скорость звука на выходе из сопловой решетки при изоэнтропном истечении

, м/с

где К - показатель изоэнтропы, К=1,3 для перегретого пара;

давление пара за соплами (рис 1), Па;

теоретический удельный объём пара за соплами (рис 1), м³/кг.

м/с

Число Маха, подсчитанное по формуле, может быть проверено по графику рис. 2.4 [1], где оно дано в функции относительного конечного давления за соплами: