СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1. Тематика лекций 3
2. Практические занятия 5
Приложение 12
Библиографический список 16
ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Методические указания к практическим занятиям для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 140.211
Составитель А.С.Енин
Редактор
Технический редактор
Тверь. Типография ТГТУ
© Тверской государственный
технический университет, 2011
ВВЕДЕНИЕ
Изучение настоящего курса имеет целью получение и закрепление студентами знаний о процессах производства и потребления электрической и тепловой энергии, взаимной связи и объективных закономерностях этих процессов, о различных типах электростанций, их характеристиках, условиях совместной работы и комплексного использования.
На основании этого формируется обобщённое представление о единстве энергетической системы как части промышленности и экономики в целом.
Изучение курса базируется на знаниях по дисциплинам «Теоретические основы электротехники», «Электромеханика», «Физика». Приобретённые знания используются студентами при изучении специальных дисциплин блока «Электроэнергетика»: темы 1, 2, 3 в дисциплине «Производство электрической энергии», темы 4, 5 в дисциплинах «Передача и распределение электрической энергии», «Электроснабжение».
|
|
Настоящие методические указания содержат четыре основных раздела. В первом приводится тематика лекций, соответствующая утверждённой программе курса, что позволяет студентам всех форм обучения лучше организовать самостоятельную работу и успешно освоить теоретический материал. Второй раздел содержит методические указания по практическим занятиям. Студенты дневного отделения решают типовые задачи во время аудиторных занятий, а студенты-заочники используют рассмотренные примеры для выполнения контрольных заданий. Необходимые пояснения даны по тексту. В третьем разделе приведены методические указания к выполнению лабораторных работ. Помимо содержания самих работ особое внимание уделяется правилам техники безопасности, которые необходимо соблюдать на внеаудиторных занятиях. Четвёртый раздел - приложения. В нём содержится справочный материал, достаточный для самостоятельного выполнения контрольных заданий.
1. ТЕМАТИКА ЛЕКЦИЙ
Часть I. «Производство электрической и тепловой энергии»
Введение. Общие сведения о месте и роли энергетики в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и т.д. Краткая историческая справка о развитии энергетики. Понятие о единой энергетической системе. Типы электрических станций.
Тема 1. Тепловые электрические станции (ТЭС).
|
|
Типы ТЭС и их схемы. Теоретические основы преобразования энергии в тепловых двигателях. Паровые котлы: назначение, принцип действия, типы, технические характеристики. Энергобаланс и тепловые схемы ТЭС. Перспективы развития ТЭС.
Литература по теме: [1 - 3.2,3.3; 2 - 4.1...4.12, 6....6.5; 5-§66...75; 6;9].
Тема 2. Атомные электрические станции (АЭС).
Типы и схемы АЭС. Ядерные энергоустановки. Типы ядерных реакторов. Энергобаланс АЭС. Перспективы развития атомной энергетики.
Литература по теме: [1-3.9; 2-5.1...5.4,6.6; 5-§76 ].
Тема 3. Гидравлические электростанции (ГЭС).
Гидроэнергоресурсы и схемы их использования. Гидро- энергетические установки. Процесс преобразования гидравлической энергии в электрическую на различных типах гидроэнергоустановок. Современные проблемы комплексного использования гидроресурсов. Регулирование речного стока. Гидроэнергетика малых ГЭС. Проектирование и эксплуатация гидроэнергоустановок. Перспективы развития гидроэнергетики.
Литература по теме: [1-3.6; 2-9.1...9.7, 10.1.-.10.7; 7].
Тема 4. Возобновляемые источники энергии.
Общие перспективы развития энергетики. Энергетика и экология. Солнечные, ветровые, геотермальные, волновые, приливные энергоустановки. Использование вторичных энергоресурсов. Источники энергопотенциала, типы установок, социально-экологические и экономические аспекты. Накопители энергии. Экономия энергии, энергосберегающие технологии.
Литература по теме: [1-3.7,3.8,4.1...4.9], а также периодические издания.
Часть II.«Передача и потребление электрической и тепловой энергии»
Тема 5. Передача электрической энергии.
Воздушные и кабельные линии электропередачи (ЛЭП). Шкала номинальных напряжений. Силовые трансформаторы. Перспективные системы передачи и использования электрической энергии.
Литература по теме: [1-5.1...5.9; 3;4;8]
Тема б. Передача тепловой энергии.
Технические основы передачи тепловой энергии. Виды теплоносителей. Теплотрассы, трубопроводы, схемы передачи. Потребители тепловой энергии и их основные характеристики. Перспективы системы передачи и использования тепловой энергии.
Литература по теме: [1-5.1...5.9;2-11.1…11.4;4; 9; 11; 12].
2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
В данном разделе приведены методические указания по решению задач, примеры решения, варианты контрольных заданий.
2.1. Расчёт параметров режима котельного агрегата ТЭЦ.
Решается задача определения коэффициента полезного действия (КПД) парового котла и расхода топлива.
(2.1)
(2.2)
где - КПД парового котла, %; -потеря теплоты соответственно с уходящими газами, химическим недожогом, механическим недожогом, на наружное охлаждение, со шлаком, %; -полный расход топлива кг/с; -теплота, воспринятая рабочей средой в паровом котле, кДж/с; -располагаемая теплота поступающего в топку топлива, кДж/кг. Если тепло уходящих газов не используется, то
,%, (2.3)
а при разомкнутой системе сушки топлива уходящими газами
,%, (2.4)
где , , - энтальпия соответственно уходящих газов, газов в месте отборов на сушку, холодного воздуха, кДж/кг; - доля отборов газов на сушку; - избыток воздуха в уходящих газах.
Энтальпия газа при температуре Т численно равна количеству теплоты, которое подведено к газу в процессе нагревания его от нуля градусов Кельвина до температуры Т при постоянном давлении.
При разомкнутой системе сушки все данные о топливе относят к подсушенному топливу (сушонке). В этом случае расход сырого топлива при изменении влажности от до составляет
,кг/с, (2.5)
где - расход подсушенного топлива по (2.2), кг/с; , - влажность подсушенного и не подсушенного топлива, %.
При изменении влажности меняется и низшая теплота сгорания топлива - от до :
,кДж/кг. (2.6)
Низшая теплота сгорания соответствует количеству теплоты, выделяемой топливом при полном его сгорании без учёта теплоты, затрачиваемой на образование водяных паров, которые находятся в продуктах сгорания.
|
|
Полная располагаемая теплота поступающего в топку топлива
,кДж/кг, (2.7)
где - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; - дополнительная теплота, вносимая в котёл подогретым снаружи воздухом, паровым дутьём и т д., кДж/кг. Для ориентировочных расчётов принимают =0,01…0,02 .
Теплота, воспринимаемая рабочей средой в паровом котле
,кДж/с, (2.8)
где - паропроизводительность котла, кг/с; , - энтальпия перегретого пара и питающей воды, кДж/кг; - теплота, дополнительно воспринимаемая при наличии промежуточного пароперегревателя, продувки водой и т.д., кДж/с. Для ориентировочных расчётов .
, (2.9)
где - доля уноса золы с продуктами сгорания; - энтальпия шлака, кДж/кг, - рабочая зольность топлива, %.
Значения , , , , -приведены в приложении 1.
При твёрдом шлакоудалении можно принять =1,2...1,25; =0,95; =560 кДж/кг.
Кроме того, при температуре воздуха перед котлом 30 °С =233 кДж/кг, а при температуре уходящих газов 120 °С =1256 кДж/кг.
Пример расчёта. Определить КПД и расход топлива для парового котла при следующих условиях: =186 кгс; топливо - сушонка Березовского угля с =13%; разомкнутая система сушки, =0,34; отбираемый на сушку газ имеет =4000 Дж/кг; энтальпия перегретого пара и питательной воды соответственно =3499 кДж/кг, =1086,5 кДж/кг.
Решение:
Предварительно по (2.6) определяется низшая теплота сгорания подсушенного топлива
кДж/кг.
Здесь =33%, =16200кДж/кг- по табл.П.1.1.
Принимая по (2.7) кДж/кг, находим.по (2.4) %.
По табл.П.1.1 и табл.П.1.2 принимаем %, %, %.
С учетом табл. П. 1.1 находим по (2.9) %.
Тогда %.
Для расчёта расхода топлива предварительно по (2.8) находим
кДж/с.
Расход подсушенного топлива по (2.2)
кг/с.
Расход сырого топлива при =33 % по (2.5) составляет
кг/с.
Контрольное задание. Определить кпд котла и расход сырого и подсушенного топлива, Паропроизводительность котла принять по табл. 2.1 в соответствии с последней цифрой номера зачётной книжки. Вид топлива принять по табл. П. 1.1 в соответствии с предпоследней цифрой номера зачётной книжки .
|
|
Паропроизводительность котла Таблица 2.1
2.2 Расчёт параметров режима гидравлической турбины
Решается задача нахождения мощности гидротурбины и коэффициента быстроходности.
, (2.10)
, (2.11)
где N - мощность турбины, кВт; - расход воды через турбину, м3/с; - напор, м; - КПД турбины, о.е.; - число оборотов вала турбины, 1/мин; - коэффициент быстроходности.
Мощность, развиваемая турбиной, зависит от расхода воды , напора , определяемого разностью уровней верхнего и нижнего бьефа, и КПД, зависящего от типа и режима работы турбины (см. рис. П.2.1).
Пример расчёта. Определить, как изменяется мощность пропеллерной гидротурбины, работающей с , если при неизменном напоре расход воды уменьшается на 30 %. Решение:
Изменение мощности, обусловленное уменьшением расхода воды, находится по (2.10)
Изменение кпд определяется по рис.П.2.1 при ; ; . Таким образом,
Здесь индекс 1 соответствует исходному, а индекс 2 новому режиму работы гидротурбины.
Пример расчёта. Определить коэффициент быстроходности турбины при , ,
Решение:
В соответствии с (2.11)
=1,17 750 /82 =450 1/ мин
Контрольное задание. Определить, как изменится мощность гидротурбины при исходных данных, указанных в табл. 2.2,
Исходные данные Таблица 2.2
Параметр | Вариант | |||||||||
ΔQ, % | +10 | +15 | +20 | +15 | +10 | -10 | -15 | -20 | -25 | -30 |
ΔH, % | -10 | -20 | -10 | -15 | +10 | -10 | +10 | -15 | +20 | -20 |
Турбина | РО | ПЛ | П | К | РО | ПЛ | П | РО | К | ПЛ |
Номер варианта соответствует последней цифре номера зачётной книжки.
Тип турбины: РО - радиально-осевая; ПЛ - поворотно-лопастная; К - ковшовая; П - пропеллерная.
2.3. Расчёт параметров режима линии электропередачи
Решается задача определения потерь активной мощности в ЛЭП, упрощённая схема которой приведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема электрической сети
Для трёхфазной ЛЭП
(2.12) (2.13)
где - потери активной мощности, ; - сила тока, ; - активное сопротивление в омах проводов ЛЭП длиной ; - удельное сопротивление провода ЛЭП, ; - полная мощность нагрузки, ; - напряжение ЛЭП, .
Для ЛЭП напряжением выше 1 сечение провода предварительно определяется но формуле
(2.14)
где - экономическая плотность тока, справочная величина, .
Полученное значение округляется до ближайшего стандартного (см.табл.П.3.1.).При этом для ЛЭП напряжением 110 сечение проводника должно быть не менее 70 , а для ЛЭП 220 - не менее 240 .
Пример расчёта. Определить предельное расстояние передачи электроэнергии от источника потребителю, если максимально допустимая потеря активной мощности в ЛЭП численно равна 10 % от .
Исходные данные: =10,5 ; =2,6 ; =1,4 .
Решение:
Для схемы рис. 2.1 по (2.13; 2.14)
По табл. П.3.1 принимаем , .
Используя (2.12)
откуда
Контрольное задание. Для линии рис.2.1 сравнить потери активной мощности при различных напряжениях .Исходные данные приведены в табл. 2.3.
Номер варианта соответствует последней цифре номера зачётной книжки.
Исходные данные Таблица 2.3
Параметр | Вариант | |||||||||
10,5 | 10,5 | 10,5 | 37,5 | 37,5 | 37,5 | |||||
37,5 | 37,5 | 37,5 | ||||||||
7,5 | 12,5 | |||||||||
1,4 | 1,3 | 1,3 | 1,4 | 1,4 | 1,4 | 1,3 | 1,3 | 1,3 | 1,2 |
2.4. Расчёт элементов теплофикационной системы
Решается задача определения числа секций приборов водяной системы отопления жилого или производственного помещения.
(2.15)
(2.16)
, (2.17)
(2.18)
(2.19)
где - число секций чугунных по (2.15) или стальных по (2.16) радиаторов или конверторов с кожухом; - площадь поверхности отопительного прибора, отапливаемого помещения и поверхности нагрева одной секции соответственно, м2; - удельная плотность отапливаемого теплового потока по табл. П.4.1, Вт/м2; - расчётная и номинальная по табл. П.4.3 плотность теплового потока прибора, Вт/м2; – расход теплоносителя через прибор по табл. П.4.4, кг/с; - температурный напор, равный разности полусуммы температур теплоносителя на входе и выходе отопительного прибора и температуры воздуха помещения, °С; - теплопотребность помещения и теплоотдача стояков и подводок, к которым подключён отопительный прибор, Вт; - вспомогательные коэффициенты, принимаемые по табл. П.4.2, П.4.3, П.4.4, П.4.5 и рис.П.4.1.
Пример расчёта. Определить число двухрядных стальных радиаторов типа 2РСВ1-4, необходимых для отопления жилого помещения при следующих условиях: =96 м2; помещение угловое на третьем этаже девятиэтажного дома 1990 года постройки; расчётная температура наружного воздуха -25 °С.
Решение:
Для стальных радиаторов число секций определяется по (2.16). Предварительно по (2.17... 2.19) с использованием данных Приложения 4 находим
=1,5*96*81=11664 Вт, а также
=712*(35/70)1+0,25*(0,2/0,1)0,04*0,97=256,5 Вт.
Здесь принято =35 °С, что соответствует среднему значению для водяных систем отопления.
=(11664-0)* 1,07* 1,1/256,5=53,5 м2,
где β1=1,07 и β2=1,1 –принимаются по Приложению 4, =0, т.к. предполагается
=53,5/2,88=18,6.
Таким образом, принимается 19 секций типа 2РСВ1-4, которые устанавливаются у оконных проёмов.
Контрольное задание. Для помещения, в котором вы проживаете или работаете, определить число радиаторов, необходимых для отопления. Тип отопительного прибора принять по таблице П.4.3 в соответствии с последней цифрой номера зачётной книжки.
Примечание. В таблице П.4.1 в числителе указаны значения без учёта проведения энергосберегающих мероприятий, а в знаменателе - с учётом таких мероприятий (например, утепление дверных проемов, заклейка окон в зимний период и др.).
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Справочные данные к расчёту параметров режима котельного агрегата ТЭЦ
Расчётные характеристики топлива Таблица П. 1.1
№ вар. | Местонахождение | , % | , % | , | , % | , % |
Нерюнгринское | 19,8 | 22,5 | 0,5 | 0,6 | ||
Назаровское | 7,3 | 0,3 | ||||
Берёзовское | 4,7 | 16,2 | 0,2 | |||
Ангренское | 34,5 | 14,4 | 13,4 | 0,4 | ||
Челябинское | 32,4 | 13,4 | 0,6 | 0,7 | ||
Воркутинское | 5,5 | 28,4 | 0,5 | 0,7 | ||
Подмосковное | 28,6 | 9,3 | 0,8 | 0,1 | ||
Экибастузское | 6,5 | 36,9 | 17,4 | 0,4 | ||
Кузнецкое-Г | 23,8 | 0,6 | 0,8 | |||
Кузнецкое-СС | 18,2 | 23,6 | 0,6 | 0,8 |
Потери на наружное охлаждение Таблица П. 1.2
Паропроизводительность котла, , кг/с | ||||||
Потери теплоты, ,% | 0,8 | 0,65 | 0,45 | 0,35 | 0,28 | 0,2 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Справочные данные к расчёту параметров режима гидравлической турбины
Рис. П.2.1. Коэффициент полезного действия гидротурбины
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Справочные данные к расчёту параметров режима линии электропередачи
Данные сталеалюминевых проводов Таблица П. 3.1
F, мм2 | |||||||||||
, Ом/км | 3,1 | 2,1 | 1,4 | 0,9 | 0,65 | 0,45 | 0,33 | 0,27 | 0,21 | 0,18 | 0,13 |
,А |
Примечание. - длительно допустимый ток для данного сечения провода.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Справочные данные к расчёту элементов теплофикационной системы
Укрупнённые показатели максимального теплового потока на отопление жилых зданий, , Вт/м2 Таблица П. 4.1
Этаж-ность | Период постройки | Расчётная температура наружного воздуха, | ||||||
-5 | -10 | -15 | -20 | -25 | -30 | -35 | ||
1-2 | 1960- 1985г. | 148 | 154 | 160 | 205 | 213 | 230 | 234 |
3-4 | То же | 95 | 102 | 109 | 117 | 126 | 134 | 150 |
5 и более | То же | 65 | 70 | 77 | 79 | 86 | 88 | 102 |
1-2 | После 1985г. | |||||||
3-4 | То же | |||||||
5 и более | То же |
Поправочный коэффициент к значениям Таблица П. 4.2
Расположение помнщений | Одноэтажное здание | Многоэтажное здание | ||
Нижний этаж | Средний этаж | Верхний этаж | ||
Среднее | 0,9 | 1,1 | 0,8 | 1,3 |
Угловое | 1,5 | 1,9 | 1,5 | 2,2 |
Рисунок П.4.1. Способы установки отопительных приборов
Основные технические данные некоторых отопительных приборов Таблица П. 4.3
№ вар. | Отопительный прибор | , м2 | , Вт/м2 | , кг/с | |||
Радиатор чугунный МС-140-98 | 0,18 | 0,15 | 0,3 | ||||
Радиатор чугунный МС-90 | 0,2 | 0,2 | 0,3 | 0,01 | 0,996 | ||
Радиатор стальной однорядный РСВ 1 -1 | 0,71 | 0,01 | 0,25 | 0,12 | 1,113 | ||
Радиатор стальной однорядный РСВ 1 - 5 | 1,68 | 0,2 | 0,25 | 0,04 | 0,97 | ||
Радиатор стальной однорядный РСГ 2-1-2 | 0,54 | 0,08 | 0,3 | 0,025 | |||
Радиатор стальной однорядный РСГ 2 -1 - 9 | 2,17 | 0,2 | 0,25 | ||||
Радиатор стальной двухрядный 2 РСВ 1 - 1 | 1,42 | 0,03 | 0,15 | 0,08 | 1,092 | ||
Радиатор стальной двухрядный 2 РСВ 1 - 5 | 3,36 | 0,2 | 0,15 | ||||
Конвертор «Универсал» с кожухом КН20-0,4 | 0,95 | 0,02 | 0,3 | 0,18 | |||
Конвертор «Универсал» с кожухом КН20 -1,966 | 5,5 | 0,2 | 0,3 | 0,07 |
Вспомогательный коэффициент Таблица П.4.4
Отопительный прибор | Установка прибора | |
У наружной стены | У окна | |
Радиатор чугунный | 1,02 | 1,07 |
радиатор стальной | 1,04 | 1,1 |
Конвертор с кожухом | 1,02 | 1,05 |
Вспомогательные коэффициенты Таблица П.4.5
Число секций в одном радиаторе | ||
До 15 | 1,02...1,113 | |
16...20 | 0,98 | |
21...25 | 0,96 | |
Более 25 | 0,92+0,16/F |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Веников В.А., Путятин Е.В, Введение в специальность. -М., 1986.
2. Волков Э.П. Энергетические установки электростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1983.
3. Григорьева В.И., Киреева Э.А., Миронов В.А., Чохонелидзе А.Н.
Электроснабжение и электрооборудование цехов. – М.: Энергоатом,
2003.
3. Идельчик В.И. Электрические системы и сети. - М.: Энергоатомиздат, 1999.
4. Тихомиров К.В., Сергеенко Э.С. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция.-М.:Стройиздат,1991.
6. Безгрешнов А.Н. Расчёт паровых котлов в примерах и задачах -М.: Энергоатомиздат, 1991.
7. Некрасов Б.Б. Задачник по гидравлике, гидромашинам и гидроприводу.- М.: Высшая школа, 1993.
8. Правила устройства электроустановок. 7-е издание с дополнениями -
М: 2008.
9. Трояновский Б.М. Паровые и газовые турбины. - М.: Энергоатомиздат, 1993.
10. Дедягин Г.Н.Теплогенерирующие установки. -М.: Стройиздат, 1995.