chapter (2)

88 downloads 0 Views 1MB Size Report
Oct 5, 2014 - Cycle for Steam, Disadvantages of Carnot Cycle application, Rankine Cycle and its components: Steam Generator, Turbine, Condenser, Feed Pump, Cycle net work, .... It then enters a condenser where it is condensed to saturated liquid water. ... Neglecting the feed pump term, find the ideal Rankine cycle ...
‫الجامعة المستنصرية – كلية الھندسة‬ ‫قســــم الھندســــــــة الميكـــــانيكيـــة‬ ‫محطــــــــــــات طاقــــــــــــــــــــــة‬

‫ )‪CHAPTER (2‬‬ ‫ ‪Steam Power Plant Cycles‬‬ ‫‪ ‬‬

‫‪ ‬أ‪.‬م‪.‬د‪ .‬مشعل عبد االمير‬ ‫‪05‐Oct‐14 ‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪ ‬‬ ‫‪ ‬‬

Chapter 2 Steam Power Plant Cycles Simple vapor cycle and its components: Boiler, Turbine, Condenser, Pump, Carnot Cycle for Steam, Disadvantages of Carnot Cycle application, Rankine Cycle and its components: Steam Generator, Turbine, Condenser, Feed Pump, Cycle net work, Work Ratio, Steam Rate, Heat Rate, Efficiencies in Steam Power Plant: Thermal efficiency, Mechanical efficiency, Isentropic efficiency, Example (1), Mean Temperature of Heat Addition, Effect of Superheat, Effect of inlet pressure, Reheat, Example (2), Regeneration, The Stirling Cycle, The ideal regenerative cycle, Type of regenerative feed water heaters, Open type regenerative feed water heaters, Example (3), Closed type regenerative feed water heaters with drain cascaded backward, Closed type regenerative feed water heaters with drain pumped forward, Example (4), Cogeneration: Back pressure Turbine, Pass-Out Turbine, Example (5), Tutorial Sheet 2.

Power Plant Engineering 

‫الجامعة المستنصرية – كلية الھندسة‬

TUTORIAL SHEET ‐ 2 

Steam Power Plant Cycles                                                                      ‫قسم الميكانيك – محطات طــــــــاقة‬  1‐

Draw a simple sketch then show its processes on the (T‐s) and (h‐s) diagrams for each  ideal cycle listed in the table below.  Cycle 

Type 

A B

Rankine  Rankine 

C

Reheat 

D

Regenerative 

Steam Condition Turbine inlet 

Reheat Outlet

Condenser

4 bar, Dry  60 bar,  410 Co  100 bar,  410 Co  60 bar,  410 Co 

‐ ‐

Direct  Contact  FWH 

0.035 bar 0.07 bar

Drain  Cascaded  Backward  ‐ ‐

Drain  Pumped  Forward  ‐  ‐ 

60 bar, 410 Co

0.07 bar



‐ 





0.07 bar



‐ 

20 bar

‐ ‐

10 bar

E

Regenerative 

60 bar,  410 Co 



0.07 bar

20 bar

‐ 

10 bar

F

Regenerative 

60 bar,  410 Co 



0.07 bar



20 bar 

10 bar

G

Regenerative 

60 bar,  410 Co 



0.07 bar

20 bar

10 bar 



H

Regenerative 

60 bar,  410 Co 



0.07 bar



‐ 

I

Regenerative 

60 bar,  410 Co 



0.07 bar

20 bar

‐ 

20 bar 10 bar 2 bar 2 bar

60 bar,  410 Co 



20 bar 

2 bar



0.07 bar

20 bar

10 bar 

2 bar

25 bar, 410 Co

0.07 bar



‐ 

‐ 

12 bar 2 bar 0.5 bar 0.5 bar

J

Regenerative 

10 bar 0.07 bar



10 bar 

K

Regenerative 

L

Reheat‐ Regenerative 

60 bar,  410 Co  100 bar,  410 Co 

M

Reheat‐ Regenerative 

100 bar,  410 Co 

25 bar, 410 Co

0.07 bar

N

Reheat‐ Regenerative 

100 bar,  410 Co 

25 bar, 410 Co

0.07 bar

12 bar 2 bar ‐

O

Reheat‐ Regenerative 

100 bar,  410 Co 

25 bar, 410 Co

0.07 bar

12 bar

      40   

Closed FWH 

12 bar  2 bar  2 bar 

0.5 bar 0.5 bar

Power Plant Engineering 

TUTORIAL SHEET ‐ 2 

‫الجامعة المستنصرية – كلية الھندسة‬

Steam Power Plant Cycles                                                                      ‫قسم الميكانيك – محطات طــــــــاقة‬  2‐

Draw all the details of the (T‐s) diagram of the ideal steam power plant layout shown in  the figure below. 

3‐

For the following steam cycles that are listed in the table below, find (a)   in (kj/kg) (b)   in (kj/kg) (c)   in (kj/kg) (d)   (e) S.S.C in (kg/kW.hr) and (f) moisture fraction at the  end  of the turbine process. Show the results in tabular form with your comments.  Cycle 

Type 

A B

Ideal Rankine, Neglect WP  75%   Assume  Ideal Rankine  Ideal Rankine  Ideal Rankine  Reheat to 600 Co at maximum I.P to limit end moisture to 15%  Reheat to 600 Co at maximum I.P to limit end moisture to 15%  but with  75%   Single open feed water heater at 110 Co  Two open feed water heaters at 90 Co and 135 Co  Two closed feed water heaters with drain cascaded backward at  90 Co and 135 Co 

C D E F G H I J

Boiler Outlet 

  41   

Condenser  Pressure  10 bar, Saturated  1 bar  10 bar, Saturated  1 bar  10 bar, Saturated  10 bar, 300 Co  160 bar, 600 Co  160 bar, 600 Co  160 bar, 600 Co 

0.1 bar  0.1 bar  0.1 bar  0.1 bar  0.1 bar 

10 bar, Saturated  10 bar, Saturated  10 bar, Saturated 

0.1 bar  0.1 bar  0.1 bar 

Power Plant Engineering 

TUTORIAL SHEET ‐ 2 

‫الجامعة المستنصرية – كلية الھندسة‬

Steam Power Plant Cycles                                                                      ‫قسم الميكانيك – محطات طــــــــاقة‬  4‐

5‐

6‐

7‐

8‐

In an ideal steam cycle, steam at (20 bar, 360 Co) is expanded in a turbine to (0.08 bar).  It  then  enters  a  condenser  where  it  is  condensed  to  saturated  liquid  water.  Then  the  pump  feeds  back  the  water  into  the  boiler.  Find  per  kg  of  steam  (a)    (b)    (c)  if 80%  , find the percentage reduction in   and . Ans. (a) 969.61 (kj/kg)  (b) 32.5% (c) 20.1 % (d) 20.1 %  Neglect the feed pump term, compare the Rankine cycle efficiency of a high pressure  steam plant operating at (80 bar) with that of a low pressure plant at (40 bar). In both  cases, the maximum temperature is (400 Co) and the condenser pressure is (0.07 bar).  Explain your result briefly. Also find the ratio of the heat rejected from the condensing  plants. Assume that the turbines are to produce the same power. Ans. 0.391, 0.357, 0.83  (H.P/L.P)  An  ideal  reheat  cycle  works  between  pressures  of  (120  and  0.035  bar).  The  steam  is  superheated to (570 Co) and after expansion to the dry saturated state is reheated to  (500 Co). Calculate the thermal efficiency of the cycle taking account of the feed pump  work. Ans. 0.453  A steam turbine is supplied with steam at (40 bar, 450 Co) and exhausted at (0.035 bar).  Neglecting the feed pump term, find the ideal Rankine cycle efficiency of the plant, and  compare it with the ideal efficiency which would be obtained if regenerative feed water  heating were employed. Assume the use of open heaters and (a) One bleeding point (3  bar), (b) Three bleeding points at (15, 3, and 0.5 bar). Ans. 0.391, (a) 0.173 kg, 0.415, (b)  0.114, 0.083, 0.08 kg, 0.429  Saturated steam at (30 bar) enters a high pressure turbine and expands isentropically to  a  pressure  at  which  its  dryness  fraction  is  (0.841%).  At  this  pressure,  the  moisture  is  extracted and returned to the boiler via feed pump. The remainder, assumed to be dry  steam,  is  expanded  isentropically  to  (0.04  bar)  in  a  low  pressure  turbine,  and  the  condensate  is  returned  to  the  boiler  via  a  second  feed  pump.  Calculate  the  cycle  efficiency when the isentropic efficiency of each turbine and feed pump is (0.8). What is  then the dryness fraction at the exit of each turbine? Ans. 0.357, 0.291, 0.88, and 0.871. 

      42   

Power Plant Engineering 

TUTORIAL SHEET ‐ 2 

‫الجامعة المستنصرية – كلية الھندسة‬

Steam Power Plant Cycles                                                                      ‫قسم الميكانيك – محطات طــــــــاقة‬  A steam turbine gets its supply of steam at (70 bar), (450 Co). After expanding to (25 bar)  in  high  pressure  stages,  it  is  reheated  to  (420  Co)  at  the  constant  pressure.  Next,  it  is  expanded  in  intermediate  pressure  stages  to  the  extraction  point  for  a  direct‐contact  feed water heater to an appropriate minimum pressure such that part of the steam bled  at this pressure heats the feed water to a temperature of (180 Co). The remaining steam  expands from this  pressure to  a condenser pressure of (0.07  bar) in the low pressure  stage. The isentropic efficiency of the high pressure stage is (78.5%), while that of the  intermediate and low pressure stages is (83%) each. Draw a simple sketch of the cycle  and show its processes on the (T‐s) and (h‐s) diagrams, then determine the following. (a)   The minimum pressure at which bleeding is necessary. (b) The quantity of the steam bled  per kg of flow at the turbine inlet. (c) The thermal efficiency of the cycle. (Neglect pumps  work). Ans. (a) 10 bar, (b) 0.206 kg/kg steam flow at the turbine inlet, (c) 35.92%.  10‐ In  an  ideal  reheat  cycle,  steam  initially  at  (150  bar,  550  Co)  expands  in  a  turbine  to  a  condenser  pressure  of  (0.1  bar),  and  the  moisture  in  the  condenser  inlet  is  (5%).  Determine (a) The reheat pressure, (b) The cycle efficiency, and (c) The steam rate. Ans.  (a) 13.5 bar, (b) 43.65%, (c) 205 kg/kW.hr.  11‐ The net power output of an ideal reheat‐regenerative cycle is (80 MW). Steam enters the  HP turbine at (80 bar) and (500 Co), and expands till it becomes saturated vapor. Some  of the steam then goes to an open feed water heater and the balance is reheated to (400  Co),  after  which  it  expands  in  the  LP  turbine  to  (0.07  bar).  Determine  (a)  The  reheat  pressure, (b) The steam mass flow rate to the HP turbine, and (c) The thermal efficiency.  Ans. (a) 6.5 bar, (b) 58.4 kg/s, and (c) 43.7%.  12‐ The net power output of an ideal reheat‐regenerative cycle is (100 MW). Steam enters  the HP turbine at (90 bar) and (550 Co). After expansion to (7 bar), some of the steam  goes to an open feed water heater and the balance is reheated to (400 Co), after which  it expands in the LP turbine to (0.07 bar). Determine (a) The steam mass flow rate to the  HP turbine in (ton/hr), (b) The total pump work, and (c) The thermal efficiency. Ans. (a)  256. 186 (ton/hr), (b) 9.767 (kj/kg), and (c) 44.36%. 

9‐

43