power plant lecture notes - chapter-2 steam power plant cycles

53
المستنصريةلجامعة ا الھندسة كلية قس ــــ م الھندســــــــة الميك ـــــ انيك يـــة محط ــــــــــــ طاق ات ــــــــــــــــــــــ ةCHAPTER (2) Steam Power Plant Cycles  .م. أ مشعل. دمير ا عبد 05Oct14    

Upload: almustansiriya

Post on 09-Apr-2023

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

كلية الھندسة –الجامعة المستنصرية يـــةانيكـــــالميكالھندســــــــة م ــــقس

ةــــــــــــــــــــــات طاقــــــــــــمحط

CHAPTER(2)Steam Power Plant Cycles

 

عبد االميرد. مشعل أ.م.  

05‐Oct‐14 

   

 

Chapter2

SteamPowerPlantCycles

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  TUTORIAL SHEET ‐ 2  كلية الھندسة –الجامعة المستنصرية

Steam Power Plant Cycles                                                                       اقةــــــــمحطات ط –قسم الميكانيك  

40  

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  Steam Condition Closed FWH  Direct 

Contact FWH 

Turbine inlet  Reheat Outlet Condenser Drain Cascaded Backward 

Drain Pumped Forward 

A Rankine  4 bar, Dry  ‐ 0.035 bar ‐ ‐  ‐

B Rankine  60 bar, 410 Co 

‐ 0.07 bar ‐ ‐  ‐

C Reheat  100 bar, 410 Co 

60 bar, 410 Co 0.07 bar ‐ ‐  ‐

D Regenerative  60 bar, 410 Co 

‐ 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 ‐ ‐  20 bar

10 bar

2 bar

I Regenerative  60 bar, 410 Co 

‐ 0.07 bar 20 bar ‐  2 bar

10 bar

J Regenerative  60 bar, 410 Co 

‐ 0.07 bar ‐ 20 bar  2 bar

10 bar 

K Regenerative  60 bar, 410 Co 

‐ 0.07 bar 20 bar 10 bar  2 bar

L Reheat‐Regenerative 

100 bar, 410 Co 

25 bar, 410 Co 0.07 bar ‐ ‐  12 bar

2 bar

0.5 bar

M Reheat‐Regenerative 

100 bar, 410 Co 

25 bar, 410 Co 0.07 bar 12 bar ‐  0.5 bar

2 bar

N Reheat‐Regenerative 

100 bar, 410 Co 

25 bar, 410 Co 0.07 bar ‐ 12 bar  0.5 bar

2 bar 

O Reheat‐Regenerative 

100 bar, 410 Co 

25 bar, 410 Co 0.07 bar 12 bar 2 bar  0.5 bar

 

 

 

Power Plant Engineering  TUTORIAL SHEET ‐ 2  كلية الھندسة –الجامعة المستنصرية

Steam Power Plant Cycles                                                                       اقةــــــــمحطات ط –قسم الميكانيك  

41  

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  Boiler Outlet  Condenser Pressure 

A Ideal Rankine, Neglect WP  10 bar, Saturated  1 bar 

B Assume  75%   10 bar, Saturated  1 bar 

C Ideal Rankine  10 bar, Saturated  0.1 bar 

D Ideal Rankine  10 bar, 300 Co  0.1 bar 

E Ideal Rankine  160 bar, 600 Co  0.1 bar 

F Reheat to 600 Co at maximum I.P to limit end moisture to 15%  160 bar, 600 Co  0.1 bar 

G Reheat to 600 Co at maximum I.P to limit end moisture to 15% 

but with  75%  

160 bar, 600 Co  0.1 bar 

H Single open feed water heater at 110 Co  10 bar, Saturated  0.1 bar 

I Two open feed water heaters at 90 Co and 135 Co  10 bar, Saturated  0.1 bar 

J Two closed feed water heaters with drain cascaded backward at 90 Co and 135 Co 

10 bar, Saturated  0.1 bar 

 

Power Plant Engineering  TUTORIAL SHEET ‐ 2  كلية الھندسة –الجامعة المستنصرية

Steam Power Plant Cycles                                                                       اقةــــــــمحطات ط –قسم الميكانيك  

42  

4‐ 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 % 

5‐ 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) 

6‐ 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 

7‐ 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 

8‐ 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. 

   

Power Plant Engineering  TUTORIAL SHEET ‐ 2  كلية الھندسة –الجامعة المستنصرية

Steam Power Plant Cycles                                                                       اقةــــــــمحطات ط –قسم الميكانيك  

43  

9‐ 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%.