Теплофикация и тепловые сети. И тепловые

• Название: И тепловые
• Анкор: Теплофикация и тепловые сети
• Дата: 27.03.2022
• Размер: 2.4 Mb.
• Имя файла: Теплофикация и тепловые сети.docx
• Тип: Учебник; #420164
• страница: 4 из 101

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОФИКАЦИИ

1. 
   ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОФИКАЦИИ
   

Энергетическая эффективность тепло­фикации оценивается по экономии топлива ДВ, получаемой при удовлетворении от ТЭЦ заданного энергопотребления (электриче­ской и тепловой энергии) определенного круга потребителей или района в целом, по сравнению с расходом топлива при раздель­ном методе удовлетворения этих же нагру­зок, т.е. при выработке электрической энер­гии на конденсационных электрических станциях (КЭС) и теплоты в котельных:

ДВ = В_р-В_т, (1.1)

где В_р — расход топлива при раздельной вы­работке электрической энергии и теплоты; В_т — то же при теплофикации.

Другой возможный метод оценки эф­фективности теплофикации с помощью так называемого коэффициента использования теплоты топлива Т1_и не является предста­вительным и объективным, так как не все­гда большее значение коэффициента т)_и со- ответствует большей экономии топлива, т.е. большему энергетическому эффекту.

Коэффициент использования теплоты топлива представляет собой отношение те­пловых эквивалентов отпущенных от ТЭЦ теплоты и электрической энергии к тепло­вому эквиваленту сожженного топлива:

Ли = (Q+3)/(BQ^p_h), (1.2а)

где Q — количество отпущенной теплоты; Э — количество отпущенной электроэнер­гии; В — расход топлива; Q^P_H — низшая

удельная теплота сгорания топлива.

В (1.2а) электрическая энергия оценива­ется по тепловому эквиваленту и суммиру­ется с теплотой. Однако электрическая и те­пловая энергия не являются равноценными видами энергии, поэтому их сравнение по тепловому эквиваленту не считается эконо­мически объективным, хотя и не проти­воречит первому закону термодинамики [3, 27, 104].

Электрическая энергия — наиболее со­вершенный вид энергии, но зато и выработ­ка ее на ТЭС связана со значительно боль­шими топливными затратами, чем выработ­ка теплоты.

Как известно из второго закона термоди­намики, невозможно всю теплоту, подве­денную к рабочему телу в теплосиловом цикле, превратить в работу. При превраще­нии теплоты в работу необходимо часть подведенной теплоты отвести в холодный источник.

При выработке электрической энергии на современных КЭС в холодный источник, т.е. в окружающую среду, отводится около 60 % теплоты, подводимой в цикле. Этим в основном определяется низкий КПД вы­работки электрической энергии, составляю­щий 36—40 %.

Что же касается КПД установок по про­изводству теплоты, то даже в местных ко­тельных с котлами устаревших конструк-

ций при работе на твердом топливе он со­ставляет 50—55 %, а в крупных совре­менных районных котельных нв жидком топливе или газе 80—85 % и более.

Снижение при расчете доли выработки электрической энергии на ТЭЦ за счет уве­личения выработки теплоты приводит к росту коэффициента использования теп­лоты сгорания топлива вследствие умень­шения расчетных потерь в турбогенератор­ной установке. Однако при этом народнохо­зяйственная эффективность теплофикации уменьшается, так как недовыработанную на ТЭЦ электрическую энергию приходится вырабатывать на КЭС при значительно бо­лее низком КПД.

Ничего по существу не изменяет оценка энергетической эффективности теплофикации по эксергетическому КПД ТЭЦ:

ПКС С > V

^топл

где и> — коэффициент работоспособности тепло­ты; Е_топп — эксергия сожженного топлива.

Превращение теплоты а работу в теплофика­ционных турбоустановках сопровождается дис­сипацией эксергии из-за внутренних потерь в турбине и электрогенераторе. Поэтому сниже­ние выработки электроэнергии и соответствую­щее увеличение отвода теплоты приводит к по­вышению эксергетического КПД ТЭЦ.

Максимальный т]_экс по формуле (1.26) дости­гается тогда, когда ТЭЦ превращается в котель­ную и отпускает только теплоту. Причем Г)_экс тем выше, чем выше параметры отпускаемой теплоты.

Поэтому использование в качестве критерия, по которому оценивается эффективность комби­нированной выработки электрической и тепло­вой энергии, только коэффициента использова­ния теплоты топлива (1.2а) либо только эксерге­тического КПД (1.26) будет неправильно ориен­тировать специалистов на минимальную выра­ботку электроэнергии и максимальный отпуск теплоты от ТЭЦ.

Выбор наиболее оптимальной (по расходу сжигаемого топлива) системы энергоснабжения должен осуществляться из условия минимизации топливных затрат в целом на ТЭЦ, обеспечиваю­щей электро- и теплоснабжение данного района, в сравнении с раздельной схемой энергоснабже­ния этого района от КЭС и котельных при подаче потребителям равного количества электрической и тепловой энергии заданного качества.

О качестве тепловой энергии и других крите­риях оценки эффективности теплофикации бу­дет сказано ниже.

2. 
   ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТОПЛИВА НА ВЫРАБОТКУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ТЕПЛОТЫ НА ПАРОТУРБИННЫХ ТЭЦ
   

Расход топлива на выработку электриче­ской энергии и теплоты на паротурбинных ТЭЦ может быть определен как сумма двух слагаемых:

я_т = я_тэ + я_тт> (1.3)

где Д_{т э}, В_{т т} — расход топлива на выработ­ку соответственно электрической энергии и теплоты.

Основными агрегатами большинства со­временных паротурбинных ТЭЦ являются теплофикационные турбины с отбором па­ра и с конденсаторами. Эти турбины могут развивать, как правило, полную электриче­скую мощность независимо от нагрузки те­плофикационных отборов, однако они не всю электроэнергию вырабатывают ком­бинированным методом. Часть электриче­ской энергии вырабатывается в этих турби­нах с использованием потока пара, посту­пающего в конденсатор, т.е. конденсацион­ным методом. Поэтому полное количество электрической энергии, вырабатываемой на ТЭЦ, является в общем случае суммой двух слагаемых:

Э=Э_Т + Э_ТК, (1.4)

где Э_т — комбинированная выработка; Э_{т к}— конденсационная выработка.

Количество электрической энергии, вы­рабатываемой на ТЭЦ комбинированным методом, определяется по формуле

Э_т= Э&,, (1.5)

где э_т — удельная комбинированная выра­ботка электроэнергии, т.е. количество электроэнергии, произведенной на ТЭЦ в одном технологическом цикле с отпуском единицы теплоты внешним потребителям; Q_T — отпуск отработавшей теплоты (из от­боров или противодавления) внешним теп­ловым потребителям.

Тепловая экономичность ТЭЦ характе­ризуется двумя основными показателями: 1) удельной комбинированной выработкой электроэнергии э_т; 2) удельным расходом топлива на выработку электрической энер­гии по конденсационному циклу

Как будет показано ниже, оба эти пока­зателя зависят в первую очередь от отноше­ния температуры отвода теплоты из цикла к температуре подвода теплоты к циклу (Т_т/ Г_о и Т_{К 7}/Т₀). Чем ниже это отношение, тем выше тепловая экономичность ТЭЦ (см. (1.6), (1.7) и (1.21)].

Определение удельной комбинирован­ной выработки существенно упрощается, если реальный теплосиловой цикл заменя­ется эксергетически равноценным циклом Карно, в котором работоспособность под­веденной и отведенной теплоты такая же, как в реальном цикле.

Удельная комбинированная выработка электрической энергии, отнесенная к еди­нице отработавшей теплоты, отведенной из идеального цикла Карно (рис. 1.1)

где Г_о — средняя температура подвода те­плоты в цикл, К; Г_т — средняя температу­ра отвода теплоты из цикла, К.

Формула (1.6) может быть положена в основу расчета удельной комбинирован­ной выработки электрической энергии в ре­альных циклах. В этом случае под Т_о следу­ет понимать среднюю температуру подвода теплоты, а под Т_х — среднюю температуру отвода теплоты реального цикла. Кроме то­го, необходимо учесть неизоэнтропность расширения пара в турбине, а также нали­чие электромеханических потерь в турбоге­нераторе.

С учетом указанных особенностей фор­мула для расчета удельной комбинирован­ной выработки электрической энергии на паротурбинных ТЭЦ принимает вид

(^го - ^гт) П_о,п_эм
7;+(i-n₀,) (Т’о-т’т)

Ло,Л_э

(1-7)

По,

где л₀, — внутренний относительный КПД турбины; г|эм — электромеханический КПД, т.е. произведение механического КПД турбины на КПД электрогенератора.

Значение э_т равно удельной комбиниро­ванной выработке на базе внешнего тепло­вого потребления. Сюда входит также ком­бинированная выработка на базе внут­реннего теплового потребления, т.е. на базе регенеративного подогрева конденсата

т₀

	Тт
	т Дз г	S

Рис. 1.1. Идеальный цикл Карно

от температуры возврата в схему ТЭЦ до температуры питательной воды.

Значение э_т, приведенное в (1.7) в без­размерном виде, представляет собой отно­шение количества выработанной электро­энергии к количеству отработавшей тепло­ты, отведенной из цикла, выраженных в одних и тех же единицах, например Дж/Дж или кВт • ч/кВт • ч.

Для получения значения удельной ком­бинированной выработки э_т, выраженной в единицах, обычно используемых на прак­тике, необходимо значение э_т, рассчи­танное по (1.7), умножить на размерную единицу, т.е. на 278 кВт-ч/ГДж или на 1163 кВт • ч/Гкал.

Как видно из (1.7), удельная комбиниро­ванная выработка электрической энергии увеличивается при повышении средней температуры подвода теплоты в цикл Т_о, снижении средней температуры отвода те­плоты из цикла Т_х, а также при снижении потерь при расширении пара в турбине и превращении механической энергии в электрическую, т.е. при увеличении КПД По. ^и Пэм'

Этим, в частности, объясняется эффек­тивность повышения начальных парамет­ров пара и многоступенчатого подогрева се­тевой воды отработавшим паром.

При увеличении начальных параметров пара на ТЭЦ повышается средняя темпера­тура Т_о подвода теплоты в цикл. При много­ступенчатом подогреве сетевой воды часть теплоты отводится из цикла при более низ­кой температуре, чем при одноступенчатом подогреве, в результате снижается средняя температура Т_т отвода теплоты из цикла.

На рис. 1.2 показана схема паротурбин­ной теплофикационной установки, а на рис. 1.3, о — процесс ее работы в 7) s-диа­грамме. Из условия одинаковой работоспо­собности подведенной теплоты в цикле Карно и в реальном цикле средняя темпера-

IX 10



VIII VI VIII

Рис. 1.2. Схема паротурбинной теплофикационной установки (с промперегревом)

/ — котел; // — паровая турбина; III — электрогене­ратор; IV — теплофикационный подогреватель;

V— конденсатный насос; VI— питательный насос; VII — сетевой насос; VIII — регенеративный подог­реватель, IX — промперегреватель; 1—10 — характерные точки теплосилового цикла

тура подвода теплоты принимается равной разности удельных энтальпий рабочего те­ла на выходе из котла и входе в котел, де­ленной на разность удельных энтропий в этих же точках [114, 115]:



Из условий одинаковой работоспособности отведенной теплоты из цикла Карно и из ре­ального цикла средняя температура отвода теплоты из цикла Т_т принимается равной разности удельных энтальпий рабочего те­ла на выходе из турбины и его конденсата, деленной на разность удельных энтропий в этих же точках:

_ ^h5

^hi _ ^hn o ^hK.r .

В выражениях (1.8), (1.9): h_n, h_{n o}, А_пв, А_кг — удельная энтальпия: пара на выходе из котла, отработавшего пара на выходе из

турбины, питательной воды на входе в ко­тел, конденсата отрвботавшего пара, кДж/ кг; $_п, 5_{П о}, $_{п в}, 5_{К т} — удельные энтропии: пара на выходе из котла, отработавшего па­ра на выходе из турбины, питательной воды на входе в котел, конденсата отработавшего пара, кДж/(кг • К).

На рис. 1.3,6 показан процесс работы па­ротурбинной установки с промперегревом в Т, s-диаграмме. В установках с промперег­ревом средняя температура подвода тепло­ты в цикл

_{Т = =}

⁰ i₄-ij + g(i₁₀-i₉)

_ ^^{пв +} ^П.д) 0 1Q)

⁵п ^п.в ⁺ g^n.n ^sn.a)

где А_п, h_{n в}, h_{n п}, h_{n д}— удельные энтальпии: пара после основного перегревателя, пита­тельной воды на входе в котел, пара после промперегревателя, пара до промперегрева­теля, кДж/К; $_п, $_{п в}, $_{п п}, $_{п д} — удельные энтропии: пара после основного перегрева­теля, питательной воды на входе в котел, пара после промперегревателя, пара до промперегревателя, кДж/(кг-К); g — отно­шение расхода пара через пром перегрева­тель к его расходу через основной перегре­ватель.

Разность этих расходов равна обычно расходу пара на регенеративные подогре­ватели высокого давления [114, 115]. Для приближенных расчетов можно принимать g = 1. Средняя температура теплоносителя, отводимого из цикла паротурбинных уста­новок с промперегревом, определяется по одной и той же формуле (1.9).

В табл. 1.1 приведены значения средней температуры теплоты, подводимой в цикл, для ряда характерных начальных парамет­ров теплосиловых установок.

В условиях промышленного пароснаб- жения конденсат часто возвращается на ТЭЦ при температуре /_{в к}, существенно бо­лее низкой по сравнению с температурой насыщения отработавшего пара, используе­мого для теплоснабжения.

Как правило, конденсат возвращается на ТЭЦ от потребителей при температуре /_вк < 100 °C, хотя температура насыщения пара, поступающего в сеть, значительно выше 100 °C.

Для подогрева конденсата от температу­ры возврата t_aK до температуры насыщения отработавшего пара /_кт используется отра­ботавшая теплота более низкого потенциа­ла, отчего несколько увеличивается удель­ная комбинированная выработка электри­ческой энергии.

На практике имеет место также частич­ный недовозврат конденсата с промышлен­ных предприятий из-за выпара в сборных баках, утечек, слива при загрязнении кон­денсата и других причин. Недовозврат кон­денсата обычно восполняется на станции за счет холодной воды после ее соот­ветствующей обработки. Для подогрева этой воды используется отработавшая теп­лота низкого потенциала, что также повы­шает удельную комбинированную выработ­ку электрической энергии. Однако из этого не следует, что потеря конденсата является положительным фактором. Дополнитель­ный энергетический выигрыш, получаемый от потери конденсата, не окупает дополни­тельных тепловых и материальных затрат на водоподготовку, связанных с восполне­нием этой потери.

В том случае, когда температура конденсата, возвращаемого на ТЭЦ, или средняя температу­ра конденсата и подпиточной воды, восполняю­щей его утечки, ниже температуры конденсации отработавшего пара /_кт, т.е. когда /_к, < /_кт, удельная комбинированная выработка электри­ческой энергии определяется как сумма двух слагаемых: комбинированной выработки э_т1 на базе теплоты, отводимой от отработавшего пара при температуре его конденсации Г_кт, равной температуре насыщения, и комбинированной выработки э._г2 на базе теплоты, затрачиваемой на подогрев возвращаемых в схему ТЭЦ конденса­та или смеси конденсата и подпиточной воды о" температуры /_{к в} до температуры t_{K т}.

Расчет проводится по формуле

^эт = 9i³tI ⁺ 92^эт2- (11D

где — относительная (в долях единицы) теп­ловая нагрузка ТЭЦ при температуре конденса­ции отработавшего пара /_кт, т.е. теплота пере­грева и скрытая теплота парообразования отра­ботавшего водяного пара; q₂ — относительная (в долях единицы) тепловая нагрузка ТЭЦ, рав­ная теплоте, затрачиваемой на подогрев конден­сата или смеси конденсата и подпиточной воды от температуры t_K, до температуры t_{K т}: