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: 8 из 101

Рис. 1.10. Зависимость относительного измеиеиия температуры рабочего тела при изоэитронпом про­цессе т от относительного изменения давления II


(Тз/^Птт


Рис. 1.11. Зависимость (5^г₃/7^,_[)_т-_(П от относитель­ного измеиеиия давления в компрессоре П_к


где П — относительное изменение давления; к— показатель адиабаты рабочего агента.

Зависимость т = /(П) при к = 1,4 приве­дена на рис. 1.10. Для турбины П_т = р₄/р₃, для компрессора П_к = Р|/р₂.


ГРАНИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ


го изменения давления в компрессоре П_к = = Р]/Р2-

На основе уравнения (1.56) находится также максимальная степень изменения давления в компрессоре, при которой газо­турбинная установка не может развивать полезную электрическую мощность


Газотурбинная установка может генери­ровать полезную электрическую энергию только при условии, что работа, производи­мая турбиной, превышает работу, произво­димую компрессором, т.е. когда /_т > /_к или, что одно и то же, когда

7\ т т 1 ^Тк

у (’ -^Тт)П₀,Пэм^> — • <sup>(L56)

1 Т</sup>^О,Пэм

Из этого условия выводится значение граничного параметра газотурбинной уста­новки


к

\к-I


/ max


у ^о^о/ПэмЛ


. (1.58)


(1.57)


V¹ -^тт)По,П_О(ПэмП_э


При — <


газотурбинная уста­


новка не может развивать полезную элек­трическую мощность, так как работа в ком­прессоре равна или превышает работу, про­изведенную турбиной. На рис. 1.11 показа­на зависимость (Т₃/rj)_min от относительно-


При — > — работа в компрессоре Wmax

равна или превышает работу, произведен­ную турбиной.

Из уравнения (1.57) находится также одно из граничных значений отношения т.е. {T^IT₃)_mw при котором полез­ная работа газотурбинной установки равна

нулю:

(1 -Ло,)⁺-7 ⁵ ’(П59)

¹3 к т к

^у П_о,п_эмп_эм ¹1

^тк „(4-1)/4 ,

И = = Р (при

^Тт


^4

г,

Ч


где


Р = П_к/П_т = 0,9 и к = 1,4 значение ц = = 0,97); Т₄ — температура рабочего тела на выходе из газовой турбины.




Второе граничное отношение Т₄1Т₃ со­ответствует условию, когда полезная рабо­та газотурбинной установки равна нулю при максимальных значениях (Т₄ /Т₃)_тм. При этом перепад энтальпий рабочего тела в турбине практически равен нулю. В за­висимости от значений Т₃П\,

т к

Л_эм, Л_эм это отношение находится в диапа­зоне от 0,97 до 1.

Таким образом, газотурбинная установ­ка может развивать полезную электриче­скую мощность только в пределах значений Гд/Гз, определяемых неравенством


Дж/Дж или кВт • ч/(кВт • ч)). Для полу­чения размерного значения э_г необходимо

умножить на размерную единицу 278 кВт • ч/ГДж или 1163 кВт • ч/Гкал.

Величина э_г по формуле (1.62) учиты­вает выработку электроэнергии как комби­нированную, так и на базе теплоты, отве­денной в окружающую среду.

В теплофикационных газотурбинных установках, как правило, часть отработав­шей теплоты отводится в окружающую сре­ду, поскольку практически всегда Т$П\> 1.


(Т₄\


\ ■Vmin


(т₄

л


(1.60)


УДЕЛЬНАЯ ВЫРАБОТКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ


Удельная выработка электрической энергии на единицу отработавшей теплоты, использованной для теплоснабжения, опре­деляется для теплофикационных газотур­бинных установок на основе следующего уравнения:


(7'з-7'4)Пэм-(7'₂-7'₁)/Л


(Т’а-Л)


, (1.61)


которое приводится к следующему виду:


г I ^тт)П₀,Л_Эм


Э_г = —

^г Т.


к к ^тк ^оЛэм


(1.62)


7(1 - (I-^т_т)Ло,] - т₅/т,


В уравнении (1.62) удельная выработка электроэнергии э _г приведена в безразмер­ном виде, т.е. когда количество электричес­кой энергии, выработанной в теплофикаци­онном цикле, и количество теплоты, отве­денной из цикла и использованной для теплоснабжения, выражены в одних и тех же физических единицах (например,


ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕПЛОВОЙ
ЭКОНОМИЧНОСТИ


На рис. 1.12 приведены зависимости КПД выработки электрической энергии т)’


и удельной выработки электроэнергии э_г


на единицу теплоты, отведенной в систему теплоснабжения, от расчетных параметров рабочего тела Т₃/7\ и Т₄1Т₃.


Зависимости построены соответственно по уравнениям (1.54) и (1.62). Граничный параметр (Г₄ /T₃)_min определен по формуле (1.59), а граничный параметр (Т₄ /Т₃)_тйк принят равным 0,98. При проведении расче­тов приняты следующие значения величин:


< = 0,86; < = 0,82; < = Ъ.с = 0,98; T₅/T_t = 1,3.


0,99;


Как видно из результатов расчета, пред­ставленных на рис. I.I2, зависимости Пр = г₄/г₃) и S_r = f(T₃!T_x, Т₄/Т₃)


имеют явно выраженные экстремумы.

Сравнение зависимости э_г = f(T₄IT₃)

для газотурбинных теплофикационных ус­тановок с зависимостью удельной комбини­рованной выработки электроэнергии от средней температуры отвода теплоты в па­ротурбинных теплофикационных установ-


39

Рис. 1.12. Энергетические показатели теплофика­ционной газотурбинной установки / — Z'j/Г, - 4,34: 2 — Г, /Г, - 4,0; 3 — Г₃/Г, » 3,7; Г_}/Г, = 1,3; По, = 0,86, л", = 0,82; П™ = <„ = 0,99

ках э_т (Г_т/7’₀) показывает их принципи­альное различие.

В паротурбинных установках снижение средней температуры отвода теплоты 7"_т всегда приводит к повышению э_т. В зави­симости от значения внутреннего относи­тельного КПД процесса расширения пара в турбине По, изменяется значение производ­ной d 3₇/_v но отрицательный знак произ­водной всегда остается неизменным, так как со снижением температуры отвода теп­лоты Т_т всегда повышается удельная комби­нированная выработка электрической энер­гии э_т.

В газотурбинных теплофикационных установках характер зависимости, т.е. знак производной d 3_r/dT_T , определяется обла­стью значений Тц/Ту

При Т₄/Т₃ < (Т^/Т₃)_зк<. газотурбинная ус­тановка работает в области большой степе­ни изменения давлений в компрессоре/^//?! и в турбине /р₄. В этой области внутрен­ние потери из-за неизоэнтропности процес­сов сжатия и расширения велики.

При повышении температуры снижа­ются степени изменения давлений в ком­прессоре и турбине, в связи с чем снижают­ся внутренние потери, представляющие собой значительную долю выработанной электроэнергии.

В результате КПД и удельная выработка электроэнергии возрастают, так как значе­ние снижения внутренних потерь в турбине и компрессоре превышает потери работы в турбине из-за повышения температуры отвода теплоты.

При Т_А/Т₃ > (Г₄ /Т₃)_экс газотурбинная установка работает в области более низкой степени изменения давления в компрессо­ре и в турбине. В этой области внутренние потери из-за неизоэнтропности процессов сжатия и расширения относительно неве­лики и их роль в балансе энергии в уста­новке существенно меньше, чем в области Г₄/ Г₃ ^< (ТУ Лккс При повышении темпе­ратуры отвода теплоты снижается распола­гаемая разность температур рабочего тела (Ту—Т₄) и соответственно снижаются КПД и удельная выработка электроэнергии.

В паротурбинных теплофикационных установках КПД комбинированной выра­ботки электроэнергии является практиче­ски постоянной величиной. В газотурбин­ных теплофикационных установках КПД выработки электроэнергии является пере­менной величиной — функцией отношения температур Ту!Т_} и T^ITy Диапазон значе­ний Т_А!Ту в пределах которого газотурбин­ная установка может развивать полезную электрическую мощность, ограничен двумя предельными значениями T^ITy

Нижнее предельное значение (T₄/T₃)_min соответствует режиму, при котором работа, произведенная турбиной, равна работе компрессора. Верхнее предельное значение (7"₄/ 7'₃)_тах соответствует режиму, при кото­ром перепад энтальпий рабочего тела в тур­бине близок к нулю.

При повышении температуры Г₃ или отношения температур 7"₃ /Г, снижается значение нижнего граничного параметра (7’₄/7'₃)_mj_n (1.59) и расширяется диапазон значений Т₄1Т₃, в пределах которого газо­турбинная теплофикационная установка может развивать полезную электрическую мощность.

Удельную экономию условного топлива на единицу теплоты, отведенной в систему теплоснабжения, по сравнению с раздель­ным энергоснабжением можно определить по формуле

Д6 = Д/?_э + Д6_Т, (1.63)

где ДЛ_Э — удельная экономия условного то­плива вследствие выработки электрической энергии на газотурбинной ТЭЦ; Д/?_т — удельная экономия условного топлива в ре­зультате выработки теплоты на газотур­бинной ТЭЦ для нужд теплоснабжения. Значение ДЬ_Э определяется как

ДЬ_Э = 278 э_г(6р -Ь³), (1.64)

где 278 э_г —удельная выработка электро­энергии в газотурбинной установке на еди­ницу теплоты, отведенной в систему тепло­снабжения, кВт-ч/ГДж, определяется по (1.62); б’ и Ь³ —удельные расходы услов­ного топлива на выработку электроэнергии в конденсационной электростанции и в га­зотурбинной установке, кг/(кВт • ч),

,э 0,123 ,

Ь_{г =} (1.65)

Пг

Удельная экономия условного топлива вследствие отпуска теплоты от газо­турбинной установки для нужд теплоснаб­жения

Д\ = (1.66)

где /?р — удельный расход условного топ­лива на выработку теплоты в котельной; bf. — удельный расход условного топлива

на выработку теплоты в газотурбинной ус­тановке, кг/ГДж,

т 34 1

// = ₍₁.₆₇) Пк.с

Величина Д/?_т является постоянной, так как она практически не зависит от режима работы газотурбинной установки.

Задача оптимизации тепловой эконо­мичности газотурбинной теплофикацион­ной установки заключается в определении параметров рабочего тела на входе и выхо­де из турбины 7₃, /?₃, Г₄, р₄, при которых удельная экономия топлива в результате выработки электроэнергии имеет макси­мальное значение.

ОБЛАСТЬ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ УСТАНОВОК

В паротурбинных теплофикационных установках расход электроэнергии на при­вод питательных насосов составляет отно­сительно небольшую долю ее выработки установкой. В газотурбинных теплофика­ционных установках расход электроэнер­гии на привод воздушных компрессоров со­ставляет значительную долю ее выработки турбиной.

Повышение начальных параметров пара в паротурбинных установках однозначно приводит к увеличению средней температу­ры подвода теплоты в цикл, в результате улучшаются основные энергетические по­казатели установки - увеличиваются удель­ная комбинированная выработка электро­энергии и КПД выработки электроэнергии в конденсационном режиме, несмотря на некоторое увеличение расхода электро­энергии на привод питательного насоса.

Повышение температуры газа на входе в газовую турбину Ту наряду с положитель­ным эффектом, связанным с повышением температуры подвода теплоты в цикл, при­водит при заданной температуре Т₄ на вы­ходе из турбины к увеличению степени из­менения давления в турбине p^tр_л и в ком­прессоре /’2^/7’г Как отмечалось выше, это вызывает увеличение внутренних потерь из-за неизоэнтропности процессов расши­рения и сжатия. Поэтому в отличие от паро­турбинных установок повышение темпера­туры газов на входе в турбину может приво­дить как к улучшению, так и к ухудшению основных энергетических показателей газо­турбинных теплофикационных установок.

Повышение средней температуры отво­да теплоты из цикла паротурбинных уста­новок однозначно приводит к снижению удельной комбинированной выработки электроэнергии, т.е. к ухудшению тепловой экономичности.

Повышение температуры отработавших газов на выходе из газовой турбины при за­данной температуре Ту на входе в турбину приводит к снижению степени изменения давления в турбине ру !р₄ и в компрессоре р^1р\ и снижению внутренних потерь. По­этому в отличие от паротурбинных устано­вок повышение температуры рабочего тела на выходе из газовой турбины часто приво­дит не к ухудшению, а к улучшению энерге­тических показателей.

Характер изменения основных энергети­ческих показателей газотурбинных тепло­фикационных установок (Г)р э _г) при изме­нении температур Т₄ и Ту на выходе и входе в газовую турбину зависит от области зна­чений Т^/Ту, в которой работает установка. 42

При работе в области Т₄1Ту < (Т₄/Ту)_зк(,, которой соответствуют малые значения га­зодинамических функций П_т и П_к, т.е. боль­шие степени изменения давлений в ком­прессоре и турбине, снижение температуры отвода теплоты из цикла Т₄ или повышение температуры подвода теплоты в цикл Ту приводит к ухудшению энергетических по­казателей установки. Так, при основных па­раметрах газотурбинной установки Ту/Т^ = = 3,7 и Т₄/Т₃ = 0,55 КПД выработки электро­энергии Г)’ = 0,38 (точка b на рис. 1.12). При

повышении температуры рабочего тела пе­ред турбиной в 1,16 раза, что при неизмен­ных значениях У, и Т₄ соответствует Ту!Т_} - = 3,1- 1,16 = 4,34 и Т₄/Ту = 0,55/1,16 = 0,47, КПД выработки электроэнергии составит Г|Э 0,32 (точка а на рис. 1.12).

Таким образом, повышение температу­ры рабочего тела перед турбиной привело к снижению КПД выработки электроэнер­гии с 0,38 до 0,32.

При работе газотурбинной теплофика­ционной установки в области отношений Т\!Ту > (У₄/Т₃)_экс (которой соответствуют повышенные значения газодинамических функций П_т и П_к, т.е. малые степени изме­нения давлений в компрессоре и турбине), уменьшение отношения Т₄/Т₃, т.е. сниже­ние температуры отвода теплоты или повы­шение температуры подвода теплоты, при­водит к увеличению т)’ и э_г, так как в этой

области увеличение внутренних потерь в компрессоре и турбине невелико и основ­ное значение имеют термодинамические показатели — температуры подвода и от­вода теплоты из цикла. Так, например, при Ту /Т_} =3,7 и Т₄/Ту = 0,85 КПД выработки

электроэнергии Т)’ = 0,43 (точка с на

рис. 1.12). При повышении температуры рабочего тела перед турбиной в 1,16 раза,

что при неизменных значениях Г, и Т₄ соответствует Т-$П\ ⁼ 3,7- 1,16 = 4,34 и Г4/Г3 = 0,85/1,16 = 0,73, КПД выработки электроэнергии составит 0,62 (точка d на рис. 1.12), т.е. существенно больше, чем при Tj/F, = 3,7.

При расчетных параметрах, близких к оптимальным (Т₄/7з)_опт, и высоких тем­пературах подвода теплоты Т-$П\ газотур­бинные теплофикационные установки име­ют, как правило, достаточно высокие пока­затели т]’ и э _г.

Основной областью предпочтительного применения газотурбинных теплофикаци­онных установок является область невысо­ких степеней изменения давлений в ком­прессоре и турбине, когда внутренние поте­ри из-за неизоэнтропности процессов сжа­тия и расширения рабочего тела невелики.

Такие условия соответствуют в основ­ном удовлетворению тепловой нагрузки по­вышенного потенциала. В этой области га­зотурбинные теплофикационные установки могут конкурировать по тепловой эконо­мичности с паротурбинными установками.

При использовании теплофикационных газотурбинных установок в теплофикаци­онных системах городов экономически це­лесообразно применять существенно боль­шие расчетные перепады температур сете­вой воды 87'= Т_п - Т_о5 (см. рис. 1.8) по срав­нению с паротурбинными установками, так как в газотурбинных установках можно без дополнительных энергетических потерь, а в ряде случаев даже с улучшением энергети­ческих показателей повысить температуру отвода теплоты на выходе из газовой турби­ны. Это дает возможность снижать началь­ные затраты на сооружение тепловых сетей и уменьшать расход электроэнергии на транспорт теплоносителя.

выводы

Газотурбинные установки целесообраз­но использовать в первую очередь:

1. 
   в качестве верхней ступени парогазо­вых установок с котлом-утилизатором, в которых отработавшие газы после турбины используются для выработки пара в нижней ступени;
   
2. 
   для пароснабжения промышленных предприятий, где отработавшие газы после турбины используются для выработки пара;
   
3. 
   для высокотемпературного подогрева сетевой воды в верхней ступени многосту­пенчатой теплофикационной установки.
   

5. 
   

1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   101