2.1._УСТРОЙСТВО_И_ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ_СОВРЕМЕННОЙ_ТЭЦ. Лекция устройство и функционирование современной тэц снабжение паром промышленных предприятий и теплом населения крупных и
 Скачать 0.88 Mb.
|
|
ЛЕКЦИЯ 3. УСТРОЙСТВО И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ТЭЦ 3.1. Снабжение паром промышленных предприятий и теплом населения крупных и средних городов. Понятие о теплофикации Жизнь человека связана с широким использованием не только электрической, но и тепловой энергией. В соответствии с санитарными нормами все помещения должны отапливаться, вентилироваться, снабжаться горячей водой; в жилых помещениях температура воздуха должна составлять +20 ÷ 22 0 С; в поликлиниках, больницах, детских учреждениях +20 ÷ 23 0 С; в общественных зданиях +18 ÷ 22 0 С. Для этих целей чаще всего используется горячая вода с температурой у пользователя 80 ÷ 90 0 С. Для различных технологических процессов промышленных предприятий требуется так называемый производственный пар с давлением 1 ÷ 3 МПа. В любом случае снабжение любого объекта тепловой энергией обеспечивается системой, состоящей из 3 основных элементов: источника тепла (например, котельной), тепловой сети (например, трубопроводов горячей воды или пара) и теплоприемника (например, батарея водяного отопления, располагаемой в комнате). Если тепловая сеть либо отсутствует, либо очень короткая, то такую систему теплоснабжения называют децентрализованной. Децентрализованное теплоснабжение может быть индивидуальным (например, электрообогреватели), или местным (например, обогрев здания с помощью индивидуальной котельной или теплонасосной установки). Тепловая производительность таких котельных не превышает 1 Гкал/ч (1,163 МВт). Альтернативной децентрализованному является централизованное теплоснабжение. Ее характерный признак – наличие разветвленной тепловой сети, от которой питаются многочисленные абоненты (заводы, фабрики, общественные здания, жилые помещения и др.). Для централизованного теплоснабжения используются два вида источников: котельные и теплоэлектроцентрали. Различают централизованное теплоснабжение групповое (питается группа зданий от крупной котельной мощностью1 ÷ 10 Гкал/ч), квартальное (от квартальной котельной тепловая производительностью 10 ÷ 50 Гкал/ч), районное (питается район – несколько групп зданий), городское (питается несколько районов города), межгородское (питается несколько городов). В крупных городах основными источниками централизованного теплоснабжения являются теплоэлектроцентрали (далее-ТЭЦ) и районные тепловые станции (далее-РТС) производительностью до 400 Гкал/ч. Для большинства северных городов с населением более 100 тыс. человек наиболее рациональным является централизованное теплоснабжение на базе ТЭЦ. Рис. 3.1. Принципиальная схема водогрейной котельной: 1−водогрейный котел;2−сетевой насос; 3−водоподготовительная установка; 4−подпиточный насос На рис. 3.1 показана водогрейная котельная. К сетевому насосу из тепловой сети поступает обратная сетевая вода – «холодная» вода, уже использованная для отопления. Сетевой насос служит для прокачки сетевой воды через водогрейный котел, в котором она нагревается теплом сжигаемого топлива (газ, мазут, каменный или бурый уголь). Нагретая сетевая вода, называемая прямой сетевой водой, подается в тепловую сеть для использования потребителями (абонентами). Для восполнения неизбежной утечки сетевой воды служит водоподготовительная установка (далее-ВПУ) и подпиточный насос. Рис. 3.2. Устройство водогрейного котла КВГМ−50: 1-3,5−экраны соответственно передней, боковой, промежуточный и задний; 4 –конвективные пакеты; 6-дробеочистительная установка; 7−газомазутная горелка Водогрейный котел (рис. 3.2), как и паровой котел, представляет собой П−образную шахту прямоугольного сечения. Первая его часть – топка, облицована трубчатыми экранами, внутри которых движется вода, нагреваемая излучением горящего факела топлива. Во второй части размещены конвективные поверхности – трубчатые пучки, обогреваемые за счет конвективного теплообмена с горячими газами. Водогрейный котел отличается от парового котла тем, что при его работе сетевая вода в нем только нагревается, при этом фазовых превращений с ней не происходит. Обычно здания РТС в плане имеют вид буквы «Н» и состоит из котельной, машинного зала и строительной перемычки между ними. В котельной размещаются водогрейные котлы, в машинном зале – многочисленные насосы, система подпитки теплосети, в перемычке – пульт управления и бытовые помещения. ✓ Понятие о теплофикации Теплофикация – это централизованное теплоснабжение потребителей теплом от ТЭЦ. При этом на ТЭЦ это тепло получают при конденсации пара, взятого из паровой турбины после того, когда пар прошел часть турбины и выработал электрическую мощность. 3.2. Представление о тепловых сетях крупных городов Тепловая сеть – это сложное инженерно-строительное сооружение, служащее для транспортировки тепла с помощью теплоносителя (воды или пара) от источника (ТЭЦ или котельной) к тепловым потребителям. От коллектора прямой сетевой воды ТЭЦ с помощью магистральных теплопроводов горячая вода направляется в городской массив. Магистральные теплопроводы имеют ответвления, к которым присоединяются внутриквартальная разводка к центральным тепловым пунктам (ЦТП). В ЦТП находится теплообменное оборудование с регуляторами, обеспечивающее снабжение квартир и помещение горячей водой в соответствие с санитарными нормами. Тепловые магистрали соединены с ТЭЦ и котельных для повышения надежности теплоснабжения соединяют перемычками с запорной арматурой, которые позволяют обеспечить теплоснабжение при авариях и ревизиях отдельных участков тепловых сетей и источников теплоснабжения. Таким образом, тепловая сеть города – это сложнейший комплекс теплопроводов, источников тепла и его потребителей. Теплопроводы могут быть подземными и надземными. Надземные теплопроводы (рис. 3.3, а) обычно прокладывают по территориям промышленных предприятий и промышленных зон, не подлежащих застройке, при пересечении большого количества железнодорожных путей. Надземные теплопроводы долговечны и лучше приспособлены к ремонтам. а) б) в) Рис.3.3 Прокладка теплопроводов: а) надземная прокладка теплопровода; б) бесканальная прокладка; в) канальная непроходная прокладка В жилых районах из эстетических соображений используется подземная прокладка, которая бывает бесканальная (рис. 3.3, б) и канальная (рис. 3.3, в). При бесканальной прокладке участки теплопроводов укладывают на специальные опоры непосредственно на дне вырытых грунтовых каналов, свариваются между собой стыки, защищают их от воздействия агрессивной среды и засыпают грунтом. Бесканальная прокладка – самая дешевая, однако теплопроводы испытывают внешнюю нагрузку от давления грунта (заглубление теплопровода должно быть на 0,7 м), более подвержены агрессивной среде (грунта) и менее ремонтопригодны. При канальной прокладке теплопроводы помещают в каналы из сборных железобетонных элементов, изготовленных на заводе. При такой прокладке теплопроводы помещают в каналы из сборных железобетонных элементов, изготовленных на заводе. При такой прокладке теплопроводы разгружаются от гидростатического действия грунта, находятся в более комфортных условиях, более доступны для ремонта. По возможности доступа к теплопроводам каналы делятся на проходные, полупроходные и непроходные. В проходных каналах кроме трубопроводов подающей и обратной сетевой воды размещают водопроводные трубы питьевой воды, силовые кабели и другое оборудование. Это наиболее дорогие каналы, но и наиболее надежные, так как позволяют организовать постоянный легкий доступ для ревизии и ремонта, без нарушения дорожных покрытий и мостовых. Такие каналы оборудуют освещением и вентиляцией. Рис. 3.4. Проходной канал теплотрассы Рис. 3.5. Непроходной канал теплотрассы Непроходные каналы позволяют разместить в себе только подающие и обратные теплопроводы, для доступа к которым необходимо срывать слой грунта и снимать верхнюю часть канала. В непроходных каналах бесканально прокладывается большая часть теплопроводов. Они имеют высоту 700 мм. Полупроходные каналы сооружают в тех случаях, когда к теплопроводам необходим постоянный, но редкий доступ. Полупроходные каналы имеют высоту 1400 мм, что позволяет человеку передвигаться в нем в полусогнутом состоянии, выполняя осмотр и мелкий ремонт тепловой изоляции. 3.3. Раздельная и комбинированная выработка электроэнергии и тепла Если для некоторого потребителя, например, города, требуется в некоторый момент количество электроэнергии N э (в единицу времени) и количество тепла Q т , то технически проще всего получить их раздельно. Для этого можно построить конденсационную ПТУ (рис.3.6, а) электрической мощностью N э , с глубоким вакуумом создаваемым конденсатором, который охлаждается водой. При ее температуре 15 ÷ 20 0 С можно получить давление в конденсаторе 3 ÷ 4 кПа, а температура конденсирующего пара будет равна 30 ÷ 35 0 С. Для производства тепла Q т можно построить РТС, в водогрейном котле которого циркулирует сетевая вода и нагревается от 70 до 110 0 С. При раздельном производстве тепла Q т и электроэнергии N э , общее количество теплоты, которое будет получено из топлива составит 𝑄 разд = 𝑄 т 𝜂 к ⁄ + 𝑁 э (𝜂 к 𝜂 пту ) ⁄ , (3.1) где 𝜂 к – КПД котлов, составляющий 90÷94%; 𝜂 пту – КПД конденсационной ПТУ, равный примерно 45%. Ту же задачу производства электроэнергии и тепла можно решить по-другому (рис. 3.6, б). Вместо конденсатора на КЭС можно установить сетевой подогреватель, от которого получить количество теплоты Q т . Нагретая сетевая вода должна иметь температуру 110 0 С, давление в сетевом подогревателе должно быть на уровне 1,2 ат. При этом давлении образующейся из конденсирующегося пара конденсат будет иметь температуру примерно 120 0 С, что обеспечит нагрев сетевой воды до 110 0 С. Такое производство электроэнергии и тепла называется комбинированным. Рис. 3.6. Схемы раздельной (а) и комбинированной (б) выработки тепла и электроэнергии: 1-энергетический котел;2-паровая турбина; 3-конденсатор; 4-пиатетльный насос; 5- водогрейный котел; 6-потребитель тепла; 7-сетевой насос; 8-сетевой подогреватель Расход тепла при комбинированной выработке при тех же Q т и N э , составит 𝑄 комб = (𝑄 т + 𝑁 э ) 𝜂 к ⁄ .(3.2) В этой формул, при 𝜂 пту = 1 , учтено, что тепло, выходящее с паром из турбины, полностью отдается в сетевом подогревателе тепловому потребителю. При этом не сжигается дополнительное топливо в водогрейном котле. Разность количества тепла, затраченного на получение электрической мощности N э и тепла Q т , при раздельной и комбинированной их выработке 𝛥𝑄 = 𝑄 разд − 𝑄 комб = (1 𝜂 пту ⁄ − 1) 𝜒𝑄 т 𝜂 к ⁄ , (3.3) где 𝜒 = 𝑁 э 𝑄 т ⁄ - выработка электроэнергии на тепловом потреблении. Тогда 𝛥𝑄 = 𝛥𝐵 т 𝑄 сг , где 𝛥𝐵 т – экономия топлива, а 𝑄 сг – его теплота сгорания, то экономия топлива при комбинированной выработке тепла и электроэнергии по сравнению с раздельной составит 𝛥𝐵 т = 1 𝑄 сг ⁄ (1 𝜂 пту ⁄ − 1) 𝜒𝑄 т 𝜂 к ⁄ . (3.4) Так как 𝜂 пту < 1, то всегда 𝛥𝐵 т > 0, то есть при теплофикации всегда возникает экономия топлива. Физическая причина экономии топлива очевидна: теплота конденсации пара, покидающего паровую турбину, отдается не охлаждающей воде конденсатора, а тепловому потребителю. На рис. 3.6,б показана простейшая теплофикационная ПТУ, которая позволяет легко понять преимущество комбинированной выработки. Однако она имеет существенный недостаток: с ее помощью нельзя произвольно изменять соотношение между электрической и тепловой мощностью. Изменение любой из них приведет к автоматическому изменению другой величины и не всегда в соответствии с требованиями потребителя. Чаще всего ПТУ такого типа используют там, где требуется изменение по определенному графику только одного параметра, обычно тепловой нагрузки, а второй параметр мощность, буде такой, какой получится. Для того, чтобы исключить такой недостаток, теплофикационную турбину выполняют с регулируемым отбором пара в конце процесса расширения (рис. 3.7). С помощью регулирующих клапанов РК-1 и РК-2 соответственно перед ЦВД и ЦНД можно в широких пределах изменять электрическую мощность и отпуск тепла. Если клапан РК-2 закрыть полностью и направить весь поступивший в турбину пар в сетевой подогреватель, то турбина будет работать как турбина с противодавлением и выгода от теплофикации будет максимальной. Так обычно работают теплофикационные турбины зимой, когда требуется много тепла. Если наоборот открыт клапан РК-2 и закрыть поток сетевой воды через сетевой подогреватель турбина будет работать как конденсационная с максимальной потерей тепла в конденсаторе. Так обычно работают теплофикационные турбины летом. Таким образом, теплофикация всегда приводит к экономии топлива, которая в масштабах всей России оценивается примерно 15 %. Однако при этом следует помнить, что пар, идущий в сетевой подогреватель, вырабатывается энергетическим котлом, а не простым водогрейным котлом. Для транспортировки пара нужны паропроводы большего диаметра на высокие параметры, иногда сверхкритические параметры пара. Теплофикационная турбина и ее эксплуатация существенно сложнее, чем конденсационная. В конденсационном режиме теплофикационная турбина работает менее экономично, чем конденсационная. Рис. 3.7. Схема отопительной ТЭЦ с теплофикационной турбиной: 1-энергетический котел; 2-сетевой подогреватель; 3-конденсатор; 4-потребитель тепла; 5-сетевой насос; 6-конденсатный насос; 7-питательный насос Это приводит к тому, что экономически целесообразно оказывается иметь в системе электро- и централизованного теплоснабжения и ТЭЦ, и котельные, и конденсационные электростанции. При этом нужно иметь ввиду, что часть структуры этих систем складывается исторически, с предварительным вводом котельных. которые в дальнейшем играют роль резервных источников тепла. В качестве примера рассмотрим структуру тепло- и электроснабжения Москвы. Источниками тепло- и электроснабжения города Москвы являются ТЭС ПАО «Мосэнерго» . В составе ПАО «Мосэнерго» работают 15 электростанций установленной электрической мощностью 12,6 тыс. МВт. Также в составе «Мосэнерго» функционируют районные и квартальные тепловые станции, районные станции теплоэлектроснабжения. Установленная тепловая мощность компании — 44,1 тыс. Гкал/ч. Электростанции ПАО «Мосэнерго» поставляют свыше 50% электрической энергии, потребляемой в Московском регионе, и обеспечивают около 90% потребностей Москвы в тепловой энергии. 3.4. Показатели тепловой экономичности работы ТЭЦ Одним из таких показателей является коэффициент полезного использования теплоты топлива. Если у конденсационных ТЭС он не превышает 40 %, то для ТЭЦ он может достигать 85 % (15 % составляют потери с уходящими газами энергетических и водогрейных котлов, с конденсацией той части пара, которая проходит в конденсатор, а также собственные нужды). Другим показателем является 𝜒 = 𝑁 э 𝑄 т ⁄ - выработка электрической энергии на тепловом потреблении. На практике и в отчетной документации используются также два удельный расход условного топлива на отпущенную электрическую энергию b y э , г/(кВт×ч) и удельный расход топлива на производства тепла b y т , кг/Гкал. Для ТЭЦ b y т =(150÷170) кг/Гкал. 3.5. Технологический процесс преобразования химической энергии топлива в электроэнергию на современной теплоэлектроцентрали Технология производства электроэнергии на конденсационной ТЭС и теплоэлектроцентрали (далее-ТЭЦ) практически не отличаются, поэтому в этой части работа станций совпадает. Когда ТЭЦ не отпускает тепло (например, летом) она работает как конденсационная ТЭС. Главное отличие ТЭЦ от конденсационной ТЭС состоит в наличии на ТЭЦ теплофикационной сетевой установки. Остывшая в теплоприемниках тепловой сети обратная сетевая вода поступает к сетевым насосам I подъема. Насосы повышают давление сетевой воды, исключая ее закипание при нагреве в сетевых подогревателях и обеспечивая ее прокачку через сетевые подогреватели. Сетевым насосом I подъема сетевая вода последовательно прокачивается через трубную систему сетевых подогревателей 1 и 2 ступени. Нагрев сетевой воды в них осуществляется теплотой конденсации пара, отбираемого из двух отборов паровой турбины. Отбор пара осуществляется при таких давлениях, чтобы температура его конденсации в сетевом подогревателе была достаточна для нагрева сетевой воды. Далее сетевыми насосами II подъема сетевая вода подается в пиковый водогрейный котел (далее - ПВК). Для нагрева сетевой воды в ПВК в него от газорегуляторного пункта (далее - ГРП) подается газ, а от дутьевого вентилятора ДВ – воздух. Второе существенное отличие турбоустановки отопительной ТЭЦ от конденсационной ТЭС состоит в использовании не конденсационной, а теплофикационной паровой турбины – турбины, позволяющей выполнять большие регулируемые отборы пара на сетевые подогреватели, регулируя их давление (т.е. нагрев сетевой воды и ее расход). Контрольные вопросы 1. Как осуществляется централизованное теплоснабжение? 2.Какая разница между прямой и обратной сетевой водой? 3. Как устроен водогрейный котел? 4.Что такое теплофикация? 5.Как устроены тепловые сети? 6.В чем преимущество комбинированной выработки электроэнергии и тепла перед раздельной? 7.Как работает отопительная ТЭЦ? 8.Назовите показатели, которыми характеризуется экономичность работы ТЭЦ? 9.Что такое выработка электрической энергии на тепловом потреблении? 10. Назовите КПД котла. Литература для самостоятельного изучения 1. Основы современной энергетики / под редакцией А.Д. Трухния. М. Издательский дом МЭИ.2010. с.54-70. |