Значення ηес в основному визначається величиною ηету, значення ηтс – величиною ηпк

Тема: Теплофікаційні цикли та економічність ТЕЦ

Мета роботи: вивчити показники економічності ТЕЦ і дослідити їх структуру.

Завдання №1

Який основний недолік КЕС? Яким чином він усувається при використанні спільного виробництва теплоти і електроенергії на ТЕЦ? Поясніть це. Зобразіть і поясніть робочий процес турбіни з відборами пари та конденсацією на "h-s" діаграмі.

Виконання завдання:

Недоліком КЕС є малий коефіцієнт використання тепла (h_Q<0,45), яке отримує робоче тіло у паровому котлі (ПК). При внутрішньому ККД ПТУ біля 40% ( ) та загальностанційних втратах тепла 10-13 %, враховуючи 5-8 % втрат у ПК, приходимо до величини коефіцієнта перетворення тепла в електричну енергію

,

h_с^е – електричний ККД ТЕС; n_втр. – коефіцієнт загальностанційних втрат.

Отже лише 35 % початкової енергії палива перетворюється у електроенергію, а 65 % розсіюється у вигляді втрат тепла у довкілля, у т.ч. в конденсаторі (45-50%). На КЕС коефіцієнт використання тепла рівний електричному брутто ККД

, (5.1)

Q_К –корисна частина тепла (ця, що перетворюється у електроенергію); Е - електрична потужність, що генерується з теплоти ; В – витрата палива; - нижча теплота згоряння палива.

Щоб утилізувати хоча б частину теплоти , яка становить 60 – 65% від теплоти згорання палива, застосовують теплофікаційні цикли паротурбінних установок (комбіноване виробництво тепла і електроенергії).

Для реалізації теплофікаційних циклів використовують теплофікаційні турбіни. У таких турбінах потік пари ділиться на два потоки.

Перший потік проходить через всю проточну частину турбіни, виконуючи максимальну роботу, і скидається в КТ, тиск у якому рівний (0.003 - 0.007)МПа, тобто (93-97)% вакууму. Електроенергію, що виробляється цим потоком, називають виробленою за конденсаційним циклом.

Другий потік у процесі розширення забирається з турбіни у проміжній точці її проточної частини (точка відбору), а його залишкова енергія використовується для побутових чи промислових потреб. Цей потік в турбіні теж виконує роботу, яка перетворюється в електроенергію, проте вона для 1 кг пари завжди менша ніж робота, що виконується першим потоком. Електроенергія, яка вироблена цим потоком, називається виробленою за теплофікаційним циклом.

Що стосується теплоти відібраної з турбіни, то вона практично повністю використовується споживачами. Тому економічність спільного виробництва електроенергії та тепла завжди вища, ніж окремо електроенергії, саме на частину енергії другого потоку, яка уникла розсіювання в КТ.

Завдання №2

Поясніть і запишіть формули для ККД з відпуску і виробництва теплоти і електроенергії на ТЕЦ. Запишіть рівняння теплового балансу теплофікаційної турбіни. Опишіть його, використовуючи дані "h-s" діаграми робочого процесу. Поясніть структуру теплового та електричного ККД ТЕЦ.

Виконання завдання:

На ТЕЦ розрізняють два ККД:

1. З виробництва і відпуску електричної енергії (з розрахунку за 1 год.),

; (5.2)

;

2. З виробництва і відпуску теплоти,

; , (5.3)

Q^т_ту = Q_т – затрата теплоти на зовнішнього споживача; Q⁰_т – теплота, відпущена споживачу з ТЕЦ; η_т – ККД відпуску теплоти турбінною установкою, в якому враховують втрати теплоти при її відпуску (у мережних підігрівачах, паропроводах ТЕЦ і т.п.); η_т = 0.98 ÷ 0.99.

Загальна витрата теплоти на турбоустановку Q_ту складається з теплового еквівалента внутрішньої потужності турбіни 3600N_в, витрати теплоти на зовнішнього споживача Q_т і втрати теплоти у конденсаторі турбіни Q_к. Рівняння теплового балансу теплофікаційної турбоустановки має вигляд:

. (5.4)

На території СНД прийнято фізичний метод розподілу витрати теплоти між електричною і тепловою енергіями. На теплового споживача відносять дійсну кількість теплоти, яка затрачається на нього, а на електричну енергію – всю теплоту, що залишається після виділення першої,

;

. (5.5)

Загалом, з урахуванням ККД парового котла η_пк і ККД транспортування теплоти η_тр, для електричного та теплового ККД станції η^е_с, η^т_с маємо

; (5.6)

.

Значення ηес в основному визначається величиною ηету, значення ηтс – величиною ηпк.

Виробіток електроенергії разом з використанням частково відпрацьованої теплоти ПТУ суттєво підвищує ККД з виробництва електроенергії на ТЕЦ порівняно з КЕС і супроводжується значною економією палива. Ця економія пояснюється тим, що частина теплоти, яка в конденсаційному режимі виготовлення електроенергії була б розсіяна через конденсатор в оточенні, подається споживачам і витрачається корисно. Ясно, що чим більша частка відбору пари для подачі споживачам, тим вищий коефіцієнт використання тепла, що виділяється при спалюванні палива.

Завдання №3

Запишіть і поясніть вираз для балансу витрати пари на ТЕЦ. Який фізичний зміст коефіцієнта недовиробітку потужності? Опишіть його, використовуючи дані "h-s" діаграми робочого процесу. Як залежить зменшення витрати пари через конденсатор турбіни від її теплофікаційного навантаження та від коефіцієнта недовиробітку потужності?

Виконання завдання:

На ТЕЦ в СНД переважно застосовують теплофікаційні турбіни (марки Т) з регульованими відборами та з конденсацією пари. Такі турбіни універсальні, забезпечують різноманітні режими виробітку електричної енергії та теплоти.

Витрату пари на теплофікаційну турбіну визначають, порівнюючи її з витратою пари на турбіну типу К з такими ж параметрами див. рис. 5.1,

. (5.7)

При тепловому відборі пари з турбіни величиною D_т, її внутрішня потужність знижується на величину D_т·(h_т – h_к), де h_т і h_к - ентальпії пари у відборі і на вході в конденсатор. Для відновлення потужності турбіни до початкової N_е необхідно збільшити витрату свіжої пари на турбіну на величину, яка визначається співвідношенням

, (5.8)

звідси додаткова витрата пари, яка вирівнює електричні потужності,

. (5.9)

Комбінуючи (5.7) та (5.9), отримуємо збільшену витрату пари на турбіну з відбором і конденсацією, але з електричною потужністю, що рівна базовій конденсаційній турбіні

. (5.10)

Якщо ввести коефіцієнт недовиробітку потужності парою відбору

, (5.11)

то витрату пари на Т турбіну з відбором і конденсацією можна представити так:

. (5.12)

Відповідно до (5.11), коефіцієнт недовиробітку потужності характеризує частку невідпрацьованого теплоперепаду пари, яка іде у відбір, див. рис. 5.1.

Коефіцієнт недовиробітку у_т змінюється у межах 0 ≤ у_т ≤ 1; у_т = 0 при h_т = h_к, тобто при подачі у конденсатор всієї відпрацьованої у турбіні пари (чисто конденсаційний режим); у_т = 1 при h_т = h₀, тобто при відборі всієї свіжої пари (пара не працювалау турбіні). Переважно у_т = 0.3 ÷ 0.7, а в середньому у_т = 0.5. Якщо D_т = 0, то D₀ = D_0,к і витрата пари відповідає конденсаційному режиму без відбору з параметрами, що відповідають теплофікаційному режиму.

Завдання №4

Як зв’язані між собою витрати теплоти і пари на теплового споживача? Поясніть зв'язок між електричною потужністю та теплотою відпущеною споживачам, для турбіни типу Р. Що таке питомий виробіток електроенергії щодо теплового споживання? У яких одиницях він вимірюється?

Виконання завдання:

Турбіни з відбором і конденсацією пари фактично є турбінами змішаного теплофікаційно-конденсаційного типу. Повністю комбіноване виробництво електричної енергії і теплоти здійснюється у теплофікаційних турбінах типу Р з протитиском.

Загальний тепловий баланс теплофікаційної турбіни типу Р (без втрат у конденсаторі Q_к = 0) має вигляд

,

N_в - тепловий еквівалент внутрішньої потужності турбіни; Q_т – затрата теплоти на зовнішнього споживача.

Основною властивістю турбоагрегату з протитиском є залежність виробітку електричної потужності N_е від пропуску пари через турбіну, тобто від витрати теплоти Q_т і пари D_т на теплового споживача,

. (5.16)

Ця властивість турбоагрегатів з протитиском обмежує їх застосування на ТЕЦ через те, що зменшення споживання пари D_тодночасно зменшує виробіток електричної енергії, див. (5.16) та (5.16а).

Витрати теплоти і пари на теплового споживача зв’язані рівнянням

, (5.17)

h_зк – ентальпія зворотного конденсату; вважається, що споживач повністю повертає конденсат.

Підставляючи в енергетичне рівняння турбіни Р з протитиском (5.16) величину D_т виражену з (5.17) через Q_т, отримуємо зв’язок між електричною потужністю такої турбіни N_е і витратою теплоти на зовнішнього споживача Q_т

, (5.16а)

Q_т вимірюється у ГДж/год. З цього співвідношення визначають важливий енергетичний показник – питомий виробіток електроенергії стосовно теплового споживання, кВт·год/ГДж

. (5.18)

Цей показник характеризує відношення теплоперепаду пари у турбіні, що затрачається на виробіток електроенергії, до теплоти, яка віддається відпрацьованою парою зовнішньому споживачу.

Залежно від параметрів пари е_т = 50-10 кВт·год/ ГДж.

Цей показник можна також застосовувати до пари відбору в турбіні з відбором і конденсацією.

Завдання №5

Запишіть рівняння теплового балансу теплофікаційної турбіни, використовуючи поняття коефіцієнта цінності теплоти пари відбору. Запишіть і поясніть вираз для зменшення витрати теплоти на генерацію електроенергії в турбінах типу Т порівняно з К. Чому в турбінах типу Р ККД ПТУ з виробництва електроенергії близький до одиниці?

Виконання завдання:

Витрата теплоти на теплофікаційну турбіну типу Т без проміжного перегріву пари при конденсаційному режимі дається виразом

.

Повна витрата теплоти на теплофікаційну турбоустановку з конденсацією і відбором пари, порівняйте з (5.12),

. (5.19)

Підставивши , отримаємо

; , (5.20)

ξ_Т - коефіцієнт цінності теплоти пари відбору і який змінюється у межах від 1 для свіжої пари до 0 для пари на виході з турбіни (перед конденсатором).

Коефіцієнт ξ_т характеризує потенціал працездатності пари відбору, а також визначає відносне збільшення повної витрати теплоти на турбоустановку на одиницю кількості теплоти, яка віддається порівняно з конденсаційною витратоюQ_т ^к,

. (5.21)

Відповідно до фізичного методу розподілу теплоти між електричною і тепловою енергіями, витрата теплоти на виробництво електроенергії дорівнює

. (5.22)

Зі збільшенням віддачі теплоти Q_т споживачам повна витрата теплоти Q_ту зростає, а витрата теплоти на виробництво електроенергії зменшується, що супроводжується зменшенням втрат теплоти в конденсаторі турбіни. Це випливає із зіставлення рівнянь загального балансу теплоти турбін Т і К

; . Різниця ΔQ_ту = Q_ту^к – Q_ту^е рівна

Q_к^к – Q_к = ΔQ_к, тобто різниця витрат теплоти на виробництво електроенергії в К і Т турбінах рівна зменшенню втрати теплоти в конденсаторі турбіни. Враховуючи (5.14а), можемо записати

,

q_к = h_к - h'_к. (5.23)

Значення ΔQ_ту = ΔQ_к тим більше, чим більший відбір пари D_т і чим менші коефіцієнти у_т і ξ_т, тобто чим більший виробіток електроенергії парою відбору.

Для турбін Р з протитиском Q_к = 0 і ККД з виробництва електроенергії

. (5.24)

Для турбоагрегату без механічних і електричних втрат η_ту^е = 1, тобто все тепло, яке спрацювало в турбіні, перетворюється в електроенергію.

Суперечності з ІІ началом термодинаміки тут немає, оскільки це тепло є лише частиною тепла, що містилося у парі, поданій на турбіну. Більша його частина через відбір буде в кінцевому етапі розсіяна в довкіллі. У цьому розумінні відбір виконує роль конденсатора.

Порівняння ККД з виробництва електроенергії турбінами типу Т і К доцільно виконати, користуючись методом енергетичних коефіцієнтів. ККД з виробництва електроенергії турбіною типу Т

. (5.25)

Прийнято, що η_м∙η_т = 1, тобто внутрішня потужність турбіни N_в = N_к + N_т; Q_ту^к – витрата теплоти на конденсаційний потік пари D_к. Позначивши А_т = N_т/N_к – енергетичний коефіцієнт пари відбору, що дорівнює відношенню потужностей пари відбору і конденсаційного потоку, з (5.25) отримуємо,

. (5.26)

η_ту^к = N_к/Q_ту^к – ККД конденсаційної турбоустановки при витраті на неї теплоти Q_ту^к = D_к·(h₀ – h_к'). Очевидно, що

, (5.27)