Способы производства электрической и тепловой энергии

Наиболее распространенным типом тепловых электростанций явля­ются паротурбинные электростанции. На современных тепловых элек­тростанциях превращение тепла в работу осуществляется большей ча­стью в циклах, в которых основным рабочим теплом является водяной пар высоких давлений и температур. Водяной пар получают с по­мощью парогенераторов, в топках которых сжигают разные виды топ­лива. Тепловая энергия преобразуется в механическую работу в па­ротурбинных установках по термодинамическому циклу, предложенному в середине XIX в. шотландским инженером и физиком У. Рен-киным, а также немецким физиком Р. Клаузиусом. К основным термо­динамическим процессам относятся изобарный — при постоянном давлении, изохорный — при постоянном объеме, изотермический — при постоянной температуре, адиабатный — при постоянной энтро­пии.

Принципиальная тепловая схема электростанции, работа которой основана на цикле Ренкина, показана на рис. 1.2, а. На рис. 1.3

цикл Ренкина изображен на Т-5-диаграмме, где по оси ординат отложена температу­ра Т, а по оси абсцисс—удель­ная энтропия S, ДжУ(кг-К). С помощью питательного насоса ПН (рис. 1.2, а) вода сжимается и подается в па­рогенератор ПГ, в котором вода подогревается и превра­щается в водяной пар. В па­роперегревателе ЯД пар по­двергается перегреву. Пере­гретый пар, поступая затем в паровую турбину ПТ, при­водит в движение вращающу­юся часть —ротор, соединен­ный с ротором генератора электрической энергии Г. Из паровой турбины пар выходит конденсация пара. Конденсат пара поступает в питатель­ный насос ПН.

Конденсация пара проис­ходит по изобаре р₂—const (линия 23 на рис. 1.3). Сжатие воды питательным на­сосом от давления р₂ до давления р_г является адиа­батным процессом, изобра­женным весьма малым от­резком 35, что свидетельствует о малой работе, которая затра­чивается насосом для сжатия воды., К воде в парогенераторе при изобарном процессе p^const подводится тепло: сначала вода нагревается до кипения (участок 54), затем происходит парообразо­вание (участок 46) и перегрев водяного пара (участок 61) изобары p₁ = const. Перегретый пар поступает в турбину, в которой происхо­дит адиабатический процесс расширения пара (адиабата 12). Отра­ботанный пар направляется в конденсатор, и цикл замыкается. Коли­чество тепла, подведенного к рабочему телу в цикле (qj), соответствует площади а.354 612ва на Г-5-диаграмме. Тепло, отведенное в цик­ле (92). изображено площадью а32ва. Работа цикла эквивалентна площади 3546 123.

Термический коэффициент полезного действия (к.п.д.) цикла

(1.5)

где i₁, i₂, i₃, i₅ —удельные энтальпии (удельные количества тепло­ты) рабочего тела, Дж/кг, равные суммам внутренней энергии систе­мы u и произведениям давления системы р на объем системы V; для k-u точки цикла

i_n=u_k+p_hV_k (1-6)

— теоретическая работа сжатия в цикле, совершаемая пи­тательным насосом

(1.7)

где V_b — удельный объем воды, м³/кг.

Термический к.п.д. можно также определить из уравнения:

(1.8)

где Т₂ — температура для точки 2 цикла, К; S_r и S₃ — энтропии для точек 1 и 3 цикла, Дж/(кг- К).

На рис. 1.4, а цикл Ренкина изображен на i-S-диаграмме, на ко­торой по оси ординат отложена энтальпия i, Дж/кг, а по оси абсцисс энтропия S, Дж/(кг-К). Расстояние между точками 1 и 2 соответст­вует работе турбины, между точками 5 и 3 — работе в насосе, между точками 1,6,4 и 5 тепла q₁, подводимому в цикле, а между точками 2 и 3 — теплу q₂, отводимому в цикле i-S-диаграмма водяного пара приведена на рис. 1.4, б.

К.п.д. паротурбинной установки тем выше, чем больше давление и температура поступающего в турбину пара и глубже вакуум в кон­денсаторе. Вакуум в конденсаторах турбин достигает 95—97%, что соответствует давлению отработавшего пара 0,0049 — 0,0029 МПа. Последующее повышение вакуума возможно лишь в небольших пре­делах, связано с необходимостью дополнительного увеличения ко­личества охлаждающей воды и экономически нецелесообразно.

Увеличение начальных параметров, т. е. давления и температуры подводимого к турбине так называемого «острого» пара, также огра­ничено в связи с трудностью создания дешевых материалов, способ­ных работать при таких параметрах пара, а также вследствие возни­кающих при этом затруднениях в организации внутри котловых процессов и водного режима котлов.

При критических параметрах воды, т. е. при критическом давле­нии 22 МПа и критической температуре Т_к = 647,3 К, энтальпия жидкости составляет около 2090 кДж/кг и нет различия между водой и паром. Принципиальная технологическая цепь изменений энергии на электростанции на основе изложенного (см. рис, 1.2) состоит из трех основных процессов:

1) превращение энергии, содержащейся в топливе, в энергию ра­бочего тепла водяного пара; агрегатом, в котором происходит про­цесс, является паровой котел или парогенератор (его к.п.д. -90—
-95%);

2) превращение энергии рабочего тепла пара в кинетическую энер­гию вращения ротора турбины; при этом процессе рабочий агрегат — паровая турбина. У конденсационных турбин пар проходит через проточную часть и выходит в конденсатор, охлаждаемый цир­куляционной водой, нагреваемой при этом на 7—12°. Пар конден­сируется и превращается в конденсат, который с помощью питатель­ного насоса вновь направляется в паровой котел. Нагретая цирку­ляционная вода направляется в водоемы или охладители. Ее тепло не используется, в связи с чем к.п.д. турбины обычно не превышает
35—43%. На теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) весь пар или часть его после турбины либо нагретая при ухудшенном вакууме в конденса­торе вода, либо пар из отбора турбины направляются для использо­вания на нужды бытовые или промышленности;

3) превращение кинетической энергии вращающегося вала тур­бины в электрическую энергию.

Агрегатом, в котором происходит превращение, является генера­тор с к.п.д. 98,5—99%. Наиболее удобны с термодинамической и эк­сплуатационной точек зрения рабочие тела теплосиловых установок с достаточно низкой теплоемкостью в жидкой фазе и с не слишком низким значением давления в конденсаторе, обеспечивающие высо­кое значение к.п.д. при не очень высоком давлении пара, и недоро­гие. Вода имеет, однако, довольно высокую теплоемкость в жидкой фазе, хотя и характеризуется не слишком низким значением давления в конденсаторе. Средняя температура подвода тепла в пароводяном
цикле не очень высока даже при использовании пара высокого дав­ления. Поэтому вода может быть удачно применена в низкотемпера­турной части цикла.

Рабочих тел без недостатков, способных обеспечить предъявляемые к ним требования во всем температурном интервале цикла, нет, ( поэтому были предложены так называемые бинарные циклы с исполь­зованием комбинации двух рабочих тел. При их осуществлении верхняя часть цикла отражает работу ртути или других высококипящих веществ. Тепло, которое отводится при их конденсации, используют для парообразования низкокипящего вещества, например воды. В США для работы по бинарному циклу была построена электростан­ция Кирни. Парортутные и другие бинарные циклы ввиду сложности соответствующих установок распространения не получили.

Способы производства электрической и тепловой энергий подраз­деляются на раздельный — электростанция и котельные (см. рис. 1.2, б) и комбинированный— теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). При раздельном способе электроэнергию вырабатывают элек­тростанции, а тепловую энергию —котельные. При комбинированном способе электрическая и тепловая энергии вырабатываются на ТЭЦ. Общий к.п.д. на конденсационных тепловых электростанциях не пре­вышает 30—37%. На теплоэлектроцентралях он может достигать 80% и более.

К недостаткам ТЭЦ относятся:

1) меньшая, по сравнению с конденсационными электростанциями, единичная мощность агрегатов и более высокая стоимость одного ус­тановленного киловатта (на конденсационных электростанциях в 1975 г. она была равна в среднем 135—140 руб/кВт, а на ТЭЦ — 170—270 руб/кВт); более высокие удельные (на один установленный киловатт) расходы строительных материалов и дефицитного оборудо­вания (кабеля, приборов, трубопроводов и т. п.);

2) ограниченный радиус транспортировки тепла. К наибольшим по протяженности относится теплофикационная магистраль СУГРЭС (г. Свердловск) длиной 28 км;

3) большая масса теплофикационных трубопроводов по сравнению с трубопроводами для транспортировки энергетически эквивалентных количеств газа.

В дальнейшем возможно более широкое применение электриче­ских бытовых установок, которые имеют ряд гигиенических и других преимуществ.

В настоящее время, за исключением отдаленных районов и осо­бых случаев, не устанавливаются турбоагрегаты мощностью менее 50 МВт, включая ТЭЦ. ТЭЦ сооружают при наличии тепловых на­грузок свыше 350 МВт, а при небольших тепловых нагрузках до 230 МВт при дешевом топливе ТЭЦ не сооружают, и строят районные и промышленные отопительные котельные. При суммарных тепловых нагрузках 230—350 МВт вопрос о выборе схемы теплоснабжения ре­шают на основе инженерно-экономических расчетов.

На тепловых электростанциях устанавливаются турбоагрегаты различных типов. Для повышения к.п.д. турбинных установок в многоцилиндровых турбинах пар после одного или двух цилиндров на­правляется на дополнительный промежуточный перегрев в котел. Некоторые зарубежные установки имеют двойной промежуточный пе­регрев пара. При наличии промежуточного перегрева пара эконо­мичность теплосиловой установки растет за счет увеличения средней температуры подвода тепла (рис. 1.5). Термический к.п.д. цикла с промежуточным перегревом:

где i₇ и i₈ — соответственно энтальпии тара в начале и в конце про­межуточного перегрева; i₉ — энтальпия влажного пара на входе в конденсатор.

Для целей теплофикации применяют теплофикационные турбины с отборами пара; они имеют один, два или более отборов пара (рис. 1.6, а). Отборы низкого давления до 0,1—0,5 МПа (номинальное значение часто равно 0,12 МПа) используются для отопительных установок. Отборы более высоких давлений 0,5—1,0 МПа (иногда до 1,6 МПа и выше) используются для промышленных нужд. Турбины с противодавлением (рис. 1.6, б) конденсаторов не имеют; пар из этих турбин направляется для нужд теплофикации.

Турбины с ухудшенным ваку­умом отдают тепло для нужд теп­лофикации с нагретой до 50—60°С (или до более высокой температу­ры) циркуляционной водой; при этом разрежение в конденсаторе невелико.