Теплофикационные циклы ПТУ

Цикл ПТУ, предназначенный для отпуска тепловой и электрической энергии, называется теплофикационным.

Целесообразность отпуска тепловой энергии в ПТУ можно продемонстрировать на примере цикла противодавленческой теплофикационной ПТУ (рис.7.39).

Название «противодавленческая» турбина получила в связи с тем, что давление пара на выходе из нее определяется потребностями теплового потребителя (ТП). Тепловым потребителем может быть система горячего водоснабжения, отопления или технологический процесс. Температура теплоносителя в виде воды и пара для таких потребителей обычно больше или равна 100 ^оС. Такую температуру должен обеспечивать водяной теплоноситель с давлением больше, чем 1 бар. Это давление и должно соответствовать давлению пара на выходе из турбины. В конденсационных турбинах давление пара на выходе из турбины составляет 0,003–0,006 бар, что намного меньше давления 1 бар (рис.7.40). В связи с этим и появилось название «противодавленческие» турбины.

Тепловую эффективность таких циклов характеризует коэффициент использования теплоты

, (7.66)

где Q_ТП=D_тп(h_тп-ct_кТП) – теплота, отпущенная ПТУ тепловому потребителю.

В данном цикле расход пара на турбину D равен D_тп, а коэффициент использования теплоты равен единице

.

С точки зрения эффективности использования теплоты, подведенной к рабочему телу ПТУ, это идеальный цикл. Однако коэффициент использования теплоты не может оценить эффективность выработки электрической мощности в данном цикле. Этот коэффициент всегда равен единице в противодавленческой ПТУ не зависимо от необратимости процесса расширения пара в турбине (при любых значениях h_oi турбины). Например, если пар после котла сдросселировать от давления Р_о до давления теплового потребителя Р_кТП в дроссельном клапане, мощность турбины будет равна нулю, а коэффициент использования Q останется равным единице.

Для оценки эффективности выработки электрической мощности в теплофикационных ПТУ используется коэффициент выработки электроэнергии на тепловом потреблении

, (7.67)

где W_ТП=D_тп(h_o- h_тп) – мощность, выработанная в турбине потоком пара, идущим на тепловой потребитель.

Всегда желательно, чтобы коэффициент выработки электроэнергии на тепловом потреблении был как можно больше, т.к. поток пара, идущий на тепловой потребитель, вырабатывает электрическую мощность без тепловых потерь в конденсаторе турбины. Этот коэф. частично учитывает влияние начальных пар-ров пара перед турбиной и необратимость адиабатного расширения пара в турбине.

Однако ни коэффициент выработки электроэнергии на тепловом потреблении е, ни коэффициент использования теплоты h_Q, ни внутренний абсолютный КПД ПТУ h_i не могут все месте объективно оценить экономичность теплофикационных ПТУ. Данная задача выходит за пределы технической термодинамики и решается методами технико-экономических расчетов.

Противодавленческие ПТУ, имея наибольшую тепловую экономичность, обладают недостатками. В этих ПТУ тепловой потребитель диктует выработку электрической мощности. Он определяет давление пара на выходе из турбины, а при отключении теплового потребителя необходимо прекращать и выработку эл. энергии. Такие турбины не могут менять электрическую мощность и участвовать в регулировании электрической мощности энергосистемы. Поэтому противодавленческие турбины имеют ограниченное применение и используются там, где есть стабильный круглогодичный тепловой потребитель (химкомбинаты, нефтеперегонные заводы).

Недостатки противодавленческих турбин отсутствуют у теплофикационных ПТУ с отборами пара на тепловой потребитель. В таких ПТУ имеются конденсатор, система регенерации и может быть вторичный перегрев пара.

В качестве примера такой теплофикационной ПТУ рассмотрим цикл ПТУ с вторичным перегревом пара, имеющим два отбора пара из турбины: один – на смешивающий регенеративный подогреватель, а другой – на тепловой потребитель (рис. 7.40).

Цикл этой ПТУ в h,s- диаграмме показан на рис. 7.41. Работа, затраченная на сжатие воды в насосах, не учитывается при расчете и изображении этого цикла ПТУ, поэтому условно считаем, что изобары в области жидкости совпадают с линией х=0.

Основные обозначения параметров рабочего тела данного теплофикационного цикла ПТУ:

Р_о, t_o, h_o – давление, температура и энтальпия пара перед ЧВД турбины (точка 1);

Р_вп, h_впi’ – давление и энтальпия пара на выходе из ЧВД турбины или на входе в ВПП (точка 2);

Р_вп, t_вп h_впi” – давление, температура и энтальпия на выходе из ВПП или на входе в ЧНД турбины (точка 3);

Р_к, h_кi – давление и энтальпия на выходе из ЧНД турбины (точка 4);

Р_тп, h_тпi – давление и энтальпия отбора пара ПТУ на тепловой потребитель;

Р₁, h_1i – давление и энтальпия отбора пара ПТУ на спешивающий регенеративный подогреватель;

ct_к’ – энтальпия воды в состоянии насыщения на выходе из конденсатора турбины (точка 5);

ct₁’ – энтальпия воды в состоянии насыщения на выходе из подогревателя П₁ (точка 6);

ct_кТП – энтальпия воды, возвращающейся от теплового потребителя в цикл ПТУ;

ct_см – энтальпия воды после узла смешения (точка 7);

ct_пв = ct_см – энтальпия питательной воды на входе в паровой котел, она равна энтальпии смеси, т.к. работа сжатия воды в насосах не учитывается в данном расчете.

 

 

 

7.7.1. Методика расчета теплофикационного цикла ПТУ

 

Рассмотрим расчет теплофикационной ПТУ на примере схемы и ее цикла, приведенных на рис. 7.40 и 7.41.

В качестве исходных данных примем следующие величины: параметры рабочего тела ПТУ; Р_о, t_o, – давление и температура пара перед турбиной; Р_вп, t_вп – давление и температура пара на выходе из ВПП; Р_к, – давление в конденсаторе турбины; Р_тп, Р₁ – давления отборов пара ПТУ на тепловой потребитель и на спешивающий регенеративный подогреватель; t_ктп – температура возврата конденсата от теплового потребителя; h_oi^чвд и h_oi^чнд – внутренние относительные КПД ЧВД и ЧНД турбины; D – расход пара на турбину; Q_тп – количество теплоты, отпускаемой потребителю.

Цель расчета – определение внутренней мощности турбины N_i, внутреннего абсолютного КПД ПТУ h_i, КПД использования теплоты топлива h_Q и коэффициента выработки электроэнергии на тепловом потреблении е. Работу насосов в расчетах учитывать не будем.

 

Определение основных параметров воды и водяного пара

 

Для расчета ПТУ определяются значения энтальпий воды и водяного пара в следующих точках ее цикла (рис. 7.41):

точка 1 – энтальпия h_o и энтропия s_o определяются по давлению Р_о и температуре t_o пара перед турбиной;

точка 2 – энтальпия h_впi’ рассчитывается как

,

где h_вп’ определяется по обратимому процессу ЧВД турбины при давлении Р_вп и энтропии s_o;

точка 3 – энтальпия h_вп’’ энтропия s_вп определяются по давлению и температуре пара на выходе из ВПП Р_вп, t_вп;

точка 4 и отборы пара из турбины энтальпии: h_кi, h_тпi, h_1i рассчитываются по формулам

;

;

,

где h_к, h_тп, h₁ – энтальпии обратимого процесса ЧНД турбины, определяются по энтропии s_вп и давлениям Р_к, Р_тп, Р₁ соответственно;

точка 5 – энтальпия воды в состоянии насыщения ct_к’, определяется по давлению Р_к;

точка 6 – энтальпия воды в состоянии насыщения ct₁’, определяется по давлению Р₁;

точка 7 – энтальпия воды ct_см, определяется по уравнению смещения потоков после определения расходов пара из отборов турбины;

ct_ктп – энтальпия конденсата возвращающегося от теплового потребителя, определяется по давлению Р_тп и температуре t_ктп.

 

Определение расходов пара в элементах ПТУ

 

Расчет теплофикационной ПТУ проще выполняентся с абсолютными, а не относительными расходами рабочего тела.

Расход пара на тепловой потребительиз отбора турбины рассчитывается на основании заданной тепловой мощности потребителя теплоты

. (7.68)

Расход пара на смешивающий регенеративный подогреватель определяется из уравнения смешения потоков (рис.7.42)

;

. (7.69)

Определение энтальпии питательной воды

Энтальпия питательной воды равна энтальпии воды на выходе из смесителя ct_пв=ct_см, т.к. работа насоса в расчете не учитывается.

Энтальпия ct_см определяется из уравнения смешения потоков в смесителе (рис.7.43)

;

. (7.70)

Определение внутренней мощности турбины

Внутренняя мощность турбины определяется как сумма мощностей отсеков турбины с постоянными расходами (аналогично регенеративной ПТУ):

. (7.71)

Показатели тепловой экономичности ПТУ

Внутренний абсолютный КПД теплофикационной ПТУ определяется как

, (7.72)

где Q₁ – теплота, подведенная в цикле ПТУ к рабочему телу.

КПД использования теплоты топливаопределяется как отношение полезной произведенной электрической и тепловой мощности ПТУ к подведенной теплоте

. (7.73)

Коэффициент выработки электрической энергии на тепловом потреблении определяется как отношение мощности турбины, произведенной потоком пара, идущим из отбора на тепловой потребитель, к величине отпущенной потребителю теплоты

. (7.74)