Промышленные источники тепловой энергии

Большая часть тепловой и электрической энергии производится на тепловых электрических станциях (ТЭС) (общего пользования и промышленных) и в централизованных котельных установках. Доля пер­вых из них в производстве тепловой энергии в России составляет 36 %, доля вторых — 46 % [14]. Остальная тепловая энергия производится на автономных источ­никах теплоты, ядерных, геотермальных, солнечных источниках, а также на установках утилизации тепло­ты вторичных энергетических ресурсов (котлы-утили­заторы, теплоутилизационные теплообменники).

Существует несколько способов получения элект­рической и тепловой энергии на тепловых электро­станциях. В соответствии с этими способами энергети­ческие установки электростанций делятся на несколь­ко основных типов:

§ паротурбинные установки;

§ газотурбинные установки;

§ установки парогазового цикла;

§ атомные энергетические установки.

Паротурбинные энергетические установки. Наибо­лее распространенным способом получения электри­ческой энергии является использование кинетической энергии водяного пара высоких параметров (темпе­ратуры и давления). Пар производит механическую работу, вращая лопатки паровой турбины, связанной в единый блок с электрическим генератором. Энергети­ческая установка такого типа носит название паротур­бинной установки. Вода, являющаяся рабочим телом установки, движется в ней по замкнутому контуру, т. е. циклически, меняя свое агрегатное состояние, — ее превращают в пар и вновь конденсируют. Термоди­намический цикл такой установки носит название цикла Ренкина. Схема простейшей паротурбинной установки изображена на рис. 3.1.1.

Рассмотрим работу такой установки. Вода пода­ется конденсатным насосом (КН) в питательный бак (ПБ), в котором сосредотачивается определенный ее запас, необходимый для устойчивой работы станции. Далее питательный насос (ПН) подает воду в котель­ный агрегат (КА), в котором происходит ее испаре­ние. Для того чтобы испарить воду, в котельном агре­гате необходимо сжечь топливо, которым может быть каменный уголь, мазут или природный газ. Могут ис­пользоваться также и другие виды топлива. Получен­ный пар дополнительно подогревают в пароперегре­вателе, чтобы повысить его температуру. Сжатый пар направляется в паровую турбину (Т) и вращает ее, совершая механическую работу. При этом пар рас­ширяется, его температура и давление снижаются. Электрический генератор (Г) превращает механиче­скую энергию вращающейся турбины в электрическую, которая направляется потребителю по электрическим сетям. Наконец, пар попадает в конденсатор (К) — теплообменный аппарат, по трубкам которого цирку­лирует холодная вода. Там пар охлаждается и кон­денсируется, снова превращаясь в воду.

Рис. 3.1.1. Схема простейшей паротурбинной ТЭС:

КА — котельный агрегат;

Т — турбина;

Г — генератор;

К — конденсатор;

КН — конденсатный насос;

ПБ — питательный бак;

ПН — питательный насос;

ПП — пароперегреватель

 

 

Электрическая станция, на которой работает рас­смотренная установка, носит название конденсаци­онной (КЭС), поскольку весь пар, отработанный в тур­бине, направляется в конденсатор. Тепловую энергию такая электростанция не вырабатывает. В противопо­ложность этому тепловые станции, вырабатывающие одновременно тепловую и электрическую энергию, называют ТЭЦ (теплоэлектроцентрали). Процесс од­новременной выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ при использовании для централизо­ванного теплоснабжения пара, отработавшего в па­ровых турбинах называют теплофикацией.

На ТЭЦ часто используются энергетические установки, включающие паровые теплофикационные турбины, из которых производится один или два промежуточ­ных отбора пара. Теплофикационная турбина состоит из двух частей, находящихся на одном валу. Часть турбины между входом и отбором пара называется частью высокого давления (ЧВД), а между отбором и выходом пара — частью низкого давления (ЧНД). Пар из отборов турбины направляется потребителям. Другая часть пара, полностью расширившаяся в ЧНД турбины, охлаждается и превращается в воду в кон­денсаторе. Схема такой установки представлена на рис. 3.1.2.

 

 

Рис. 3.1.2. Схема ТЭЦ:

ЧВД — часть высокого давления турбины; ЧНД — часть низкого давления турбины; ТП — тепловой потребитель; ПБ — питательный бак; НОК — насос обратного конденсата; РО — регулирующий орган

 

 

Рис. 3.1.3. Принципиальная схема ГТУ:

К — компрессор; КС — камера сгорания; Т — турбина; Г — генератор; 1 — воздух из окружающей среды; 2 — воздух из компрессора;

3 — газы из камеры сгорания; 4 — газы из турбины

 

 

Количество пара, поступающего в отборы, можно регулировать. Это позволяет в широких пределах изменять тепловую нагрузку станции при неизменной электрической нагрузке и, наоборот, изменять элект­рическую нагрузку при неизменном расходе тепла, подаваемого потребителям.

Эффективность работы тепловой электрической станции характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД).

Абсолютный КПД КЭС представляет собой отно­шение выработанной на электростанции электро­энергии к количеству тепла, которое затрачено на ее выработку.

Для характеристики экономичности работы ТЭЦ используются два значения абсолютных КПД: КПД выработки электрической энергии и КПД выработки тепловой энергии. Они вычисляются, соответственно, как отношение количества выработанной электро­энергии или тепловой энергии к количеству тепла, за­траченному на выработку каждого из видов энергии.

Основными способами повышения КПД ТЭС явля­ются:

§ повышение параметров пара перед турбиной;

§ понижение параметров пара в конденсаторе;

§ промежуточный перегрев пара;

§ регенеративный подогрев питательной воды.

Газотурбинные энергетические установки. В газо­турбинных энергетических установках (ГТУ) рабочим телом являются газообразные продукты сгорания топ­лива. Газотурбинные установки могут работать на га­зовом или жидком топливе. Схема газотурбинной установки приведена на рис. 3.1.3.

Основными элементами газотурбинной установки являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина с электрическим генератором. Газовая турбина и компрессор закреплены на одном валу.

Воздух из атмосферы поступает в компрессор (К). Сжатый в компрессоре воздух и топливо поступают в камеру сгорания (КС). Там топливо сжигается, нагре­вая воздух. Продукты сгорания с высокой температурой и давлением направляются в газовую турбину(Т) и приводят ее во вращение. Вырабатываемая при этом механическая энергия частично затрачивается на сжатие воздуха в компрессоре, а частично - на выработку электрической энергии в генераторе (Г). Отработанные продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

Теплоту уходящих из ГТУ газов можно использовать для выработки тепловой энергии. Газотурбинная установка, на которой одновременно вырабатывается тепловая и электрическая энергия, называется ГТУ ТЭЦ. Принципиальная схема ГТУ ТЭЦ приведено разделе 3.1.2.

Парогазовые энергетические установки. Наиболее эффективными установками для выработки электрической и тепловой энергии на ТЭС являются порогазовые энергетические установки (ПГУ). Установки такого типа включают паротурбинные и газотурбинные установки, объединенные между собой. Существует несколько способов объединения ПТУ и ГТУ в единую установку.

Самыми распространенными и экономичными на сегодняшний день являются ПГУ с котлом-утилизатором и двумя контурами давления. КПД таких установок по выработке электрической энергии достигает 50-55 %. Схема такой установки приведена на рис. 3.1.4.

Продукты сгорания из газотурбинной установки подаются в котел-утилизатор и служат для выработки пара, вращающего паровую турбину. В установках такого типа мощность газотурбинной установки су­щественно выше мощности паротурбинной установки.

Рис. 3.1.4. Схема ПГУ с котлом-утилизатором:

КМ - компрессор; КС — камера сгорания; ГТ — газовая турбина; Г — генератор; КУ — котел-утилизатор; ПТ — паровая турбина; К — конденсатор; Н-носос

Рис. 3.1.5. Принципиальная схема водогрейной котельной:

1 - сетевой насос; 2 — водогрейный котел; 3 — циркуляционный насос; 4 — подогреватель химически очищенной воды; 5 — подогреватель сырой воды; 6-вакуумный деаэратор; 7 — подпиточный насос; 8 — насос сырой воды; 9 — химводоподготовка; 10 — охладитель выпара; 11 — водоструйный жектор; 12 — расходный бак эжектора; 13 — эжекторный насос

Другой способ работы ПГУ заключается в том, что продукты сгорания из газотурбинной установки направ­ляются в котел, в котором сжигается твердое или жид­кое топливо. Такой способ применяется для повышения эффективности существующих блоков паротурбин­ных электростанций путем их надстройки газовыми турбинами, т. е. расширения электростанции за счет установки предвключенных турбин высоких парамет­ров. КПД установок такого типа составляет 46-ь48 %. В данном случае паротурбинная установка обладает большей мощностью, чем газотурбинная.

Котельные установки. Котельные могут быть ис­пользованы как самостоятельный источник энергии для объектов промышленности и жилищно-коммунального хозяйства, а также для покрытия пиковых тепло­вых нагрузок в теплофикационных системах. Котель­ные установки можно разделить на два основных ти­па: паровые и водогрейные котельные.

В водогрейной котельной установке (см. рис. 3.1.5) обратная вода из тепловой сети и вода подпитки, про­шедшая предварительный подогрев, химводоподго- товку и деаэрирование, нагревается в котле. Подо­грев осуществляется сетевой водой, часть которой за­бирается для этой цели на выходе из котла. В схеме, приведенной на рис. 3.1.5, используется вакуумный деаэратор, вакуум в котором создается за счет рабо­ты водоструйного эжектора.

Принципиальная схема паровой котельной пред­ставлена на рис. 3.1.6. Котельная вырабатывает не только пар, но и горячую воду. Она поступает в сеть от пароводяного подогревателя, в котором пар после котла подогревает обратную воду из теплосети. Как и в водогрейной котельной, сырая вода перед подачей в котел проходит предварительный подогрев, химводоподготовку и деаэрирование.

Рис. 3.1.6. Принципиальная тепловая схема паровой котельной:

1-паровой котел низкого давления; 2-пароводяной подогреватель сетевой воды;

3-охладитель конденсата; 4-деаэратор питательной воды котла; 5-питательный насос; 6-сетевой насос; 7-деаэратор подпиточной воды; 8-подогреватель химически очищенной воды; 9-подпиточный насос; 10-сборочный бак конденсата;

11-конденсатор насос; 12-насос сырой воды; 13-сепаратор продувочной воды;

14-охладитель продувочной воды; 15- пароводяной подогреватель сырой воды;

16-химводоподготовка; 17-насос химически очищенной воды