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 (hQ<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
,
hсе – електричний ККД ТЕС; nвтр. – 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)
QК –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)
Qтту = Qт – затрата теплоти на зовнішнього споживача; Q0т – теплота, відпущена споживачу з ТЕЦ; ηт – ККД відпуску теплоти турбінною установкою, в якому враховують втрати теплоти при її відпуску (у мережних підігрівачах, паропроводах ТЕЦ і т.п.); ηт = 0.98 ÷ 0.99.
Загальна витрата теплоти на турбоустановку Qту складається з теплового еквівалента внутрішньої потужності турбіни 3600Nв, витрати теплоти на зовнішнього споживача Qт і втрати теплоти у конденсаторі турбіни Qк. 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 ηпк і ККД транспортування теплоти ηтр, для електричного та теплового ККД станції ηес, ηтс 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 Dт, її внутрішня потужність знижується на величину Dт·(hт – hк), де hт і hк - ентальпії пари у відборі і на вході в конденсатор. Для відновлення потужності турбіни до початкової Nе 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 ут змінюється у межах 0 ≤ ут ≤ 1; ут = 0 при hт = hк, тобто при подачі у конденсатор всієї відпрацьованої у турбіні пари (чисто конденсаційний режим); ут = 1 при hт = h0, тобто при відборі всієї свіжої пари ( пара не працювалау турбіні). Переважно ут = 0.3 ÷ 0.7, а в середньому ут = 0.5. Якщо Dт = 0, то D0 = D0,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 Qк = 0) має вигляд
,
Nв - тепловий еквівалент внутрішньої потужності турбіни; Qт – затрата теплоти на зовнішнього споживача.
Основною властивістю турбоагрегату з протитиском є залежність виробітку електричної потужності Nе від пропуску пари через турбіну, тобто від витрати теплоти Qт і пари Dт на теплового споживача,
. (5.16)
Ця властивість турбоагрегатів з протитиском обмежує їх застосування на ТЕЦ через те, що зменшення споживання пари D т одночасно зменшує виробіток електричної енергії, див. (5.16) та (5.16а).
Витрати теплоти і пари на теплового споживача зв’язані рівнянням
, (5.17)
hзк – ентальпія зворотного конденсату; вважається, що споживач повністю повертає конденсат.
Підставляючи в енергетичне рівняння турбіни Р з протитиском (5.16) величину Dт виражену з (5.17) через Qт, отримуємо зв’язок між електричною потужністю такої турбіни Nе і витратою теплоти на зовнішнього споживача Qт
, (5.16а)
Qт 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)
ξТ - 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 Qт споживачам повна витрата теплоти Qту 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 ΔQту = Qтук – Qтуе рівна
Qкк – Qк = ΔQк, тобто різниця витрат теплоти на виробництво електроенергії в К і Т турбінах рівна зменшенню втрати теплоти в конденсаторі турбіни. Враховуючи (5.14а), можемо записати
,
qк = hк - h'к. (5.23)
Значення ΔQту = ΔQк тим більше, чим більший відбір пари Dт і чим менші коефіцієнти ут і ξт, тобто чим більший виробіток електроенергії парою відбору.
Для турбін Р з протитиском Qк = 0 і ККД з виробництва електроенергії
. (5.24)
Для турбоагрегату без механічних і електричних втрат ηтуе = 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 ηм∙ηт = 1, тобто внутрішня потужність турбіни Nв = Nк + Nт; Qтук – витрата теплоти на конденсаційний потік пари Dк. Позначивши Ат = Nт/Nк – енергетичний коефіцієнт пари відбору, що дорівнює відношенню потужностей пари відбору і конденсаційного потоку, з (5.25) отримуємо,
. (5.26)
ηтук = Nк/Qтук – ККД конденсаційної турбоустановки при витраті на неї теплоти Qтук = Dк·(h0 – hк'). Очевидно, що
, (5.27)
