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 (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 Dтодночасно 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 ет = 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 ξт характеризує потенціал працездатності пари відбору, а також визначає відносне збільшення повної витрати теплоти на турбоустановку на одиницю кількості теплоти, яка віддається порівняно з конденсаційною витратоюQт 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)