Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ)

На ТЭЦ энергия топлива сначала используется для производства электроэнергии, а затем менее ценная теплота применяется для нужд теплофикации. В тех случаях, когда прилегающие к тепловым электростанциям районы должны потреблять большие количества теплоты, целесообразнее использовать комбинированную выработку теплоты и электроэнергии, что мы и имеем на теплоэлектроцентралях. ТЭЦ работают по теплофикационному циклу. Этот вид электростанций предназначен для централизованного снабжения промышленных предприятий и городов электроэнергией и теплотой. Являясь, как и КЭС, тепловыми электростанциями, они отличаются от последних использованием отработавшего в турбинах пара для нужд промышленного производства, а также для отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения. При такой комбинированной выработке электроэнергии и теплоты достигается значительная экономия топлива по сравнению с раздельным энергоснабжением, т. е. выработкой электроэнергии на КЭС и получением теплоты в котельных. Поэтому ТЭЦ получили широкое распространение в районах (городах) с большим потреблением электроэнергии и теплоты. В настоящее время в России на ТЭЦ производится 25…35 % всей вырабатываемой электроэнергии.

Тепловая схема простейшей теплофикационной установки показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема простейшей теплофикационной установки:

1 – котел; 2 – пароперегреватель; 3 – генератор; 4 – турбина;

5 – конденсатор; 6 – потребитель теплоты; 7, 8 – насосы

Охлаждающая вода под действием насоса 7 циркулирует по замкнутому контуру, в который включен потребитель теплоты.

Температура воды на выходе из конденсатора несколько ниже температуры конденсата, но достаточна для обогрева помещений. Конденсат забирается насосом 8 и после сжатия подается в котел 1. Охлаждающая вода нагревается за счет выделяющейся теплоты парообразования при конденсации пара и под напором, создаваемым насосом 7, поступает в отопительную систему 6. На выходе из отопительной системы охлажденная вода вновь поступает в конденсатор и в нем опять нагревается поступающим из турбины паром.

В теплофикационных установках используются турбины трех типов (табл. П1 приложения):

- с противодавлением р₂ = 0,12…1,2 МПа;

- ухудшенным вакуумом р₂ = 0,05…0,09 МПа;

- регулируемыми отборами пара.

Турбины с противодавлением относительно просты, малогабаритны и дешевы, но применяются редко, поскольку количество вырабатываемой электроэнергии зависит от тепловых потребителей, весьма нестабильных.

Турбины с ухудшенным вакуумом при отсутствии тепловых потребителей могут работать с расширением пара до глубокого вакуума, как конденсационные, но выработка электроэнергии у них тоже зависит от расхода теплоты.

Только турбины с регулируемыми отборами не имеют отмеченных недостатков и могут свободно изменять тепловую и электрическую нагрузки, т. е. работать по свободному графику. Они в основном и применяются на ТЭЦ (турбины типа ПТ имеют производственный и отопительный отборы пара, типа Т – только отопительный отбор).

Особенности технологической схемы ТЭЦ показаны на рис. 3.2. Части схемы, которые по своей структуре подобны таковым на КЭС на рис. 3.2 не показаны. Основное отличие заключается в пароводяном контуре.

При расширении в турбине часть пара с давлением р_отб = 0,9…1,2 МПа отбирается и отводится в сетевой пароводяной подогреватель СП, через который сетевым насосом СН прогоняется вода, используемая для отопления зданий и других нужд городского хозяйства и промышленных предприятий.

На производство пар подается, когда вблизи станции имеются промышленные предприятия, которым требуется пар для технологических процессов. Количество отбираемого от промежуточных ступеней турбины пара определяется потребностью тепловых потребителей в горячей воде и паре.

Использование для теплофикации частично отработавшего пара из промежуточных ступеней турбины уменьшает количество пара, поступающего в ее конденсатор, и соответственно потери теплоты с циркуляционной водой. Всю теплоту, которая поступает со станции в теплофикационную сеть с горячей водой или паром, считают полезно отпущенной теплотой.

Термический КПД теплофикационного цикла ниже КПД соответствующего конденсационного цикла, так как конечное давление пара р₂ значительно превосходит давление в конденсаторе паровой турбины, работающей по конденсационному циклу. При этом уменьшается количество теплоты, используемой полезно в паровой турбине, и увеличивается количество теплоты, уносимой охлаждающей водой в конденсаторе, в итоге – уменьшение термического КПД η_t.

Рис. 3.2. Технологическая схема теплофикационной установки:

ГРУ – генераторное распределительное устройство; Г – генератор; СП – сетевой пароводяной подогреватель; СН – сетевой насос; ПН – питательный насос

Термический КПД применительно к теплофикационному циклу не может служить полноценной мерой экономичности, поскольку не учитывает полезное использование потребителем той части теплоты, которая не превращается в работу, т. е. теплоты q₂.

Для оценки экономичности теплофикационного цикла пользуются коэффициентом использования теплоты η_и, представляющим собой отношение всего количества полезно использованной теплоты Q^отп и выработанной электроэнергии W_э к подведенной теплоте Q₁, полученной от сжигания топлива:

(3.8)

Коэффициент использования теплоты теплоэлектроцентралей составляет 65…70 %. Этот показатель характеризует общее использование энергии топлива на ТЭЦ. Экономичность работы ТЭЦ зависит от величины отбора на теплофикацию: с увеличеним отбора пара на теплофикацию и уменьшением количества пара, поступающего в конденсаторы теплофикационных турбин, КПД ТЭЦ возрастает. Наиболее экономичным режимом работы ТЭЦ является ее работа по графику теплового потребления при минимальном пропуске пара в конденсатор.

Так как режимы тепловых и электрических потребителей различны, то осуществление указанного режима ТЭЦ возможно только при ее параллельной работе с другими электростанциями энергосистемы – ТЭС и ГЭС.

Существенной особенностью ТЭЦ является повышенная мощность теплового оборудования по сравнению с электрической мощностью электростанции, что определяет относительно большой расход электроэнергии на собственные нужды по сравнению с КЭС.

Так как чаще всего ТЭЦ размещают в крупных промышленных центрах, то к ним предъявляют повышенные требования по охране окружающей среды. Для уменьшения вредных выбросов целесообразно использовать газообразное или жидкое топливо, а также высококачественные угли.