Циклы тепловых электрических станций

В тех случаях, когда прилегающие к тепловым электростанциям районы должны потреблять большие количества тепла, целесообразнее прибегать к комбинированной выработке тепла и электроэнергии. Установки, служащие для комбинированной выработки тепла и электроэнергии, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), они работают по так называемому теплофикационному циклу.

Рис. 4.7. Промежуточный перегрев пара в цикле Ренкина: а – схема установки; б – изображение процесса в TyS- и /,л-диаграммах;

1 – котел; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина; 4 – электрогенератор;
5 – промежуточный (вторичный) пароперегреватель; 6 – конденсатор;
7- насос (питательный)

Этот вид электростанций предназначен для централизованного снабжения промышленных предприятий и городов электроэнергией и теплом.

Являясь, как КЭС, тепловыми электростанциями, они отличаются от последних использованием тепла «отработавшего» в турбинах пара для нужд промышленного производства, а также для отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения. При такой комбинированной выработке электроэнергии и тепла достигается значительная экономия топлива по сравнению с раздельным энергоснабжением, т. е. выработкой электроэнергии на КЭС и получением тепла от местных котельных. Поэтому ТЭЦ получили широкое распространение в районах (городах) с большим потреблением тепла и электроэнергии. В России в настоящее время на ТЭЦ производится около 25-30% всей вырабатываемой электроэнергии.

Простейшая схема теплофикационной установки с основными элементами паросиловой установки показана на рис. 4.8. Цифрой 7 обозначен тепловой потребитель (например, система отопления).

Охлаждающая вода под действием насоса 8 циркулирует по замкнутому контуру, в который включен потребитель тепла.

Температура ее на выходе из конденсатора несколько ниже температуры конденсата /н, но достаточно высока для обогрева помещений. Конденсат при температуре /и забирается насосом 5 и после сжатия подается в котел 1. Охлаждающая вода нагревается за счет тепла конденсирующего пара и под напором, создаваемым насосом 8, поступает в отопительную систему 7. В ней нагретая вода отдает тепло окружающей среде, обеспечивая необходимую температуру помещений. На выходе из отопительной системы охлажденная вода вновь поступает в конденсатор и в нем опять нагревается поступающим из турбины паром.

При наличии более или менее постоянного потребителя производственного пара пользуются турбиной, работающей с противодавлением без конденсатора.

Рис. 4.8. Схема простейшей теплофикационной установки:

1 – котел; 2 – пароперегреватель; 3 – турбина; 4 – конденсатор; 5 – насос питательный; 6 – генератор; 7 – отопительная система;
8 – насос циркуляционный

В теплофикационных установках используются турбины трех типов:

– с противодавлением р2- 1,2-12 бар;
– с ухудшенным вакуумом р2 = 0,5-0,9 бар;
– с регулируемыми отборами пара.

Турбины с противодавлением (рис. 4.9, б) относительно просты, малогабаритны и дешевы, но применяются они мало, поскольку количество электроэнергии, вырабатываемое с их помощью, зависит не от электрических, а от тепловых потребителей, весьма нестабильных.

Турбины с ухудшенным вакуумом (рис. 4.9, в) 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, позволяя свободно изменять электрическую и тепловую нагрузки, т. е. работать по свободному графику. Они в основном и применяются на ТЭЦ. На рис. 4.9, г приведена схема такой установки с одним регулируемым в зависимости от потребителей электроэнергии и теплоты отбором пара при давлении которое устанавливается с помощью клапана 2, расположенного на магистрали между ступенями турбины высокого 7 и низкого 3 давлений.

Рис. 4.9. Теплофикационный цикл (а) и три типа установок: с противодавлением (б), с ухудшенным вакуу мом (в) и с регулируемыми отборами пара (г): 1 – часть турбины высокого давления; 2 – регулятор количества отбираемого пара; 3 – часть турбины низкого давления

Теплофикационный цикл на Г^-диаграмме иллюстрирует рис. 4.9, а. Площадь, образуемая контуром 7-4-5-1-6-7, соответствует теплу ^пол, превращенному в турбине в механическую работу.

Площадь, расположенная под указанным контуром и соответствующая количеству тепла q2 (контур 7-6-10-9-7), уносимому охлаждающей водой, в данном теоретическом случае не теряется бесполезно, а используется для целей отопления. Таким образом, общее количество полезного использованного тепла складывается из qnon и qr

Термический КПД теплофикационного цикла ниже термического КПД соответствующего конденсационного цикла, в котором пар расширяется в турбине до очень низкого давления (р2 = 3-5 кПа), производя при этом полезную работу, и превращается в охладителе в конденсат, а отнятое от него в конденсаторе тепло полностью теряется с охлаждающей водой. Это объясняется тем, что в теплофикационном цикле конечное давление пара р2 значительно превосходит обычное давление в конденсаторе паровой турбины, работающей по конденсационному циклу. Увеличению же давления р2, как в этом можно легко убедиться, рассматривая 7>-диаграмму (см. рис. 4.9, а), соответствует сокращение количества тепла q , используемого в паровой турбине (уменьшение площади 3-4-5-1-2-3), и увеличение количества тепла qv уносимого охлаждающей водой (увеличение площади 9-7-6-10-9), и, следовательно, в итоге – уменьшение rjr.

Однако применительно к теплофикационному циклу термический КПД его не может служить полноценной мерой экономичности, поскольку этим КПД не учитывается полезное использование потребителем той части тепла, которое не превращается в работу, т. е. тепла qr

Поэтому для оценки экономичности теплофикационных циклов пользуются так называемым коэффициентом использования теплоты, представляющим собой отношение всего количества полезно использованного тепла, т. е. суммы тепла, превращенного в работу и равного qnoji, и тепла, использованного потребителем без его превращения в работу, равного qv ко всему количеству подведенного к рабочему телу тепла, т. е.

В теоретическом случае, поскольку = qnon + qv этот коэффициент равен 1; практически величина его колеблется от 0,65 до 0,7; это говорит о том, что в теплофикационном цикле степень теплоиспользования теплоты почти вдвое больше, чем в чисто конденсационном цикле, и что, следовательно, комбинированный способ выработки тепла и электрической энергии значительно экономичнее способа их раздельной выработки.

Особенности технологической схемы ТЭЦ показаны на рис. 4.10. Части схемы, которые по своей структуре подобны таковым для КЭС, здесь не показаны. Основное отличие заключается в специфике пароводяного контура.

Рис. 4.10. Особенности технологической схемы ТЭЦ:

1 – сетевой насос; 2 – сетевой подогреватель

Часть пара при расширении в турбине (с параметрами ротб= 0,9-1,2 МПа) отбирается и отводится в сетевой пароводяной подогреватель 2, через который сетевым насосом 1 прогоняется вода, используемая для отопления зданий и для других нужд городского хозяйства и промышленных предприятий.

На производство пар подается в тех случаях, когда вблизи станции имеются промышленные предприятия, требующие пар для технологического процесса. Количество отбираемого от промежуточных ступеней турбины пара определяется потребностью тепловых потребителей в горячей воде и парс.

Использование для теплофикации частично отработавшего пара из промежуточных ступеней турбины уменьшает количество пара, поступающего в ее конденсатор, а следовательно, и потери тепла с циркуляционной водой. Все тепло, содержащееся в горячей воде и паре, которые поступают со станции в теплофикационную сеть, считают полезно отпущенным теплом.

Коэффициент использования теплоты теплоэлектроцентралей (цт), учитывающей отпуск потребителям обоих видов энергии – электрической и тепловой, – достигает 60-70% и даже более. Этот показатель характеризует общее использование энергии топлива на теплоэлектроцентралях.

Очевидно, что экономичность работы теплоэлектроцентрали зависит от величины отбора пара на теплофикацию. С уменьшением количества пара, поступающего в конденсаторы теплофикационных турбин, КПД теплоэлектроцентрали возрастает.

Отметим, что минимально возможное количество пара, проходящего последние ступени турбины и поступающего в конденсатор, указывается заводом-изготовителем турбины из соображений работы ее последних ступеней. В случае полного отсутствия отпуска тепла в теплофикационную сеть турбины работают в конденсационном режиме, при этом КПД станции обычно не превышает 30-35%.

Из сказанного следует, что наиболее экономичным режимом работы теплоэлектроцентрали является ее работа по графику теплового потребления, т. е. при регулировании поступления пара в турбины соответственно отбору его на теплофикацию при минимальном пропуске пара в конденсатор.

Так как режимы работы тепловых и электрических потребителей различны, то осуществление указанного режима работы теплоэлектроцентрали возможно только при ее параллельной работе с другими электростанциями энергосистемы – тепловыми и гидроэлектрическими.

Специфика электрической части ТЭЦ определяется расположением электростанции вблизи центров электрических нагрузок. В этих условиях часть мощности может выдаваться в местную сеть непосредственно на генераторном напряжении. С этой целью на электростанции создается обычно генераторное распределительное устройство ГРУ (см. рис. 4.10). Избыток мощности выдается, как и в случае с КЭС, в энергосистему на повышенном напряжении.

Существенной особенностью ТЭЦ является также повышенная мощность теплового оборудования по сравнению с электрической мощностью электростанции. Это обстоятельство предопределяет больший относительный расход электроэнергии на собственные нужды, чем на КЭС.

Размещение ТЭЦ преимущественно в крупных промышленных центрах повышает требования к охране окружающей среды. Так, для уменьшения вредных выбросов ТЭЦ целесообразно, где это возможно, использовать в первую очередь газообразное или жидкое топливо, а также высококачественные угли.

Источник

Цикл паросиловой установки — цикл Ренкина

Общие положения. На современных тепловых электростанциях большой мощности превращение теплоты в работу производится в циклах, в которых в качестве основного рабочего тела используется водяной пар высокого давления и температуры. Водяной пар производят в парогенераторах (паровых котлах), в топках которых сжигают различные виды органического топлива: уголь, мазут, газ и др.

Термодинамический цикл преобразования теплоты в работу с помощью водяного пара был предложен в середине XIX в. инженером и физиком У. Ренкиным. Принципиальная тепловая схема электростанции, работающая по циклу Ренкина, показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Принципиальная тепловая схема ТЭС, работающая по циклу Ренкина:

1 — парогенератор; 2 — турбина; 3 — электрогенератор; 4 — конденсатор; 5 — насос

Вода нагнетается в парогенератор 1 насосом 5 и за счет теплоты сжигаемого топлива превращается в водяной пар, который затем поступает в турбину 2, вращающую электрогенератор 3. Тепловая энергия пара преобразуется в турбине в механическую работу, которая, в свою очередь, преобразуется в генераторе в электроэнергию. Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор 4. В конденсаторе пар превращается в воду (конденсируется), которая с помощью насоса 5 вновь подается в парогенератор. Таким образом цикл замыкается.

На рис. 2.2 показан цикл Ренкина на перегретом паре в р, v- и Т, 5-диаграммах, состоящий из следующих процессов:

изобара 4—5—6—] — нагрев, испарение воды и перегрев пара в парогенераторе за счет подводимой теплоты сгорания топлива

Рис. 2.2. Цикл Ренкина на перегретом паре: а — в р, v-диаграмме; б — в Т,s-диаграмме

адиабата 1—2 — расширение пара в турбине с совершением полезной внешней работы II;

изобара 2—3 — конденсация отработанного пара с отводом теплоты 2 охлаждающей водой;

адиабата 3—4 — сжатие конденсата питательным насосом до первоначального давления в парогенераторе с затратой подводимой извне работы /ан.

В соответствии со вторым законом термодинамики полезная работа за цикл равна разности подведенной и отведенной в цикле теплоты:

Термический КПД цикла Ренкина определяется, как обычно, по уравнению

Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что его эффективность в большой степени зависит от величин начальных и конечных параметров пара (давления и температу- ры).

Как уже отмечалось ранее, энергию пара (рабочего тела) при изменении его состояния удобно оценивать величиной энтальпии. Так, количество теплоты, подводимой в изобарном процессе 4—5—6—1 (см. рис. 2.2) при нагреве воды, парообразовании и перегреве (Дж/кг), qx = /( – i2, где i2 — энтальпия конденсата, подаваемого в котел. Количество теплоты, отдаваемой в изобарном процессе 2—3 при конденсации пара, q2 = i2 – i2. Полезная работа, совершаемая в турбине

Термический КПД цикла Ренкина в этом случае

Количество пара, которое требуется пропустить через турбину, чтобы получить 1 кВт ч (3600 Дж) энергии, т.е. теоретический удельный расход пара

Тогда полный расход пара при мощности N (кВт) можно определить по формуле

Исследование выражений (2.1) и (2.2) показывает, что ц, увеличивается, a d уменьшается с увеличением /, и уменьшением /2, т.е. с увеличением начальных параметров пара рх и /, и уменьшением конечных р2 и t2. Конечные параметры пара связаны между собой, так как пар в этой области влажный, поэтому уменьшение их сводится к уменьшению р2, т. е. давления в конденсаторе.

Увеличение /, ограничивается жаропрочностью материалов, увеличение д, — допустимой степенью влажности пара в конце расширения. Повышенная влажность (х > 0,80…0,86) приводит к эрозии деталей турбины.

В настоящее время на электростанциях в основном используются следующие параметры пара: д, = 23,5 МПа (240 кгс/см2) и tx = 565 °С. На опытных установках применяются и сверхкритические параметры: рх = 29,4 МПа (300 кгс/см2) и /| = 600…650°С.

Понижение давления в конденсаторе ниже значения р2 = 3,5… 4 кПа (0,035…0,040 кгс/м2), чему соответствует температура насыщения 12 = 26,2…28,6°С, ограничивается прежде всего температурой охлаждающей воды /охл, колеблющейся в зависимости от климатических условий от 0 до 30 °С. При малой разности 12 – /охл интенсивность теплообмена падает, а размеры конденсатора растут. Кроме того, с понижением р2 становится все большим удельный объем пара, что ведет к увеличению размера конденсатора, а также последних ступеней турбины. На рис. 2.3 и 2.4 графически показан характер влияния повышения д, и /| и понижения рг на термический КПД.

Регенеративный цикл. Для повышения экономичности работы паротурбинных установок, помимо повышения параметров пара, применяют так называемый регенеративный цикл, в котором питательная вода до ее поступления в котельный агрегат подвергается предварительному нагреву паром, отбираемым из промежуточных ступеней паровой турбины. На рис. 2.5 представлена принципиальная схема паросиловой установки с регенеративным подогревом питательной воды, где а.|, а2 и а3 — доли отбираемого пара из турбины. Изображение в Г, 5-диаграмме носит условный характер, так как количество пара (рабочего тела) меняется по длине проточной части турбины, а диаграмма строится для постоянного количества.

Рис. 2.3. Влияние повышения начальных давлений и температуры пара на экономичность цикла Ренкина

Следует отметить, что поскольку питательной воде передается теплота отобранного пара, включая теплоту парообразования, а при получении работы используется лишь часть теплоты пара, не включающая теплоту парообразования, то потеря работы в результате отборов будет значительно меньше, чем увеличение энтальпии питательной воды. Поэтому в целом КПД цикла возрастает. Однако возрастет и удельный расход пара, так как отобранная часть пара не полностью участвует в совершении работы и для получения заданной мощности его расход следует увеличить. Правда, это обстоятельство облегчает конструкцию последних ступеней турбин, позволяя уменьшить длину их лопаток.

Применение регенеративного подогрева позволяет при необходимости исключить экономайзер подогрева питательной воды уходящими газами, использовав теплоту уходящих газов для подогрева поступающего в топку воздуха.

Рис. 2.4. Влияние понижения давления в конденсаторе на влажность пара в конце расширения (а) и экономичность цикла Ренкина (б)

Рис. 2.5. Регенеративный подогрев питательной воды в цикле Ренкина:

а — схема установки: 1 — котел; 2 — пароперегреватель; 3 — паровая турбина с промежуточными отборами пара; 4 — электрогенератор; 5 — регенеративные подогреватели; 6 — насосы; 7 — конденсатор; 6 — изображение (условное) процесса в Г,5-координатах: /…7— точки диаграммы

Увеличение КПД при применении регенерации составляет

10… 15 %. При этом экономия теплоты в цикле возрастает с повышением начального давления пара рх. Это связано с тем, что с повышением рх увеличивается температура кипения воды, а следовательно, повышается количество теплоты, которое можно подвести к воде при подогреве ее отобранным паром. В настоящее время регенеративный подогрев применяется на всех крупных электростанциях.

Цикл с промежуточным (вторичным) перегревом пара. Из анализа регенеративного цикла следует, что при применении пара высокого давления влажность его в турбине в конце процесса расширения становится значительной даже при очень высокой начальной температуре. Между тем работа турбин на влажном паре недопустима, так как она вызывает увеличение потерь и износ (эрозию) турбинных лопаток в результате механического воздействия на них находящихся в паре частиц влаги.

При использовании пара высокого давления повышение его начальной температуры до значений, допустимых по соображениям прочности металла пароперегревателя и паровой турбины, может оказаться недостаточным для обеспечения допустимой влажности пара в конце процесса расширения в турбине. Поэтому пар на некоторой стадии расширения приходится отводить из турбины и подвергать повторному перегреву в специальном пароперегревателе, после чего перегретый пар повторно вводится в турбину, где и заканчивается процесс его расширения. В результате этого при окончательном расширении пара до принятых на практике давлений влажность его не превышает допустимых значений.

Паротурбинные установки, в которых используется такой метод, называют установками с промежуточным перегревом пара. При правильном выборе давления отбора пара для его промежуточного перегрева и температуры промежуточного перегрева не только предотвращается чрезмерное увлажнение пара в конце

Рис. 2.6. Промежуточный перегрев пара в цикле Рснкина: а — схема установки: 1 — котел; 2 — пароперегреватель; 3 — турбина; 4 — электрогенератор; 5 — промежуточный (вторичный) пароперегреватель; 6 — конденсатор; 7 — насос (питательный); б — изображение процесса в Т,s- и /,3- координатах: 1…5— точки диаграммы

процесса расширения, но и достигается некоторое увеличение термического КПД установки.

Применение одного промежуточного перегрева пара приводит к повышению термического КПД установки на 2…3 %. Схема паросиловой установки с промежуточным перегревом пара представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.7. Схема простейшей теплофикационной установки: / — котел; 2— пароперегреватель; 3 — турбина; 4 — конденсатор; 5— отопительная система; 6и 7 — насосы

Теплофикационный цикл. В тех случаях, когда прилегающие к тепловым электростанциям районы потребляют большое количество теплоты, целесообразно использовать комбинированный способ выработки теплоты и электроэнергии, чем раздельно снабжать эти районы теплотой от специальных котельных, а электроэнергией — от конденсационных электростанций. Установки, которые служат для комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Они работают по так называемому теплофикационному циклу.

Простейшая схема теплофикационной установки показана на рис. 2.7 с основными элементами паросиловой установки. Цифрой 5 обозначен тепловой потребитель (например, система отопления). Охлаждающая вода под действием насоса 6 циркулирует по замкнутому контуру, в который включен потребитель теплоты. Температура воды на выходе из конденсатора несколько ниже температуры конденсата /н, но достаточно высока д ля обогрева помещений.

Конденсат при температуре tH забирается насосом 7 и после сжатия подается в котел 1. Охлаждающая вода нагревается за счет теплоты конденсирующегося пара и под напором, создаваемым насосом 6, поступает в отопительную систему 5. В ней нагретая вода отдает теплоту окружающей среде, обеспечивая необходимую температуру помещений. После выхода из отопительной системы охлажденная вода вновь поступает в конденсатор и в нем опять нагревается поступающим из турбины паром.

В теплофикационных установках, цикл которых показан на рис. 2.8, а, используются турбины трех типов: с противодавлением р2 = 1,2… 12 бар (рис. 2.8, б); ухудшенным вакуумом/^ = 0,5…0,9 бар (рис. 2.8, в) и регулируемыми отборами пара (рис. 2.8, г).

Турбины с противодавлением относительно просты, малогабаритны и дешевы, но применяются редко, поскольку количество электроэнергии, вырабатываемое с их помощью, зависит не от электрических, а 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.

Турбины с регулируемыми отборами не имеют указанных недостатков, позволяют свободно изменять электрическую и тепловую нагрузки, т.е. работать по свободному графику. Они в основном и применяются на ТЭЦ. На рис. 2.8, г приведена схема такой установки с одним регулируемым отбором пара при дог6 (в зависимости от потребностей в электроэнергии и теплоте), которое устанавливается с помощью клапана 12, расположенного на магистрали между ступенями турбины высокого 11 и низкого 13 давлений.

Рис. 2.8. Теплофикационный цикл (а) и три типа установок: с противодавлением (б), ухудшенным вакуумом (в) и регулируемыми отборами

пара (г):

/… 10 — точки диаграммы; II — часть турбины высокого давления; 12 — регулятор количества отбираемого пара; 13 — часть турбины низкого давления

Теплофикационный цикл в Т, s-диаграмме показан на рис. 2.9. Площадь контура, ограниченного жирными линиями, соответствует теплоте qno„, превращенному в турбине в механическую работу. Площадь, расположенная под указанным контуром и соответствующая количеству теплоты q2, уносимому охлаждающей водой, в данном теоретическом случае не теряется бесполезно, а используется для отопления. Таким образом, общее количество полезного использования теплоты складывается из

Источник