17.6. Теплофикационные циклы

В процессе выработки электроэнергии на теплоэлектростанциях большое количество тепла передается холодному источнику – охлаждающей конденсатор воде и, таким образом, бесполезно теряется. Количество тепла, отдаваемое холодному источнику, q₂, можно уменьшить за счет увеличения термического КПД цикла, однако полностью устранить нельзя, так как в соответствии со вторым законом термодинамики передача определенного количества тепла холодному источнику является неизбежной.

Если устранить передачу тепла холодному источнику в принципе невозможно, то нельзя ли использовать это тепло? Как известно, для производственных и бытовых нужд потребляется значительное количество тепла в виде горячей воды и пара в разного рода технологических процессах, для отопления зданий и горячего водоснабжения. В обычных конденсаторных паротурбинных теплосиловых установках давление в конденсаторе поддерживается равным примерно 4 кПа, т. е. конденсация пара происходит при температуре около 28–29 C. Тепло, отдаваемое охлаждающей воде в таком конденсаторе, имеет низкий температурный потенциал и не может быть использовано для производственных или бытовых нужд; ведь для технологических целей, как правило, используется насыщенный водяной пар давлением от 250 до 2000–3000 кПа, а для отопления – насыщенный водяной пар давлением 150–260 кПа или горячая вода температурой, достигающей в некоторых установках 180 C.

Для того чтобы иметь возможность использовать тепло, отдаваемое конденсирующимся паром, нужно увеличить давление в конденсаторе, т. е. увеличить температуру, при которой конденсируется этот пар. Повышение нижней температуры цикла приведет к некоторому уменьшению величин термического КПД и, следовательно, к уменьшению выработки электроэнергии при тех же, что и раньше, затратах топлива. Поэтому с точки зрения экономичности собственно цикла такая операция является невыгодной. Однако возможность получения больших количеств тепла для технологических и бытовых нужд за счет некоторого сокращения выработки электроэнергии оказывается весьма выгодной (избавляет от необходимости сооружать специальные отопительные котельные, как правило, небольшие, имеющие сравнительно невысокий КПД и поэтому требующие повышенного расхода топлива, а также нерационально использующие тепло высокого температурного потенциала при сжигании топлива для нагрева низкотемпературного рабочего тела, что невыгодно из-за уменьшения работоспособности системы).

Комбинированная выработка на электростанциях электроэнергии и тепла называется теплофикацией, а турбины, применяемые на таких электростанциях, – теплофикационными. Тепловые электростанции, осуществляющие комбинированную выработку электроэнергии и тепла, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ) в отличие от чисто конденсационных электростанций (КЭС), производящих только электроэнергию. Цикл теплофикационной паросиловой установки изображен в T, S- диаграмме на рис. 98. В этой диаграмме работа цикла, как обычно, изображается площадью 1235461, а площадь А32ВА представляет собой тепло , отданное внешнему потребителю. Принципиальная тепловая схема ТЭЦ представлена на рис. 99.

Давление р₂ определяется производственными условиями, и чем выше его значение, тем меньше выработка механической работы и тем меньше термический КПД цикла:

Рис. 98. Цикл теплофикационной паросиловой установки в T, S-диаграмме

Рис. 99. Схема ТЭЦ: 1 – паровой котел; 2 – перегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – тепловой потребитель; 5 – насос

Степень использования теплоты в установке:

или

где – удельное количество теплоты, превращенное в работу, ; q₂ – удельное количество теплоты, использованное тепловыми потребителями, ; – электрическая мощность установки, Вт; – теплота сгорания топлива, Дж.

Величина K тем ближе к единице, чем совершеннее установка, т. е. чем меньше потери тепла в котлоагрегате и паропроводе, механические потери в турбине, механические и электрические потери в электрогенераторе.