8.3. Показники теплової економічності паротурбінних електростанцій

Основним показником роботи теплової електричної станції є витрати первинної енергії на одиницю отриманої електричної енергії; в технічній термодинаміці цей показник трансформується в ККД установки. В техніці часто користуються також величинами витрати умовного палива на одиницю проведеної електричної енергії. Так чи інакше всі ці показники ідентичні один одному і математично зв'язані між собою простими співвідношеннями.

По законах термодинаміки перетворення теплової енергії в механічну навіть в ідеальній тепловій машині не може бути еквівалентним, оскільки завжди мають місце втрати частини теплоти в «холодному джерелі»; крім того, в загальній технологічній схемі перетворення енергії на будь-якій електростанції, виникають додаткові втрати в окремих елементах електростанції - котлі, турбіні, трубопроводах, на привід механізмів власних потреб електростанції і т.д. Таким чином, для визначення загальної теплової економічності необхідно встановити взаємозв'язок цих величин і їх вплив на результативні показники.

Розглянемо такий взаємозв'язок, виражений в показниках теплової економічності, стосовно паротурбінної електростанції, що працює на органічному паливі.

Для конденсаційної електростанції баланс між затраченою енергією, отриманою електроенергією і енергетичними втратами, складається в наступному вигляді:

Q_С= N_Е+ Q_К + Q_М + Q_Г + Q_ТР + Q_К.У.

де Q_С - теплова енергія палива, спалюваного без втрат, що підводиться в установку; N_Е - отримана електроенергія на клемах генератора (електрична потужність генератора); Q_К - втрати теплоти з охолоджуючою водою конденсатора, тобто втрати теплоти в «холодному джерелі»; Q_М - втрати механічної енергії в підшипниках і механізмах турбіни; Q_Г - втрати електричної енергії в електрогенераторі (нагріваючи в обмотках статора і ротора, на привід збудника і ін.); Q_ТР - втрати теплоти в сполучних трубопроводах ТЕС; Q_К.У - втрати теплоти в котельній установці (при спалюванні палива, з газами і ін.).

При визначенні цих величин на одиницю отриманої від генератора електроенергії (1 кВт*год) баланс представляється в наступному вигляді:

q_С= 1+ q_К + q_М + q_Г + q_ТР + q_К.У=1+ q_втрат

де q_С - витрата первинної теплової енергії на вироблення 1 кВт*год електроенергії; q_К, q_М … q_К.У відповідні втрати.

Тоді ККД електростанції визначається по виразу

(8.5)

ККД електростанції (_с) може бути визначений і по прямому зіставленню витрати палива на КЕС з проведеною електроенергією. Якщо мати на увазі, що Q_c=BQ^p_н, де В - годинна витрата палива; Q^p_н - теплота згорання палива, то

_с=3600 N_Е/ BQ^p_н (8.6)

ККД електростанції може бути отриманий по питомих витратах теплоти на 1 кВт*год, проведеній електроенергії або питомій витраті умовного палива b_у

(8.7)

де 29310 кДж/кг - теплота згорання умовного палива.

Всі розглянуті вирази ККД по суті тотожні і застосовуються в тому або іншому вигляді залежно від конкретних умов їх підрахунку і прийнятої системи вимірювань.

Вищенаведені баланси мають адитивний характер. В подальших розрахунках і при аналізі теплових схем електростанцій виявляється зручніше представляти ККД електростанції у вигляді добутку ККД окремих елементів технологічної схеми станції.

Мал. 8.4. Найпростіша конденсаційна паротурбінна установка.

а - схема установки; б - процес розширення пари в турбіні в координатах i,s; ПК - паровий котел; Т - турбіна; Г - генератор; К - конденсатор; КН - конденсатний насос; ПН - живильний насос; СБ - збірний бак; t_к, t_п.н - ентальпія води після конденсатора і після живильного насоса; D - витрата пари на турбоустановку; D_дв - додаткова вода; D_ут-витік пари і води.

Розглянемо спочатку найпростішу конденсаційну електричну станцію, що працює по циклу Ренкіна (рис. 8.4). Термічний ККД відповідно до позначень, показаних на рисунку, буде рівний

(8.8)

В (8.10) враховується робота, що йде на стиснення конденсату (живильної води котлів) в живильному і конденсатному насосах, рівна

Адіабатну роботу стиснення в насосах можна визначити по виразу

де р_н , р_в - відповідно тиск води на нагнітанні і всмоктуванні насоса; v - середній питомий об'єм води.

З урахуванням ККД насоса робота стиснення води в насосах рівна

(8.9)

Цій же величині еквівалентний підігрів води в насосі. При початковому тиску турбоустановки, що не перевищує 10,0 МПа, величиною можна нехтувати і оцінювати термічний ККД по виразу

(8.9а)

Якщо врахувати внутрішній відносний ККД проточної частини турбіни , втрати на дроселювання (в позначеннях, приведених на рис. 8.4), то внутрішній відносний ККД турбіни буде рівний

а внутрішній абсолютний ККД турбоустановки рівний

(8.10)

Далі, переходячи до обліку механічних втрат в установці у вигляді «механічного ККД» _м і електричних втрат в генераторі _г, знаходимо абсолютний електричний ККД турбоустановки:

(8.11)

Для оцінки втрат теплоти в сполучних трубопроводах визначимо витрату теплоти на турбоустановку (годинний) у вигляді і теплове навантаження котла у вигляді , де D і D_пе - годинні витрати пари на турбіну і пару, що виходить з котла; і­₀ і і_пе - ентальпія пари на вході в турбіну і на виході з котла.

Тоді ККД транспорту теплоти (ККД трубопроводів, або ККД теплового потоку) визначається по виразу

(8.12)

Нарешті, враховуючи ККД котла, можемо визначити ККД електростанції (брутто):

(8.13)

Якщо врахувати витрату електроенергії на механізми власних потреб електростанції (привід живильних, конденсатних і циркуляційних насосів, димосмоків, вентиляторів) у вигляді робочої потужності механізмів власних потреб, то ККД електростанції нетто записується у вигляді

(8.13а)

де Е_сн=N_сн/N_е - відносна витрата електроенергії на власні потреби електростанції.

Чисельно для сучасних паротурбінних установок:

- залежить від початкових і кінцевих параметрів пари, від досконалості теплової схеми, тобто термодинамічного циклу установки, і знаходиться в межах 0,4 - 0,6;

- залежить від конструкції парової турбіни, параметрів пари, потужності установки і рівний 0,6 - 0,9.

і - залежать від потужності установки турбогенератора, числа валів і приймаються в межах 0,97-0,99 кожний;

- залежить від досконалості схеми турбопроводів, втрат пари і води на станції і знаходиться в межах 0,96-0,99;

- залежить від типу котла і рівний 0,85-0,94.

Для двоконтурної АЕС в загальний вираз ККД електростанції додатково вводяться ККД і , що враховують відповідно втрати в реакторі і додаткових трубопроводах від реактора до парогенератора паротурбінної установки, а ККД котла замінюється ККД парогенератора АЕС. Таким чином, ККД для АЕС визначається по виразу

(8.14)

де _тр - ККД реактора, враховує охолоджування елементів реактора, охолоджування біологічного захисту, а також втрати теплоти з продувочної водою реактора і залежить від конструкції останнього.

Питома витрата ядерного пального (кг/(кВт*ч) складає

де 6,710¹⁰ кДж/кг - виділена теплота ядерним пальним з урахуванням утворення 15% ізотопів, що не діляться.

Для визначення загальної річної витрати палива враховують глибину вигоряння ядерного пального а в кг на 1 т спаленого палива по виразу

де  - число годин роботи АЕС в році з потужністю N_е .

Для ТЕЦ показники ефективності (теплової економічності) їх роботи ускладнюються. Як і для комбінованого виробництва різних видів продукції на інших промислових підприємствах, показники ефективності виробництва кожного виду енергії окремо є умовними і залежать від прийнятого принципу розподілу між обома видами продукції витрати первинної енергії.

Схема найпростішої ТЕЦ котла на мал. 8.5. Особливістю ТЕЦ є вироблення електроенергії потоком пари D_п, що йде тепловому споживачу. Зміна потужності ЦВД при зміні потоку пари, що йде тепловому споживачу, компенсується зміною потоку пари, що йде в ЦНД і конденсатор D_к. Для ТЕЦ найважливішим показником економічності є питоме вироблення електроенергії на базі теплового споживання Е.

Мал. 8.5. Найпростіша ТЕЦ з одним регульованим відбором пари з турбіни.

а - схема установки; б - процес розширення пари в турбіні з відбором пари в координатах i, s; ПК - паровий котел; Т - турбіна; ЦВД - циліндр високого тиску; ЦНД - циліндр низького тиску; ОКН - конденсатний насос зворотного конденсату; К - конденсатор; ТП - тепловий споживач; КН - конденсатний насос; ПН - живильний насос; СБ - збірний бак; D - витрата пари на турбоустановку; D_п - витрата пари з відбору турбіни для теплового споживача; D_к - витрата пари в конденсатор; D_ок - величина зворотного конденсату від теплового споживача; D_ут - величина витоків (втрат) робочого тіла (пара, вода). Решта позначень - див. мал. 8.4.

Потоком пари D_ц виробляється електроенергія потужністю N_пе, рівна

Теплота, споживана тепловим споживачем

Питоме вироблення електроенергії турбоустановкою на одиницю теплового споживання буде рівне

(8.15)

Особливо наочно перевага комбінованого виробництва електричної і теплової енергії виявляється для випадку застосування на ТЕЦ турбін з протитиском, відповідним тиску споживаного тепловим споживачем пари. Для таких установок повністю відсутня втрата теплоти в конденсаторі.

По порівнянню з роздільними установками, еквівалентними по тепловій і електричній потужності (КЕС і виробнича котельня) з тими ж початковими і кінцевими параметрами) сумарна витрата теплоти на ТЕЦ зменшується на втрати теплоти при конденсації відпрацьованої пари в роздільній установці.

Проте показник вироблення електроенергії на базі теплового споживання не відображає досконалості циклу ТЕЦ для потоку пари, що поступає в конденсатор, і тому не може вважатися всеосяжним.

Недовиробіток енергії добірною парою на турбінах теплофікації приводить до деякого збільшення витрати пари на турбоустановку в порівнянні з її роботою при вимкненому відборі для отримання постійної електричної потужності.

Витрату пари на турбоустановку з відбором можна визначити з енергетичного балансу (по потужності) її потоків пари, а саме

і матеріального балансу

Проводячи заміни, отримаємо

Звідки

(8.16)

для цієї ж турбоустановки з відключеним відбором; коефіцієнт недовиробітки електроенергії добірною парою.

Для турбоустановок з декількома відборами п

(8.16а)

Зменшення пропуску пари в конденсатор, що обумовлює зменшення втрат тепла в ньому, буде рівним:

Для оцінки ефективності комбінованого виробництва енергії на ТЕЦ частіше за все використовуються так звані приватні ККД по виробництву електроенергії і по виробництву теплоти. З цією метою зі всієї затрачуваної на турбоустановку ТЕЦ теплоти виділяють теплоту, що віддається тепловому споживачу, по її реальному фізичному змісту . Теплоту, що залишилася відносять до її витрати на виробництво електроенергії, тобто

(8.17)

Тоді приватний ККД турбоустановки по виробництву електричної енергії на ТЕЦ буде рівний:

(8.18)

Якщо тепловим споживачем не використовується теплота в кількості , то ККД турбоустановки по виробництву (віддача), теплоти

(8.19)

Для визначення приватних ККД для ТЕЦ в цілому значення ККД транспорту теплоти _тр і ККД котла _ку приймаються однаковими для виробництва як електроенергії, так і теплової енергії. Тоді ККД по виробництву електричної енергії на електростанції (ТЕЦ) знаходиться по виразу:

(8.20)

ККД по виробництву і відпуску теплової енергії на електростанції (ТЕЦ)

(8.21)

При такому визначенні часткових і ККД, і зниження витрати теплоти на установку в цілому за рахунок зменшення втрат в конденсаторі відносять до виробництва електроенергії. В такому розподілі теплоти між двома виробленими видами енергії: електроенергією і тепловою енергією полягає умовність приватних ККД.

Термодинамічна ефективність ТЕЦ оцінюється по абсолютному ККД турбоустановки ТЕЦ і всієї електростанції в цілому тобто аналогічно значенням ККД, визначених для КЕС.

Нарешті, загальна оцінка ступеня використання первинної енергії для сумарного виробництва механічної і теплової енергії може бути виражена в коефіцієнті використання теплоти (або повному ККД) теплофікації установки:

(8.22)

Відповідно для ТЕЦ в цілому

(8.23)

Цей показник припускає рівноцінність механічної і теплової енергії, що справедливо лише в їх еквівалентно-кількісному численні, і не враховує їх якісну нерівноцінність. Застосування коефіцієнта використання теплоти для ТЕЦ обмежується лише загальним порівнянням установок, що мають однакове співвідношення величин N_е і Q_п .

Умовність і обмеженість використовування вищенаведених ККД за оцінкою досконалості роботи ТЕЦ обумовлена тим, що їх величина змінюється залежно від частки добірної пари для теплового споживача, що видно з мал. 8.6.

Побудова кривих на мал. 8.6 проведена по значеннях, що приводяться нижче в виразах для визначення відповідних ККД у випадку 1 кг пари, що поступає в турбоустановку.

Рис. 8.6. Залежність ККД турбоустановок від частки відбору пари.

Внутрішній ККД турбоустановки по виробництву електричної енергії на ТЕЦ рівний

,

де

В значенні , як це слідує із його визначення (8.17), не враховується теплота, що передається тепловому споживачу з паром відбору .При зміні значення від 0 (ТЕС переходить в КЕС) до 1,0 (турбоустановка з протитиском) _Ni змінюється від , тобто від внутрішнього абсолютного ККД установки до ( крива 1 на мал. 8.6 ).

Внутрішній абсолютний ККД установки в відповідності з його визначенням дорівнює

При зміні _п від 0 до 1.0 абсолютний ККД буде змінюватись від

до

Внутрішній коефіцієнт використання теплоти палива при схемі, що згадана вище, визначення ККД через потоки пари D_п і D_к буде дорівнювати

(8.24)

З мал. 8.6 і відповідних виразів для підрахунку ККД, характеризуючих ефективність ТЕЦ, витікає, що: абсолютний ККД для ТЕЦ не відображає переваги комбінованого виробництва електричної і теплової енергій, тобто теплофікації; коефіцієнт використання теплоти, заснований на еквівалентності електричної і теплової енергії, не відображає значущості параметрів свіжої і добірної пари на вироблення електричної енергії на тепловому споживанні.

При прийнятій методиці розрахунку економічності виробництва електричної теплової енергії, в якій економія теплоти при використанні добірної пари тепловим споживачем умовно відноситься до виробництва електричної енергії, ККД по виробництву електричної енергії на ТЕЦ досягає в турбоустановках з протитиском абсурдній, з позицій термодинаміки величині _Ni=1.0.

В цьому випадку оцінка ефективності ТЕЦ по цьому показнику не залежить від параметрів і досконалості циклу паротурбінної установки.

При _п1,0 значення _Ni також виявляється вище за абсолютний внутрішній ККД, але цим підкреслюється більшою мірою перевага виробництва електроенергії на ТЕЦ в порівнянні з КЕС.

Аналогічно показникам теплової економічності КЕС для ТЕЦ використовуються також питомі витрати умовного палива на виробництво електроенергії і теплоти.

З урахуванням недоліків різних ККД для оцінки ефективності ТЕЦ більш повним показником її теплової економічності є витрата первинної енергії (теплоти, палива) задане вироблення електричної і теплової енергії. Для отримання відповідних математичних виразів скористаємося показником питомого вироблення електричної енергії на базі теплового споживання

Цей показник враховує як початкові параметри (i₀), так і параметри пари відбору (i_п). При порівнянні установок теплофікацій з різними показниками Е₁ і Е₂ досконалішою установкою буде та, яка має більше значення Е. Для визначення різниці витрат теплоти між установками необхідно врахувати, що для виконання умов порівняння витрати теплоти на додаткове вироблення електроенергії Е=Е₁-Е₂ вважається стосовно конденсаційної установки (КЕС). Тоді економія витрати теплоти може бути підрахована по формулі:

(8.25)

Оскільки , _е^КЕС_м_{г ,} то ТЕЦ з більшим питомим виробленням електричної енергії на одиницю теплового споживання завжди має кращу теплову економічність.

При порівнянні комбінованого вироблення електроенергії і теплоти на ТЕЦ з роздільними установками (КЕС і опалювально-виробничі котельні); економія первинної енергії (теплоти) рівна

(8.25а)

В деяких випадках буває доцільним визначити економію витрати палива в одиницю часу (годину) по величинах питомої витрати умовного палива на виробництво електроенергії на КЕС b_к і на ТЕЦ b_т, яка рівна

При порівнянні різних ТЕЦ економія палива буде рівна

При цьому порівнянні з допустимою точністю приймемо, що питомі витрати палива b_т на порівнюваних ТЕЦ рівні.

Таким чином, вирішальними в досягненні найбільшої економії палива від теплофікації є два показники: питоме вироблення електроенергії на тепловому споживанні і ККД циклу КЕС.

В інженерних розрахунках разом з оцінкою теплової економічності проводяться техніко-економічні розрахунки. Вони враховують також і інші витрати на реалізацію того або іншого варіанту енергопостачання у вигляді загальних розрахункових витрат. По останньому показнику здійснюється кінцева оцінка ефективності споруди тієї або іншої теплової електричної станції.