Зорин В.М. Атомные электростанции

Еще один энергетический показатель — удельный расход пара, определяемый как

00 э

где D — расход пара, подводимого к паротурбинной установке. Это

0

не показатель тепловой экономичности: при введении регенерации теплоты, например, d увеличивается, хотя q уменьшается. Но он

оказывается удобным при оценке характерных размеров оборудования и трубопроводов по данным для паротурбинной установки другой мощности.

Многие паротурбинные установки, устанавливаемые на электро-

станциях, кроме электрической мощности N вырабатывают для вне-

э

шних потребителей тепловую мощность Qо , для чего расходуется

т

часть подводимой к ней тепловой мощности, равная Q . В этом слу-

т

чае обычно рассчитывают следующие показатели тепловой экономичности:

• КПД по производству электроэнергии

здесь в числителе записана полная полезная мощность паротурбинной установки;

• удельную электрическую мощность на тепловом потреблении

выводимыми из турбины для выработки Qо ; для турбины без проме-

т

энтальпии пара, поступающего в турбину, и в точках отбора на подогреватели теплофикационной установки.

121

В случае использования в схеме вспомогательных приводных турбин, например для привода питательных насосов, их мощность

Nдолжна быть прибавлена к N в (9.8), (9.12)—(9.14) и (9.16).

Действительно, при применении турбоприводов полная мощность, развиваемая, например, конденсационной паротурбинной установкой, складывается из электрической мощности основного турбогенератора и мощности на валу приводных турбин.

Количество теплоты, подводимой к турбинной установке, рассчитывается по формуле

где h — энтальпия питательной воды после системы регенерации

п.в

паротурбинной установки.

Формула (9.18) справедлива для паротурбинной установки без промежуточного перегрева пара, а также для паротурбинной установки с промежуточным паро-паровым перегревом. В последнем случае расход греющего пара на промпароперегреватель включен в

расход пара на турбину D .

0

Для паротурбинной установки с промежуточным перегревом пара

учтены с помощью коэффициента полезного действия η .

р.у

К собственным нуждам атомной электростанции относятся механизмы транспортно-технологических операций с топливом (перегрузочные машины и краны, насосы охлаждения бассейнов выдержки топлива), ядерных реакторов (главные циркуляционные насосы, насосы подпитки и расхолаживания, приводы стержней регулирова-

122

ния и защиты), питательные и другие насосы и механизмы паротурбинной установки, о которых уже упоминалось, циркуляционные насосы системы технического водоснабжения. Кроме механизмов, обслуживающих основной технологический процесс, на атомной электростанции имеются механизмы других вспомогательных систем (вентиляции и кондиционирования воздуха, пожарные насосы, компрессорные установки, двигатели-генераторы для зарядки аккумуляторных батарей и т.п.).

Надежность атомной электростанции в значительной мере определяется надежностью работы устройств и механизмов собственных нужд. Расход электроэнергии на собственные нужды проектируемой электростанции может быть определен с помощью коэффициента относительного расхода, значение которого определяется опытом эксплуатации аналогичных энергоблоков: для атомной электростан-

ции с ВВЭР k ≈ 5 %. С учетом изложенного

с.н

0p ППУ пп

Все перечисленные КПД и коэффициенты можно объединить равенством

9.3.Начало эксергетического анализа

Всовременной теплоэнергетике используются, в основном, две формы производства и передачи энергии — работа и теплота. Из первого закона термодинамики следует, что они равнозначны. Однако с позиций второго закона термодинамики, учитывающего «качество» энергии — ее превратимость, они не эквивалентны. Работа как в механической, так и в электрической форме может быть полностью использована для любой цели и любого превращения.

123

Теплота, напротив, имеет ограниченную, частичную превратимость, зависящую как от температуры, ее характеризующей, так и от температуры окружающей среды.

Рассмотренные показатели тепловой экономичности это обстоятельство не учитывают. Так, при расчете общей тепловой экономичности ПТУ по формуле (9.16) в числителе складываются электрическая и тепловая мощности. Неудовлетворенность тем, что складываются слагаемые с различными свойствами, можно легко объяснить. Если вся подводимая теплота будет расходоваться в ПТУ только для выработки электроэнергии, то коэффициент преобразования энергии будет существенно меньше единицы. Но если то же количество теплоты израсходовать на получение только тепловой энергии, то независимо от энергетического потенциала последней (независимо от уровней давления и температуры отводимого теплоносителя) КПД, рассчитанный по энергетическому балансу, можно получить близким к единице. Свести к единому показателю энергетические ценности отводимых от ПТУ электрической и тепловой мощностей можно, используя эксергетический анализ [12].

Анализ энергетического баланса в ряде случаев не может дать ответ на вопрос, каким же может быть максимально полезный эффект системы. Ответ может дать эксергетический анализ. Понятие эксергии введено сравнительно недавно (З. Рант, 1956 г.), хотя фактическое его использование относится к середине XIX в., и обусловлено техническим прогрессом и необходимостью высокоэффективных устройств преобразования энергии в различных отраслях техники.

Если понятие «энергии» связано с фундаментальными свойствами материи, с законами сохранения, то эксергия характеризует одну из сторон энергии, а именно — ее превратимость в условиях окружающей среды, параметры которой не зависят от рассматриваемой системы.

Энергетический баланс по своей сути — это закон сохранения энергии: в любой установке или ее части суммы входящих и выходящих потоков энергии равны вне зависимости от того, обратимы процессы в рассматриваемой установке или нет [как пример, см. (9.7) на с. 118]:

здесь Q — поток энергии в единицу времени (мощность).

Если же в какой-либо установке или ее части происходит передача энергии от одного тела другому или ее преобразование в необ-

124

ратимых (неидеальных) процессах, то сумма эксергий входящих потоков всегда будет больше суммы эксергий выходящих потоков:

Эксергия — это свойство термодинамической системы или потока энергии, определяемое количеством работы, которая может быть получена внешним приемником энергии при обратимом взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия.

Эксергетическая функция состояния потока вещества (для 1 кг), кДж/кг, записывается в виде

при наступлении полного равновесия с окружающей средой, т.е. когда давление и температура вещества равны давлению и темпера-

ства в исходном состоянии и при наступлении полного равновесия;

Максимальная работа может быть произведена потоком вещества в изоэнтропном процессе (s = сonst). Минимальное количество теплоты, которое в соответствии со вторым законом термодинамики

Таким образом, эксергетическая функция — это максимально возможная работа потока вещества от его исходного состояния, харак-

теризуемого h и s, до конечного состояния, характеризуемого h и

о.с

s. Предполагается, что изменения кинетической и потенциальной

о.с

энергий потока пренебрежимо малы. Из формулы (9.21) также видно, что так как энтальпия и энтропия — параметры состояния, то и эксергия — параметр состояния, включающий параметры окружающей среды.

Удельная эксергия (в расчете на 1 кг рабочего тела) подводимой к паротурбинной установке энергии в форме теплоты определяется как разность удельных эксергий подводимого к турбине пара и отводимой от ПТУ питательной воды:

125

Структура формул (9.21) и (9.22) делает понятным другое название эксергии — технически свободная энтальпия. Это часть энтальпии тела в любой точке какого-либо процесса с параметрами веще-

ства h и s, способная превратиться в другие виды энергии: h – T s .

о.с

Остальную часть энтальпии, равную T s и представляющую собой

о.с

энергию тела, непревратимую в данных условиях в другие виды энергии, называют связанной энергией или анергией.

Полная эксергия, как и любой другой параметр состояния, есть произведение удельной эксергии и массы вещества. При умножении на расход рабочего тела полная эксергия будет выражена в единицах мощности — киловаттах. Для ПТУ при равенстве расходов пара и питательной воды (D = D )

0п.в

По формуле, аналогичной (9.22), рассчитывается эксергия теплоты, отводимой от ПТУ потребителям с помощью сетевой воды с

Отводимая от ПТУ электрическая энергия в обратимом процессе может быть полностью преобразована в любой другой вид энергии (работы), поэтому ее полная эксергия

Эксергетический КПД ПТУ запишется в виде

q подв

Эксергетический баланс ПТУ будет иметь следующий вид:

где ∑D — сумма эксергетических потерь.

экс

В уравнении (9.7) Q — поток энергии от оборудования в окру-

пот

жающую среду — означает потерю энергии лишь для данной установки (энергия уничтожаться не может). В отличие от энергии эксер-

126

гетические потери означают уничтожение части эксергии в результате диссипации энергии*.

Пример. Расчетом тепловой схемы ПТУ К-500-6,5/50 были определены следующие ее параметры:

Были рассчитаны показатели тепловой экономичности, основанные на энергетическом балансе [см. формулы (9.14), (9.16)]:

N

0т

0т

Определены также эксергии энергетических потоков по формулам (9.22)—

= 293,15 К) и эксергетический коэффициент полезного действия по формуле (9.26):

Е= 699,6 МВт;

qподв

Е= 13,0 МВт;

q т

Nнт + E

чании расчета.

Эксергия отведенной в конденсаторе теплоты рассчитана по параметрам

пара на входе (после последней ступени турбины) и конденсата на выходе (р =

к

= 4 кПа, h = 2410 кДж/кг, h ′ = 121,4 кДж/кг):

п.с к

*

Диссипация (рассеивание) — переход энергии упорядоченного движения в энергию

хаотического движения частиц. Отсюда обозначение потерь эксергии — D (Dissipation);

нижний индекс «экс» добавлен для различия потерь эксергии и расходов рабочего тела.

127

Е= D е = 29,1 МВт.

По уравнению энергетического баланса ПТУ (9.7) были рассчитаны энергетические потери:

Q= Q – Nнт – Qо – Q = 24,3 МВт.

пот 0 э т к

Требуется определить эксергию этих потерь, т.е. потока энергии от оборудования в окружающую среду. Для этого применим упрощенный подход.

Потери Q суть результат теплообмена рабочего тела ПТУ с окружающим

пот

воздухом через ограничивающие поверхности: корпуса элементов оборудования, стенки трубопроводов. Средой, передающей теплоту окружающему воздуху, является, как правило, конденсирующийся пар из отборов турбины.

Наибольшая энтальпия пара равна h , наименьшая энтальпия конденсата — h ′ .

0 к

Приняв, что тепловые потери происходят равномерно в этом интервале энтальпий, определим расход рабочего тела, эквивалентный потерям энергии:

D = Q / (h – h ′ ) = 9,2 кг/с.

Эксергию тепловых потерь рассчитаем по параметрам свежего пара и кон-

Е= 9,8 МВт.

q пот

Могут быть предложены и другие способы расчета эксергии тепловых потерь, однако принципиальные выводы проводимого анализа не изменятся.

Для удобства сопоставления рассчитанные величины были сведены в табл. 9.1, из которой видно, что значения полной эксергии подводимой тепловой энергии и отпускаемой потребителям теплоты существенно меньше соответствующих мощностей в энергетическом балансе.

Значительно меньше отводимой в конденсаторе тепловой мощности полная эксергия передаваемой охлаждающей воде теплоты рабочего тела. И это, очевидно, основная причина большего значения эксергетического КПД по сравнению с энергетическим. Теплоту, отводимую в конденсаторе, нередко классифицируют как потерю энергии, хотя и неизбежную в соответствии со вторым законом термодинамики. Эксергетический анализ показывает, что максимально возможная полезная работа потока рабочего тела, отводимого в конденсатор, мала. Реальную же работу при определенных условиях (например, низкая температура конденсации пара) вообще нельзя получить.

Обращает на себя внимание последняя строка табл. 9.1. Потери эксергии от необратимости процессов в оборудовании ПТУ, скрытые в энергетическом балансе, составляют почти четвертую часть пол-

128

ной эксергии теплоты, подводимой к ПТУ. Отсюда следует важный вывод: основным направлением повышения эффективности паротурбинной установки, в том числе и по показателям энергетического баланса, является совершенствование оборудования ПТУ.

Важно помнить, что выбор параметров технической системы, и АЭС в частности, должен производиться на основе технико-эконо- мической оптимизации с использованием критерия (или критериев), отражающего ее функциональные свойства — экономичность (в первую очередь) и надежность. Термодинамический анализ (энергетический или эксергетический) играет вспомогательную роль, хотя и важную, позволяющую экономить энергетические ресурсы, упрощать процедуру технико-экономической оптимизации, ограничивать ее реально возможными вариантами.

Контрольные вопросы и задания

1.Что такое тепловая экономичность?

2.Какие необратимые потери имеют место в оборудовании паротурбинной установки?

3.Почему учет питательного насоса при анализе обратимого термодинамического цикла приводит к уменьшению его коэффициента полезного действия?

4.Что такое показатель эффективности работы какой-либо установки?

129

5.Как записывается электрический коэффициент полезного действия паротурбинной установки, вырабатывающей электрическую энергию и отпускающей потребителям теплоту?

6.Определите электрический коэффициент полезного действия (брутто и нетто) паротурбинной установки, удельный расход теплоты на выработку электроэнергии и коэффициент полезного действия, характеризующий общую тепловую экономичность данного режима работы ПТУ, если заданы: мощность на выводах электрогенератора — 800 МВт, отводимая в тепловую сеть тепловая мощность — 100 МВт, электрическая мощность механизмов ПТУ — 20 МВт, мощность турбопривода питательного насоса — 32 МВт, подводимая к паротурбинной установке мощность — 1850 МВт.

7.Какую характеристику вещества при заданных параметрах окружающей среды позволяет определить его эксергетическая функция?

8.Что такое эксергия теплоты?

9.В теплообменном устройстве теплоносителю (воде) передается 50 МВт тепловой мощности. Определите эксергию переданной теплоты для случаев нагрева воды до 120 и 180 °С при давлении воды 2,5 МПа, температуре на входе 70 °С и температуре окружающей среды 25 °С.

130