Лескин С.Т., Слободчук В.И., Шелегов А.С., Кашин Д.Ю. Теплотехнические основы производства электроэнергии и тепла на АЭС

Количество теплоты, отводимое от одного килограмма рабочего тела в «холодном источнике», обозначим через q1.

Рис. 3.5. Расширение рабочего тела в турбине (к определению КПД)

H a = h0 − ha – удельный располагаемый теплоперепад (или

адиабатный теплоперепад, или удельная располагаемая внутренняя работа турбины, ωа).

Итак, реальный процесс – это не h0-a, и даже не h01-b, а h01-c. Точка d смещена по отношению к точке с из-за так называемых

потерь с выходной скоростью.

Термический КПД цикла – это величина ηt :

Совершенство проточной части турбоустановки характеризуется величиной ηT :

Потери с выходной скоростью характеризуются своим КПД:

31

Внутренний относительный КПД турбины η0i – это отноше-

ние действительного теплоперепада к располагаемому теплоперепаду:

Внутренний абсолютный КПД турбины ηi определяется следующим образом:

где Hi = Hi (1− ψпрот ) – теплоперепад в турбине с учетом протечек,

где ωэ – удельная энергия, снимаемая с шин электрогенератора,

32

Здесь ηГ – КПД, учитывающий потери в электрогенераторе. Абсолютный электрический КПД турбоустановки

Если же говорить о КПД станции, то надо учесть также и потери в реакторе, ПГ, трубопроводах и т.д., т.е.

Это так называемый КПД АЭС брутто, т.е. без учета затрат электрической энергии на собственные нужды. Если учитывать расход электрической энергии на собственные нужды, то абсолютный электрический КПД нетто турбоустановки запишется следующим образом:

где ωс.н. – удельный расход энергии на собственные нужды. Для АЭС КПД нетто записывается так:

Оценка тепловой экономичности проводится также по удельному расходу теплоты и пара на турбоустановку.

Удельный расход теплоты на турбоустановку – это величина

Удельный расход пара на турбоустановку d0 – количество пара, которое надо подвести к турбине, чтобы выработать 1 кВт ч энергии. Определяется следующим образом:

33

3.5. Показатели тепловой экономичности АТЭЦ

АТЭЦ вырабатывает электроэнергию и одновременно через сетевые подогреватели отпускает тепло потребителю. Эффективность работы также определяется величинами КПД и удельного расхода тепла. Для определения показателей, характеризующих тепловую экономичность процесса производства электроэнергии и тепла, необходимо общий расход по станции в целом разделить на доли, затрачиваемые на производство отдельных видов энергии. Из общего количества тепла Q0, подводимого к турбоустановке, на долю теплового потребления приходится вся теплота, отпускаемая из отборов, – как полезно отдаваемая потребителю, так и потери.

Потери учитываются коэффициентом ηТП . Оставшееся тепло идет

Так как за счет работы пара, идущего тепловому потребителю, врабатывается некоторое количество электроэнергии WЭ.ТП, то для оценки эффективности работы АТЭЦ рассматривается дополнительно показатель – удельная выработка электроэнергии на тепло-

вом потреблении: ЭТП = WЭ.ТП . Чем выше ЭТП, тем выгоднее при-

QТП

менять комбинированное производство тепла и электроэнергии. Кроме этого, для характеристики АТЭЦ вводится еще один по-

казатель – коэффициент недовыработки электроэнергии паром отбора. Смысл этого коэффициента станет более понятным из следующего примера. Сравним работу двух турбоустановок одинаковой электрической мощности Nэ: конденсационной (К), предназначенной только для выработки электроэнергии, и теплофикационной (ТК), предназначенной для выработки электроэнергии и отпуска тепла потребителю. Пар, поступающий на теплофикационную турбину, не весь попадает затем в конденсатор. Часть его с энтальпией

34

hП отбирается тепловому потребителю. На турбоустановку типа К расход пара можно оценить так:

где h0 и hК – энтальпия пара перед турбиной и после нее, соответственно, ηМ , ηГ – КПД, учитывающие механические потери и по-

тери в генераторе.

При наличии расхода GП на тепловой потребитель при неизменном расходе на ТУ выработанная электроэнергия уменьшится на величину NЭ:

ботки электроэнергии паром отбора. Эта величина удобна при расчете некоторых параметров. Например, для турбины типа ТК расход пара в конденсатор будет следующим:

GK = GTK − GП = GK0 + Y GП − GП = GK0 − (1− Y ) GП . (3.26)

Уменьшение расхода пара в конденсатор, а следовательно, и уменьшение потерь тепла в конденсаторе, при наличии теплофикационного отбора будет следующим:

GK = GK0 − GK = (1− Y ) GП ,

35

Таким образом, налицо повышение экономичности работы станции при наличии теплофикационного отбора.

4.Регенеративныйподогрев питательнойводы

4.1.Термодинамические основы регенерации тепла. Энергетический коэффициент

Подогрев питательной воды за счет теплоты частично отработавшего в турбине пара называется регенеративным подогревом питательной воды. Технически такой процесс осуществляется следующим образом. В процессе расширения пара часть его отбирается из турбины и направляется в специальные теплообменные аппараты (регенеративные подогреватели) для нагрева конденсата (питательной воды) (рис. 4.1). С термодинамической точки зрения, выигрыш от регенеративного подогрева состоит в следующем. При чисто конденсационном цикле весь пар, подводимый к турбине, доходит до конденсатора, в котором происходит его полная конденсация, и теплота конденсации уносится в окружающую среду с охлаждающей водой. В цикле с регенерацией теплота отбираемого пара возвращается (регенерируется) обратно в цикл. Очевидно, что регенеративный подогрев питательной воды является одним из способов использования частично отработанной теплоты в схеме самой станции. Это позволяет заметно повысить тепловую экономичность цикла и является одним из важнейших мероприятий в усовершенствовании рабочего процесса энергетических установок, работающих по циклу Ренкина.

Строго говоря, корректно изобразить рабочий цикл с регенеративным подогревом в t–s или h–s диаграмме затруднительно, так как такие диаграммы строятся для постоянного количества рабочего тела, а в регенеративном цикле количество рабочего тела в процессе расширения меняется из-за отборов пара на регенерацию. Поэтому такой цикл изображают либо условно, либо вводят третью переменную – расход рабочего тела. На рис. 4.2 представлено условное изображение цикла с регенерацией в t–s диаграмме. Чем

36

ближе линия 1–2 к плавной линии, эквидистантной линии 3–4–5, тем ближе КПД такого цикла к КПД цикла Карно. На практике реализовать цикл с эквидистантными кривыми нельзя.

Рис. 4.1. Принципиальная тепловая схема без регенерации (а) и с регенерацией (б) тепла: ИТ – источник тепла, ТУ – турбоустановка, К – конденсатор, ЦН – циркуляционный насос, РП – регенеративный подогреватель. Цифры на схеме соответствуют обозначениям на t–s диаграмме (см.

рис. 4.2)

37

αi (h0 − hi ) = ωP – работа, совершаемая в турбине долями па-

i

ра, ушедшими в отборы на регенеративный подогрев;

αK (hK − hК′ ) = qK – отвод тепла из цикла в конденсаторе;

αK (h0 − hК′ ) = q0 – тепло, подводимое в источнике для выра-

ботки доли пара αK ;

αi (h0 − hi ) = qP = ωP – тепло, подводимое в источнике для

i

выработки долей пара αi .

Исходя из общего определения, запишем выражение для КПД

Подставив выражения для q1 и q2, получим в общем виде выражение для КПД цикла с регенерацией:

AP = ωP – энергетический коэффициент цикла, т.е. отношение ра-

ωK

боты, совершаемой паром отборов, к работе конденсационного потока пара.

39

Сравним КПД цикла с регенерацией и КПД цикла без регенерации:

Для цикла с регенерацией энергетический коэффициент АР >0, поэтому η > 0, причем чем выше АР, тем больше η. В свою

очередь, энергетический коэффициент АР зависит от ряда факторов: количества подогревателей, теплоперепадов h0 − hi = hi , темпе-

ратуры питательной воды и их соотношений. Поэтому надо искать оптимум величины АР в зависимости от всех этих параметров. Это одна из задач расчета схемы регенеративного подогрева.

Характер зависимости экономии теплоты от степени регенерации и числа регенеративных подогревателей представлен на рис. 4.3.

Кривые построены для случая равномерного распределения подогрева по ступеням регенерации. Из рис. 4.3 видно, что при увеличении числа подогревателей КПД цикла с регенерацией растет, а оптимальная степень регенерации увеличивается. Максимальная энергетическая эффективность регенеративного подогрева достигается при бесконечном числе регенеративных подогревателей и степени регенерации, равной единице. Однако анализ показывает, что относительный прирост КПД с каждым последующим дополнительным подогревателем быстро уменьшается. С термодинамической точки зрения, такая зависимость объясняется необратимостью процессов теплообмена в подогревателях при их конечном числе. При числе подогревателей, стремящемся к бесконечности, температурные перепады в подогревателях стремятся к нулю, и процесс теплообмена приближается к равновесному (обратимому), что и обусловливает максимальный КПД цикла, который стремится к КПД цикла Карно.

Оптимизация распределения подогрева питательной воды по ступеням обязательна при разработке и расчете регенеративных схем подогрева.

40