Энергетические установки
..pdf
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k −1 |
T |
T |
|
T |
|
T |
|
|
p |
k |
|
4 |
= 4 |
|
3 |
|
|
2 |
|
= |
4 |
|
T1 |
|
|
||||||||
T3 |
T2 |
|
T1 |
|
p3 |
|||||
поскольку P = P и P = P , то T4 |
= T3 . |
||||
4 |
1 |
3 |
2 |
T1 |
T2 |
|
|
|
|
||
Тогда из выражения (2.3) получим
T |
|
|
|
|
k−1 |
||
p |
k |
|
|||||
3 |
|
|
2 |
|
, |
||
p0 |
|||||||
T2 |
|
|
|
|
|
||
η =1 |
− |
1 |
. |
|
k−1 |
||||
t |
|
|
||
|
|
π k |
|
Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением π. Это связано с увеличением температуры в конце процесса сжатия T2 и, соответственно,
температуры газов перед турбиной T3. Однако максимальная
температура газов перед турбиной ограничивается жаропрочностью металла, из которого делают основные ее элементы (в авиационных двигателях – 1100–1200 °С, в стационарных – 750–800 °С). Поэтому приходится идти на снижение температуры горения топлива за счет подачи лишнего воздуха.
Цикл парогазовых установок. Комбинированные установ-
ки, в которых одновременно используются два рабочих тела (газ и пар), называются парогазовыми. Простейшая схема парогазовой установки показана на рис. 2.9.
В камеру сгорания 2 насосом подается топливо, а компрессором 1 – сжатый воздух. Продукты сгорания, отработав в газовой турбине 3, поступают в подогреватель 6, где нагревают питательную воду, поступающую в котел, и удаляются в атмосферу. Перегретый пар, получаемый в котлоагрегате 5, расширяется в паровой турбине 9 и конденсируется в конденсаторе 8. Конденсат насосом 7 перекачивается в подогреватель 6, где нагревается, и поступает затем в котел. Полезная мощность, вырабатываемая газовой и паровой турбинами, передается генераторам электрического тока 4 и 10. Соотношение между количеством
41
отработавших газов и количеством обогреваемой питательной воды определяется из условия, что количество теплоты, отдаваемой отработавшими газами, должно равняться количеству теплоты, необходимой для подогрева питательной воды до расчетной температуры.
Рис. 2.9. Схема парогазовой установки: 1 – компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – газовая турбина; 4 и 10 – электрогенераторы; 5 – котлоагрегаты; 6 – подогреватель; 7 – насос; 8 – конденсатор; 9 – паровая турбина
Рис. 2.10. Цикл установки в Т,s-диаграмме
42
Цикл установки в Т,s-диаграм- ме, изображенный на рис. 2.10, строится для 1 кг питательной воды и количества газов, приходящихся на 1 кг воды. Цикл газотурбинной части установки обозначен контуром 1–2–3–4–5–1, а цикл Ренкина паротурбинной части – 6–7–8–8′–9–9 ′–6.
При раздельной работе газотурбинной и паротурбинной установок тепло, подводимое в цикле газотурбинной установки, выражается пло-
щадью контура а–1–2–с–1, а полезная работа – площадью 1–2–3–4–5. Тепло, подводимое в цикле паротурбинной установки, выражается площадью контура с–6–7–8–8′–9–f, а полезная работа – площадью 6–7–8–8′–9–9′. Количество теплоты, выражаемое площадью 3–5–а–d, бесполезно отдается в процессе 3–5 отработавшими газами окружающей среде. В парогазовой же установке количество теплоты, выражаемое площадью 3–4–b–d, отдается в процессе 3–4 отработавшими газами питательной воде. Эта площадь равна площади контура с–6–7–е (заштрихована), определяющей количество теплоты, получаемой в процессе 6–7 питательной водой. Следовательно, при одинаковой общей мощности количество теплоты, подводимой в парогазовой установке, по сравнению с раздельной установкой уменьшается на величину площади с–6–7–е. Эта экономия в расходе теплоты и определяет эффективность рассматриваемой парогазовой установки.
2.2. Основные определения и классификация электростанций
Тепловой электрической станцией (ТЭС) называется комплекс оборудования и устройств, преобразующих энергию топлива в электрическую и тепловую энергию. Основной особенностью работы любой электростанции (конденсационной или теплоэлектроцентрали с комбинированной выработкой электроэнергии и теплоэнергии) является то, что ее промышленная продукция (электрическая и тепловая энергия) потребляется в момент производства и не может вырабатываться «на склад» или в резерв. Это значит, что электростанция в каждый данный момент времени должна вырабатывать энергии ровно столько, сколько ее потребляют.
Тепловые электростанции характеризуются большим разнообразием. Их можно классифицировать по различным признакам. Рассмотрим две наиболее известные классификации.
43
1.По назначению и виду отпускаемой энергии электростанции подразделяются на районные и промышленные.
Районные электростанции – это самостоятельные электростанции общего пользования, которые обслуживают все виды потребителей района (промышленные предприятия, транспорт, население и т.д.). Районные конденсационные электростанции, вырабатывающие в основном электроэнергию, часто сохраняют за собой историческое название ГРЭС (государственные районные электростанции). Районные электростанции, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию (в виде пара или горячей воды), называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Как правило, ГРЭС и районные ТЭЦ имеют мощность более 1 МВт.
Промышленные электростанции – это электростанции, обслуживающие тепловой и электрической энергией конкретные производственные предприятия или их комплекс. Промышленные электростанции входят в состав тех промышленных предприятий, которые они обслуживают. Их мощность определяется потребностями предприятия в тепловой и электрической энергии.
2.По виду используемого топлива тепловые электростанции разделяются на электростанции, работающие на органическом топливе (ТЭС – тепловая электростанция) и ядерном (АЭС – атомная электростанция). В качестве органического топлива для ТЭС используют газообразное, жидкое и твердое топливо. Большинство ТЭС России в качестве основного топлива потребляют природный газ и уголь, а в качестве резервного топлива –
мазут, используя последний ввиду его дороговизны только в крайних случаях. Применение угля ограничивается низкокалорийными углями (антрацитами) или отходами высококалорийного угля.
44
2.3.Основное оборудование электростанции
иего назначение
Рассмотрим устройство электростанции на примере конденсационной паротурбинной электростанции (рис. 2.11), которая включает в себя четыре обязательных элемента.
1. Энергетический котел, в ко- |
|
|
|
|
торый подводится питательная во- |
|
|
|
|
да под большим давлением, топ- |
|
|
|
|
ливо и атмосферный воздух для |
|
|
|
|
горения. В топке котла идет про- |
|
|
|
|
цесс горения – химическая энергия |
|
|
|
|
топлива превращается в тепловую |
|
|
|
|
|
|
|
||
и лучистую энергию. Питательная |
|
|
|
|
вода протекает по трубной систе- |
|
|
|
|
ме, расположенной внутри котла. |
|
|
|
|
Рис. 2.11. Схема кондесаци- |
||||
Сгорающее топливо является мощ- |
||||
ным источником теплоты, которая |
онной паротурбинной элект- |
|||
ростанции: 1 – энергетиче- |
||||
передается питательной воде. По- |
ский котел; 2 – турбоагрегат; |
|||
следняя нагревается до температу- |
3 – генератор; 4 – конденсатор; |
|||
ры кипения и испаряется. Полу- |
|
5 –питательный насос |
||
чаемый пар в этом же котле пере- |
|
|
|
|
гревается сверх температуры кипения. Этот пар с температурой 540 °С и давлением 13–24 МПа по одному или нескольким трубопроводам подается в паровую турбину.
2.Турбоагрегат, состоящий из паровой турбины, электрогенератора и возбудителя. Паровая турбина, в которой пар расширяется до очень низкого давления (примерно в 20 раз меньше атмосферного), преобразует потенциальную энергию сжатого
инагретого до высокой температуры пара в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Турбина приводит электрогенератор, преобразующий кинетическую энергию вращения ротора генератора в электрический ток.
3.Электрогенератор состоит из статора, в электрических обмотках которого генерируется ток, и ротора, представляюще-
45
го собой вращающийся электромагнит, питание которого осуществляется от возбудителя.
4.Конденсатор служит для конденсации пара, поступающего из турбины, и создания глубокого разрежения. Это позволяет существенно сократить затраты энергии на последующее сжатие образовавшейся воды и одновременно увеличить работоспособность пара, т.е. получить большую мощность от пара, выработанного котлом.
5.Питательный насос для подачи питательной воды в котел
исоздания высокого давления перед турбиной.
Таким образом, в тепловой электростанции над рабочим телом совершается непрерывный цикл преобразования химической энергии сжигаемого топлива в электрическую энергию.
Кроме перечисленных элементов, на тепловой электростанции дополнительно устанавливается большое число вспомогательного оборудования – насосов, теплообменников и других аппаратов, необходимых для повышения ее эффективности.
Далее мы рассмотрим более подробно принцип действия основного и вспомогательного оборудования тепловой электростанции.
46
3. КОТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА, ПАРОВЫЕ КОТЛЫ
3.1. Общие сведения о котельных установках
Котельная установка состоит из котла и вспомогательного оборудования. Устройства, предназначенные для получения пара или горячей воды повышенного давления за счет теплоты, выделяемой при сжигании топлива, или теплоты, подводимой от постоянных источников (обычно с горячими газами), называют котельными агрегатами. Они делятся соответственно на котлы паровые и водогрейные. Котельные агрегаты, использующие (утилизирующие) теплоту отходящих газов из печей или других основных и побочных продуктов различных технологических процессов, называют котлами-утилизаторами.
Всостав котла входит топка, пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель, каркас, обмуровка, тепловая изоляция, обшивка.
Ко вспомогательному оборудованию относятся: тягодутьевые механизмы, устройства очистки поверхностей нагрева, устройства топливоприготовления и топливоподачи, оборудование шлако- и золоудаления, золоулавливающие устройства; аппаратура автоматики, приборы и устройства контроля и защиты, водоподготовительное оборудование и дымовая труба.
К арматуре относятся регулирующие и запорные устройства, предохранительные клапаны, манометры и водоуказательные приборы.
Вгарнитуру входят лазы, смотровые люки, шиберы и заслонки.
Взависимости от вида сжигаемого топлива и других условий некоторые из указанных выше устройств могут отсутствовать.
Котельные установки, снабжающие паром турбины тепловых электрических станций, называются энергетическими. Для снабжения паром производственных потребителей и отопления
47
зданий в ряде случаев создают специальные производственные
иотопительные котельные установки.
Вкачестве источников теплоты для котельных установок используют природные и искусственные топлива (антрациты, каменные и бурые угли, жидкие и газообразные продукты нефтехимической переработки, природный и доменные газы и др.), отходящие газы промышленных печей и других устройств, солнечная энергия, энергия деления тяжелых элементов (урана, плутония) и т.д.
Технологическая схема котельной установки с барабанным паровым котлом, работающем на пылевидном угле, приведена на рис. 3.1. Топливо с угольного склада после дробления подается конвейером в бункер сырого угля 1, из которого направляется в систему пылеприготовления, имеющую углеразмольную мельницу 2. Пылевидное топливо с помощью специального вентилятора 3 транспортируется по трубам в воздушном потоке к горелкам 4 топки котла 5, находящегося в котельной 14. К горелкам подводится также вторичный воздух дутьевым вентилятором 13 (обычно через воздухоподогреватель котла 10). Вода для питания котла подается в его барабан 7 питательным насосом 12 из бака питательной воды 11, имеющего деаэрационное устройство (деаэратор – устройство, предназначенное для удаления растворенных в воде газов. Наибольшую опасность представляет собой растворенный кислород, присутствие его в воде способствует активной коррозии металла). Перед подачей воды в барабан котла она подогревается в водяном экономайзере 9 котла. Испарение воды происходит в трубчатой системе. Сухой насыщенный пар из барабана поступает в пароперегреватель 8, а затем направляется к потребителю.
Топливовоздушная смесь, подаваемая горелками в топочную камеру (топку) парового котла, сгорает, образуя высокотемпературный факел (1500 °С), излучающий тепло на трубы 6 (экраны топки), закрывающие внутреннюю поверхность стен топки. Отдав часть теплоты экранам, топочные газы с температурой около
48
Рис. 3.1. Технологическая схема котельной установки: а – водяной тракт; б – перегретый пар; в – топливный тракт; г – путь движения воздуха; д – путь движения уходящих газов; е – путь движения золы и шлака
1000 °С проходят через верхнюю часть заднего экрана, трубы которого в этом месте расположены с большим интервалом (эта часть заднего экрана называется фестоном), и омывают пароперегреватель. Затем продукты сгорания движутся через водяной экономайзер, воздухоподогреватель и покидают котел с температурой, несколько превышающей 110–130 °С. Уходящие из котла газы очищаются от золы в золоулавливающем устройстве 15 и дымососом 16 выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу 17. Уловленная из дымовых газов пылевидная зола и выпавший в нижнюю часть топки шлак удаляются, как правило, в потоке воды по каналам, а затем образовавшаяся пульпа откачивается багерными насосами насосной 18 и удаляется по трубопроводам.
Барабанный котельный агрегат состоит из: топочной камеры и газоходов; барабана; поверхностей нагрева, находящихся
49
под давлением рабочей среды (воды, пароводяной смеси, пара); воздухоподогревателя; соединительных трубопроводов и воздухоподводов. Поверхности нагрева, находящиеся под давлением, включают в себя водяной экономайзер, испарительные элементы, образованные в основном экранами топки и фестоном, и пароперегреватель. Все поверхности нагрева котла, а в некоторых случаях – и воздухоподогреватель, трубчатые (мощные паровые котельные агрегаты оборудованы воздухоподогревателями иной конструкции). Испарительные поверхности, подключенные к барабану котла, вместе с опускными трубами, соединяющими барабан котла с нижними коллекторами экранов, образуют циркуляционный контур. В барабане происходит разделение пара и воды, кроме того, большой запас воды в нем повышает надежность работы котельного агрегата.
Нижнюю трапециевидную часть топки котельного агрегата (см. рис. 3.1) называют холодной воронкой – в ней охлаждается выпадающий из факела частично спекшийся зольный остаток, который в виде шлака проваливается в специальное приемное устройство. Газомазутные котлы не имеют холодной воронки. Газоход, в котором расположены экономайзер и воздухоподогреватель, называют конвективным (конвективная шахта), в нем подвод теплоты подогреваемой воде в экономайзере и воздуху в воздухоподогевателе осуществляется посредством конвекции. Поверхности нагрева, встроенные в данный газоход котла, называются хвостовыми, они позволяют снизить температуру продуктов сгорания (500–700 °С) после пароперегревателя до 100 °С, повышая тем самым КПД котла.
3.2. Назначение и классификация котельных агрегатов
Котельным агрегатом называется энергетическое устройство производительностью D (т/ч), предназначенное для получения пара с заданным давлением (P, МПа) и температурой
50