2.6.6 Теплофикационный цикл

В паросиловой установке лишь незначительная доля (30 - 40%) тепла, выделяющегося при сгорании топлива преобразуется в полезную работу. Наибольшая часть тепла передается воде, охлаждающей конденсатор при температурах, незначительно превышающих (на 10 -15°С) атмосферную, и поэтому бесполезно теряется.

С другой стороны, для бытовых и технологических нужд наряду с электроэнергией требуется тепло сравнительно невысоких температур (80 - 100 °С). Источником этого тепла может служить пар после расширения его в турбине или охлаждающая конденсатор вода при условии, что давление, до которого производится расширение пара в турбине, будет повышено. В этом случае тепло сжигаемого топлива будет использоваться для получения как полезной работы, так и требующегося тепла низкой температуры.

Одновременная выработка в одной и той же паросиловой установке электрической энергии и тепла низкой температуры является значительно более выгодной по сравнению с раздельной выработкой электрической энергии и тепла.

Комбинированная выработка на тепловых электрических станциях электрической энергии и тепла для технологических и бытовых нужд на базе централизованного теплоснабжения называется теплофикацией. Теплофикация является одним из важнейших методов экономии топлива.

На рис. 2.46 приведена принципиальная схема простейшей теплофикационной установки с противодавлением, состоящей из котла 1 с пароперегревателем 2, турбины 3 с находящимся с ней на одном валу электрогенератором 4, потребителя тепла 5 и насоса 6.

Рис. 2.46. Схема теплофикационной ПСУ

Рис. 2.47. Цикл теплофикационной ПСУ в S-Т диаграмме

На рис. 2.47 изображен теоретический цикл этой теплофикационной установки в координатах S-Т. В этой диаграмме тепло, превращенное в работу за цикл, как обычно, изображается площадью 1-2-3-5-4-6-1, а площадь а-3-2-в-а представляет собой тепло q₂, отданное внешнему потребителю.

Тепловые электростанции, осуществляющие комбинированную выработку электроэнергии и тепла, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ) в отличие от чисто конденсационных электростанций (КЭС), производящих только электроэнергию.

2.7 Общие методы анализа эффективности необратимых

(реальных) циклов теплосиловых установок

Для оценки эффективности теплосиловой установки следует ответить на два основных вопроса:

1) Насколько велик термодинамический КПД обратимого цикла теплосиловой установки, от каких факторов он зависит и что следует предпринять для его увеличения? (Эти вопросы были рассмотрены выше).

2) Насколько велики необратимые потери в реальном цикле установки, как распределяются эти потери по отдельным элементам цикла и, следовательно, на усовершенствование какой части цикла теплосиловой установки надо обратить внимание с целью уменьшения степени необратимости цикла.

1. Метод коэффициентов полезного действия

в анализе необратимых циклов

Эффективность реальных (необратимых) циклов можно оценить по величине внутреннего абсолютного КПД цикла, определяемого соотношением:

, (2.23)

где

(2.24)

. (2.25)

Здесь h_oi - внутренний относительный КПД цикла, показывает насколько действительный цикл менее совершенен, чем обратимый цикл.

Помимо необратимых потерь, имеющих место в процессах, работа реальной теплосиловой установки сопряжена с рядом потерь, обусловленных необратимостью тепловых, механических и электрических процессов в отдельных элементах всей теплосиловой установки. К ним относятся потери на трение в подшипниках турбины или при движении поршня в цилиндре, потери тепла в паропроводах, электрические потери в электрогенераторе и т.д. С учетом этого эффективность теплосиловой установки в целом характеризуется величиной так называемого эффективного абсолютного КПД h^уст_е. Это есть отношение величины работы, отданной теплосиловой установкой внешнему потребителю, к количеству тепла, подведенного в установке.

(2.26)

Здесь - произведение величин эффективных КПД, характеризующих необратимые потери во всех n элементах установки.

Эффективный абсолютный КПД теплосиловой установки h^уст_е показывает, какая доля тепла q₁ введенного в установку (например, выделяющегося при сгорании топлива или подведенного от какого-либо другого источника), превращена в работу, отданную внешнему потребителю,

1_полезн = h^уст_е × q₁. (2.27)

Понятие работы, отданной внешнему потребителю, в каждом конкретном случае может иметь различный смысл; так для теплосиловой энергетической установки - это электроэнергия, отданная в энергосистему, для поршневого автомобильного двигателя - работа, переданная на вал автомашины, для реактивного двигателя - тяга и т.д.

Очевидно, что величина

Dq = (1-h^уст_е )q₁ (2.28)

представляет собой долю тепла q₁, не превращенную в работу. Величина Dq включает в себя как тепло q₂, передаваемое холодному источнику, так и потери тепла Dq_пот, обусловленные необратимостью процессов в отдельных элементах установки, потерями тепла в окружающую среду и т.д. Нетрудно найти величину Dq_пот ; очевидно, что

Dq_пот = 1_ц^обр - 1_полезн, (2.29)

где 1_ц^обр - работа, производимая в обратимом цикле, а 1_полезн - работа в действительности производимая реальной установкой. С учетом выражений (2.24) и (2.27), получим:

Dq_пот = (h_t - h^уст_е)q₁. (2.30)

С точки зрения термодинамического совершенства следует всячески стремиться к повышению эффективного абсолютного КПД установки. Однако в ряде случаев осуществление мероприятий, направленных на увеличение термодинамического КПД (а следовательно и h^уст_е ), сопряжено со значительным усложнением и, значит, удорожанием установки. Поэтому в каждом конкретном случае решается вопрос о целесообразности повышения термодинамического КПД в результате технико-экономического анализа, выходящего за рамки термодинамики.