Новосибирский Государственный Технический Университет

621.311

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ПАРОТУРБИННОГО ЭНЕРГОБЛОКА НА ОСНОВЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСОВ

Новосибирск 1997

2

Введение

Применяемые на тепловых электростанциях (ТЭС) энергоблоки можно разделить на две группы: конденсационные энергоблоки, вырабвтывающие (и отпускающие потребителю) только электроэнергию и теплофикационные энергоблоки, вырабатывающие (и отпускающие потребителю) электроэнергию и теплоту.

В энергоблоках осуществляются неравновесные процессы трансформации энергии: химическая энергия топлива неравновесно (т.е. с потерями) трансформируется в теплоту и далее в механическую работу, которая преобразуется в электроэнергию. Чтобы осуществить непрерывный процесс трансформации энергии в форме теплоты в механическую работу, необходимо иметь “горячий” и “холодный” термодинамические источники теплоты и использовать в энергоблоке рабочее тело. Последнее в круговом термодинамическом процессе (цикле) изменяет свое состояние в результате совершения работы и подвода (или отвода) энергии в форме теплоты.

Уравнение первого закона термодинамики для кругового процесса ∫dQ = ∫dW с учетом того, что∫dU = 0, представляет собой ту теоретическую

основу процесса трансформации энергии, на базе которой создаются и функ-

ционируют энергоблоки. Условия осуществления этих процессов определяются

тивность процесса преобразования теплоты в работу оценивается коэффициентом полезного действия (КПД) ηt = ∫dW ∫dQ1 = 1 − ∫dQ2 ∫dQ1 1. Максималь-

ная работа будет получена тогда, когда приращения “горячего” и “холодного” термодинамических источников теплоты будут одинаковы:

где Т , ТГ - температуры окружающей среды и “горячего” термодинамического источника.

Причинами неравновесности реальных процессов являются теплообмен при конечной разности температур и трение. В результате при сжигпнии топлива имеют место как деградация (снижение качества) энергии при трансформации химической энергии в теплоту, так и отвод энергии (из-за невозможности технического использования) в окружающую среду (например, с уходящими из котла газами, имеющими более высокую температуру, чем окружающая Сре-

да). При трансформации теплоты в работу процесс расширения рабочего тела

сопровождается трением, которое, как известно, снова переходит в теплоту и идет на повышение энтальпии рабочего тела, на разогрев металла элементов и

кормусов агрегатов, поэтому наряду с Τ ∫dQ1 ΤΓ = ∫dQ2 min 0 от энергоблока

необходимо отводить в окружающую среду и теплоту трения. Трансформация

механической работы в электроэнергию также сопровождается трением (трение

в подшипниках и при движении механизмов, трение при движении электронов в

топроводах обмоток статора и ротора электрогенератора, которое также переходит в теплоту и должно отводиться в окружающую среду). Кроме этого имеются потери в соединительных трубопроводах (из-за неравновесного теплооб-

мена с окружающей средой и в результате движения рабочего тела с трением). Таким образом мощность на клеммах электрогенератора:

3

ΝΓ = ∫dQ1 − ∫dQ2 min - ∫d∆Q2 ,

где ∫dQ1 = ΒQΗΡ при сжигании топлива в количестве В с удельной химической энергией (теплотой сгорания) QΗΡ ; ∫d∆Q 2 - теплота, отводимая из-за неравно-

весности процессов. Из этого выражения следует, что для уменьшения расхода топлива на энергоблок при заданной его мощности NГ инженер-теплотехник должен стремиться к экономически обоснованному (в данных реальных усло-

виях) снижению необратимости процессов, т.е. к уменьшению ∫d∆Q2 .

На ТЭС может сжигаться уголь, газ и жидкое топливо. Для сравнения эффективности энергоблоков, сжигающих различные топлива, вводится поня-

тие условного топлива с QΗΡ = 29,3 МДж/кг. Расход условного топлива, кг у.т./с, определяется из соотношения ΒУ.Т. = ΒQΗΡ 29,3, а удельный его расход на 1 кВт ч электроэнергии, кг у.т./(кВт ч),

где ηΝ = ΝΓ (ΒQΗΡ ) - КПД конденсационного энергоблока.

Для теплофикационных энергоблоков при оценке эффективности комбинированного производства энергии используются условные показатели, так называемые частные КПД по производству (отпуску) электроэнергии и по (производству (отпуску) теплоты:

ηΝ = ΝΓ (ΒQΗΡ −QΤ ), ηQ = QΤ QΤ ,

где QΤ , QΤ - производимая и отпускаемая тепловому потребителю теплота. Соответствующие удельные расходы условного топлива, кг у.т./(кВт ч):

bΝ = 0,123 ηΝ , bQ = 0,123 ηQ .

В формуле ( ) Wmax представляет собой эксергию - максимально возможную работу системы, в которой “холодным” термодинамическим источником является окружающая Среда, и обозначается буквой Е. Согласно ( ) теплота Q1 состоит из двух частей разного качества: Е - эксергии, превратимой (при данных граничных условиях) части теплоты в работу, и - непревратимой (при тех же

граничных условиях) части теплоты Τ ∫dQ1 , которое можно в некотором смыс-

ΤΓ

ле сравнить с ролью балласта топлива. Эксергетическая потеря или потеря возможной работы означает не уничтожение какой-либо части энергии, а ее

переход в непревратимую теплоту, т.е. потерю эксергии. Механизм появления

эксергетических потерь можно представить себе так.

Часть идеальной технической работы (эксергии) вследствие трения и не-

равновесного теплообмена вновь преврещается в теплоту, которая по смыслу

второго закона термодинамики не в состоянии вновь целиком превратиться в работу. В общем случае одна часть этой теплоты вновь переходит в работу, а

другая передается окружающей среде и составляет окончательную безвозвратную потерю, именуемую эксергетической. Очевидно, что эксергетиче-

ская потеря, являясь частью эксергии, истраченной на трение и неравновесный теплообмен, не входит в реальную работу.

Отсюда, мощность на клеммах электрогенератора:

4

ΝΓ = Ε −Τ ∑∆S,

где Τ ∑∆S - сумма эксергетических потерь.

Для ряда тепловых процессов (включая теплообмен) эксергетическую потерю можно подсчитать как разность эксергии до и после протекания процесса. Переход непревратимой части тепла, эквивалентного этой разности, к окружающей среде происходит необязательно в той части энергоблока, где зарождается эксергетическая потеря. В конденсационном энергоблоке, например, эксергетическая потеря от неравновесного теплообмена между продуктами сгорания (дымовыми газами) и водой и паром имеет место в котле, но переходит к окружающей среде в конденсаторе. Там же переходит к окружающей среде эксергетическая потеря, вызванная неизотермичностью расширения пара в проточной части турбины. Происходящий при горении топлива переход химической энергии в теплоту сопровождается появлением эксергетической потери. Пока энергия была химической, она подобно механической и электрической энергии была организованной энергией, т.е. полностью превратимой в другие виды. Поэтому в теплотехнических расчетах полагают, что теплота сгорания топлива с достаточной точностью измеряет химическую энергию, равную его эксергии.

Эксергетический КПД конденсационного энергоблока:

где Ε0 ΒQΗΡ - эксергия топлива.

Эксергетический КПД теплофикационного энергоблока:

ды, пара).

Соответствующие удельные расходы условного топлива, кг у.т./(кВт ч): bΕΝ = bΕQ = 0,123ηΕ .

Постановка задачи определния тепловой экономичности паротурбинного энергоблока в рамках расчетно-графического задания

Расчитать принципиальную тепловую схему (с деаэраторным подогревом питательной воды) теплофикационного энергоблока на основе метода энерге-

тического и эксергетического балансов. Определить энергетические и эксерге-

тические потери при работе энергоблока на конденсационном и теплофикационном режимах. Сравнить энергетические и эксергетические показатели эффективности. По результатам расчетов построить диаграммы энергетических и

эксергетических балансов.

5