10.1. Термодинамічні основи теплофікації

Пара у циклі Ренкіна конденсується при температурі 20-35⁰С. Теплота q₂ охолоджуючої води в конденсаторі з такою температурою не може бути використаною для виробничих і побутових цілей. Для технологічних потреб промисловості найбільш поширеною є пара з тиском до 20-25 ат, а для опалення будівель – гаряча вода з температурою не нижче ніж 80-85⁰С.

Для використання теплоти q₂ необхідно підвищити температуру, а значить, і тиск на виході з турбіни до 0,2 - 0,3 МПа (надлишкових). Такі турбіни працюють із протитиском. Крім генерації електричної енергії, в такому циклі виробляють для зовнішнього споживача теплоту у вигляді гарячої води або пари. Їх отримують у теплофікаційних теплообмінниках, що встановлені на лінії подачі пари з парової турбіни.

Теплові електростанції, на яких здійснюється комбіноване вироблення електроенергії і теплоти, називаються теплоелектроцентралями (ТЕЦ), а турбіни, що використовуються на ТЕЦ, –теплофікаційними.

Підвищення тиску пари на виході із турбіни приводить до зниженнярозраховуваного перепаду ентальпій на турбіні, зменшення роботи розширення і скорочення вироблення електроенергії. Але за рахунок цього ж підвищення тиску виникає можливість використання теплоти конденсації пари. На ТЕЦ близько 20-25% теплоти, що виділяється при спалюванні палива, перетворюється в електричну енергію, а 55-60% передається для опалення, гарячого водопостачання й виробничих потреб.

На рис.27показана схема ТЕЦ із регенеративним теплообмінником для нагрівання конденсату і теплофікаційним теплообмінником для нагрівання води в системі опалення.

Рис 27.Схема ТЕЦ:

1 – паровий котел;

2 – пароперегрівач;

3 – багатоступенева парова тур-біна з відбором пари;

4 – теплофікаційний теплооб- мінник для нагрівання води ;

5 – помпа;

6 – регенеративний підігрівач кон-денсату

Частина водяної пари після проходження першого ступеня турбіни видаляється з неї і подається з тиском 0,5-0,6 МПа в регенеративний тепло-обмінник, де в ході конденсації віддає теплоту конденсатові.

Масова частка пари, що подається в регенеративний теплообмінник, становить g. Турбіна працює з протитиском. Зім’ята пара з турбіни в кількості1–g надходить у теплофікаційний теплообмінник, де конденсується при тискуP₂ > P_бар, віддає теплоту для нагрівання мережної води системи опалення. Охолоджена мережна вода із системи опалення повертається в теплофікацій- ний теплообмінник, що спричиняє процес конденсації пари. Після нагрівання в регенеративному теплообміннику конденсат подається помпою у котел.

Теплофікаційний цикл із регенеративним підігрівачем показаний на рис.28 у T-S - координатах.

Рис. 28. Цикл ТЕЦ укоординатах P-υ і T-S

Розглянемо процеси циклуТЕЦ з одним регенеративним відбором пари:

процес 1-5 адіабатне розширення пари на лопатках першого ступеня

dq = 0турбіни. Робота розширення пари

S₁ = S₅ l_1-5 = i₁ – i₅, кДж/кг;

процес 5-2 адіабатне розширення пари на лопатках другого ступеня

dq = 0паровоїтурбіни. Робота розширення пари

S₅ = S₂l_5-2 = (i₅ – i₂)·(1 – g), кДж/кг;

процес 2-3 ізобарно-термічна конденсація пари в теплофікаційно-

P₂ = P₃ му теплообміннику з передачею теплоти мережній воді

T₂ = T₃ для опалення

q₂ = q_2-3 = (i₂ – i₃)·(1 – g), кДж/кг;

процеси 3-6 адіабатне стискування конденсату в помпах; витратами

і 7-4 роботи настискування можна знехтувати

dq = 0l_3-6 = υ₃·(P₆ – P₃)·(1 – g) ≈ 0, кДж/кг;

S₃ = S₆,S₇ = S₄l_7-4 = υ₇·(P₄ – P₇) ≈ 0, кДж/кг;

процес 6-7 ізобарне нагрівання конденсату в регенеративному

P₆ = P₇ = P₅ теплообміннику за рахунок пари першого відбору. Кількість

теплоти на нагрівання

q_6-7 = (i₇ – i₆)·(1–g), кДж/кг;

процес 5-7 ізобарний процес відведення теплоти від пари першого від-

P₅ = P₆ = P₇ бору до конденсату в регенеративному теплообміннику

q_5-7 = (i₅ – i₇)·g,

q_5-7 = q_6-7;

процес 4-1 ізобарний процес нагрівання води (4-4′), пароутворення сухої

Р₄ = Р₁пари (4′-4") і нагрівання пари (4"-1) у котлі й пароперегрівачі за

рахунок теплоти згорання палива. Кількість затраченої теплоти

q_4-1 = q₁ = i₁ - i_4.

Рівняння енергетичного балансу циклу ТЕЦ

q_4-1 = l_1-5 + l_5-2 + q_2-3 + l_3-6 + l_7-4 + q_6-7, кДж/кг. (140)

Теплота згорання палива, що підводиться до робочого тіла у циклі, витрачається на виконання роботи розширення, нагрівання мережної води, приведення у дію помп і нагрівання конденсату в регенеративному теплообміннику.

Економічність роботи ТЕЦ визначається коефіцієнтом використання теплоти

, част.од., (141)

де q_кор– загальна корисна використана енергія.

Величина q_коруключає роботу розширення пари на лопатках турбіниl₀ і теплоту, одержану в теплофікаційному теплообмінникуq_2,

, част. од (%). (142)

На сучасних ТЕЦ коефіцієнт використання теплоти досягає 70-85%, що значно вище від економічності КЕС.

Для економічної роботи реальної ТЕЦ надзвичайно важливим є збалансованість електричного і теплового навантаження. Якщо кількість і потужність споживачів теплової енергії зменшується, то необхідність у виробленні теплоти на ТЕЦ також знижується, теплота не має попиту. Це призводить до зменшення величини q_2-3і падіння коефіцієнта економічності ТЕЦ.

Комбіноване вироблення теплоти та електроенергії дає можливість відмовитись від будівництва традиційних джерел теплоти для опалення – котелень. Значна одинична потужність парових турбін привела до збільшення одиничних потужностей ТЕЦ. Надмірна централізація систем теплопостачання, що супроводжує теплофікацію, має свої переваги, але їй притаманні й деякі недоліки, що в першу чергу пов’язані зі значною протяжністю теплових мереж від станції до споживачів, а також із експлуатацією теплових мереж.

Крім того, для збільшення ККД циклу необхідно підвищувати параметри пари на вході в турбіну. Але це можливо тільки за умов збільшення тиску пари й обмежене властивостями сталі витримувати значний тиск в умовах високих температур робочого тіла.

Незначна величина критичної температури водяної пари, що складає Т_кр=374,15⁰С при достатньо високому тиску Р_к=22,1МПа, також обмежує можливості збільшення параметрів робочого тіла на вході в турбіну.

Для можливості підвищення ККД циклу за рахунок збільшення температури робочого тіла доцільно замінити водяну пару як РТ на більш високотемпературне, наприклад, продукти згорання рідкого чи газоподібного палива. Продукти згорання мають значно вищу критичну температуру. При цьому необхідно зберегти водяну пару як робоче тіло на нижньому джерелі теплоти (у конденсаторі), оскільки вода забезпечує можливість підтримувати не дуже низький тиск при нижній температурі циклу (тобто температурі, що близька до температури навколишнього середовища і підтримується у конденсаторі). Надто низький тиск насичення вимагає застосування глибокого вакууму в конденсаторі, що пов’язане з технічними складностями.

Так виникла ідея бінарного теплосилового циклу з комбінованим виробленням теплоти та електроенергії – когенераційного бінарного циклу.