Комбинированные паротурбинные установки для производства тепловой и электрической энергии.

Комбинированные паротурбинные установки (теплоэлектроцентрали-ТЭЦ) предназначены для получения двух видов энергии: электрической и тепловой. Комбинированная ПТУ состоит из котла, паровой турбины и вспомогательного оборудования. Паровые турбины в зависимости от назначения отпускаемого пара подразделяются на:

1) противодавленчиские турбины типа Р ( тепловая схема - на рис. 2, 4)

Рис.1 Рис.2

Внутренняя мощность турбины

Ni=G*(Hо-Hk) - Sai(Hi-Hk), (1)

где G – расход пара в турбину;

Hо - энтальпия пара перед турбиной,

Hk - энтальпия пара на выходе турбины,

Hi - энтальпия пара в камерах отбора турбины на регенеративный подогрев воды,

ai- относительный отбор пара на i-йподогреватель воды,

Sai(Hi-Hk) – недополученная работа (недовыработка) из-за отборов пара на регенеративный подогрев воды.

Эта установка вырабатывает электрическую и тепловую энергию и не имеет холодного источника тепла (конденсатора), всё отведённое тепло используется полезно. Выработка электроэнергии определяется количеством отпускаемого пара потребителю. При отсутствии теплового потребителя турбина не может работать.

Давление пара на выходе турбины Рк (противодавление) достаточно высокое( до 1,5 МПа), температура отвода тепла высокая и КПД таких установок η_t(p) по выработке энергии меньше чем у конденсационных η_t(k)

η_t(p) < η_t(k)

2) Турбины с ухудшенным вакуумом - это, как правило, старые реконструированные турбины.

Из турбин удалены последние ступени, при этом давление пара на выходе из турбины увеличивается. Используются они для выработки электроэнергии и нагрева сетевой воды, т.е. для теплофикации (отпуска горячей воды и тепла для отопления ).

Давление на выходе турбины с ухудшенным вакуумом меньше чем у турбин с противодавлением

Рк(ухудшен.)< 0,15 МПа

Мощность этих турбин также как и турбин типа Р определяется потребностью тепла, отдаваемого потребителю, поэтому таких турбин на ТЭЦ мало. Мощность турбины при отсутствии отпуска пара потребителям при давлении более высоком чем на выходе турбины, определяется также по формуле (1)

При наличии отбора

Ni= G(Hо-H₁) + (G – G_от1)·( H₁-Hk) - Sai(Hi-Hk), (2)

где Ni- внутренняя мощность турбоустановки,

H₁ – энтальпия пара в камере отбора при давлении, отпускаемому потребителю,

G_от1 - расход отборного пара потребителю.

Остальные обозначение в пояснении к формуле (1).

Рис.3 Рис. 4

3) Турбины, с регулированными отборами пара типа ПТ и Т

Достоинством таких турбин является возможность выработки электроэнергии при ограничении или отсутствия отпуска тепла потребителю.

Рис.5

Мощность турбин типа ПТ и типа Т определяется по формуле

Ni= G(H0-H₁)+ (G – G₁)·( H1-H₂)+( G - G₁ – G₂)·( H₂-Hk) –Sai(Hi-Hk), (3)

где H₁ – энтальпия пара в камере отбора при давлении, отпускаемому потребителю,

G₁ - расход отборного пара потребителю.

H₂ – энтальпия пара в камере отбора для нужд теплофикации.

G₂ - расход отборного пара для нужд теплофикации.

Остальные обозначение в пояснении к формуле (1).

.

Рис.6

Если отпуск тепла не осуществляется, турбины работает в конденсационном режиме и весь пар поступает в конденсатор. Экономичность таких турбин рассмотрена ниже.

ПТ – турбины предназначены для отпуска пара потребителю при давлении Р₁ и выработки тепла для нужд теплофикации Для нужд теплофикации используется тепло конденсации пара при давлении Р₂, тепловая схема представлена на рис 5.

Первый отбор осуществляется в виде пара и передаётся на предприятия при давлении

Р1 = 0,7÷1,5 МПа;

Давление второго отбора

Р2 = 0,05÷0,25МПа

Турбина типа Т вырабатывает электроэнергию и отпускает тепло для нужд теплофикации (для отопления и горячего водоснабжения.), отбор пара в сетевые подогреватели для нагрева воды осуществлятся из двух камер – из 1-й камеры - при давлении

Р1 = 0,06÷0,25 МПа, из второй - при давлении Р2 = 0,05 - 0,2 МПа. Оставшийся пар, не используемый для теплофикации, поступает в конденсатор (также как для турбины ПТ). Тепловая схема рис. 7.

Рис. 7

Эффективность комбинированных установок

Так как комбинированные установки отпускают два вида энергии, критерием эффективности таких установок не может быть термический или электрический КПД.

При комбинированной выработке тепловой и электрической энергии часть пара используется для нужд производства, на теплофикацию. При этом выработка электроэнергии уменьшается, уменьшается КПД. В то же время в таких комбинированных установках тепло отработавшего пара q₂ используется полезно. Поэтому для комбинированных установок КПД по выработке электроэнергии не является единственным показателем, определяющим эффективность работы таких установок. Эффективность использования комбинированных установок можно определить, разделив условно общий расход топлива отдельно на производство электроэнергии и на производство тепла.

По определению понятия теплоты сгорания условного топлива Q_ут количество тепла Q, выделившегося при сгорании B кг/год топлива, определяется из выражения

Q = В*Q_ут,МВт*час/год;

Количество полезно использованного тепла

Q₁ = Q* η_пг^бр = В*Q_ут* η_пг^бр

где Q_ут - теплота сгорания условного топлива.;

η_пг^бр- КПД брутто котла (парогенератора).

Сравним эффективность использования совместного производства тепла и электроэнергии на комбинированных теплофикационных установках и раздельного производства тепла в котельной и электроэнергии на конденсационных установках.

Для определения сравнительной эффективности использования комбинированных установок рассмотрим теплофикационную установку с ухудшенным вакуумом, не имеющей отбора пара из турбины.

Расход топлива на раздельную выработку тепловой и электрической энергии.

Электроэнергия вырабатывается в конденсационных электрических станциях (КЭС), а тепловая – в котельной. Годовое количество выработанной электроэнергии Эг, кВт.час/год(кДж/год)

Эг= N*Тау=Q₁* η_ту^бр η_тр = Вэ*Q_ут* η_пг^бр η_ту^бр;

ηэ^бр=η_пг^бр·η_ту^бр; Эг = Вэ*Q_ут* η_э^бр

Здесь N – средняя мощность турбоагрегата при выработке электроэнергии, кВт;

Тау- продолжительность работы КЭС; час/год;

η_ту^бр - КПД турбоустановки:

ηэ^бр – КПД брутто КЭС по выработке электроэнергии.

Расход условного топлива Вэ, необходимого для выработки электроэнергии в количестве Эг:

Вэ=Эг/(ηэ^бр·Q_ут)= N*Тау/(ηэ^бр·Q_ут);

Годовое количество выработанной тепловой энергии (тепла) в котельной – Qтг.

Q_тг = Qк*Тау= В_т*Q_ут* η_пг^бр;

Расход условного топлива В_т, необходимого для выработки за год тепловой энергии в количестве Q_тг,:

В_т=Q_тг /( η_пг^бр_*·Q_ут)= Qк*Тау /( η_к^бр_*·Q_ут);

Q_к – средняя тепловая мощность котельной, МВт;

η_к^бр - КПД котла котельной.

Общий годовой расход топлива на выработку электроэнергииЭг и тепла Qтг составляет

Вр=Вэ+Вт

Вр = Эг/(ηэ^бр·Q_ут)+ Q_тг /( η_пг^бр_*·Q_ут)

Расход топлива на выработку тепловой и электрической энергии в комбинированной установке

В комбинированной установке отвода тепла в конденсаторе нет, тепло сгорания топлива используется для выработки электроэнергии и теплоснабжения. полезно используемое тепло в котельном агрегате комбинированной установки.

Полезно используемое тепло в котельном агрегате комбинированной установки.

Q₁ = Эг + Qтг

Так как Qтг полезный продукт, то расход топлива

Втэц = (Эг + Qтг)/ ( η_пг^бр_*·Q_ут);

Экономия топлива DВ при комбинированной выработке электрической и тепловой энергии по сравнению с раздельной определяется разностью суммарного расхода топлива на выработку электроэнергии на КЭС и тепла в котельной

DВ = Вр - Вгк;

DВ = Эг/(ηэ^бр·Q_ут)+ Q_тг /( η_к^бр_*·Q_ут ) - (Эг + Q_тг)/( η_пг^бр_*·Q_ут);

DВ = Эг/(ηэ^бр·Q_ут)*(1 - ηэ^бр / η_пг^бр )+ Q_тг /( η_пг^бр_*·Q_ут )*(1- η_к^бр / η_пг^бр);

Первый член правой части выражения определяет экономию топлива в зависимости от КПД конденсационной электростанции, вырабатывающей электроэнергию при раздельной выработке тепловой и электрической электроэнергии. Второй член правой части выражения определяет экономию топлива в зависимости от КПД котла котельной. Чем меньше КПД КЭС ичем меньше КПД котельной тем больше экономия топлива.

При условии η_к^бр = η_пг^бр и η_пг^брКЭС= η_пг^брТЭЦ

DВ = Эг/(ηэ^бр·Q_ут)*(1 - η_ту^бр ),кг/год

Экономию удельного расхода условного топлива получим, разделив уравнение на Эг

Dв =DВ/ Эг =1/(ηэ^бр·Q_ут)*(1 - η_ту^бр ),кг/кДж.

Dв =1/ ηэ^бр /29300*(1 - η_ту^бр ),кг/кДж;

Dв =3,41е-5/ ηэ^бр * (1 - η_ту^бр ), кг / кДж

или Dв =0,123 / ηэ^бр * (1 - η_ту^бр ), кг / (кВт.ч)

Можно принять ηэ^бр =0,35;. η_ту^бр=0,4. Тогда Dв = 0,123/0,35*(1 - 0,4) = 0,21,кг/кВт.ч