Теплоэлектроцентрали

Теплоэлектроцентрали отпускают электро­энергию потребителю, также как и КЭС, и кро­ме этого тепловую энергию в виде пара и горя­чей воды для технологических нужд производ­ства и горячей воды для коммунально-бытового потребления (отопление, горячее водоснабже­ние). При такой комбинированной выработке тепловой и электрической энергии в тепловую сеть отдается главным образом теплота отрабо­тавшего в турбинах пара (или газа), что приво­дит к снижению расхода топлива на 25—30 % по сравнению с раздельной выработкой электро­энергии на КЭС и теплоты в районных котель­ных. Поскольку для производственных и быто­вых нужд требуется пар или вода в относитель­но широком диапазоне температур и давлений, на ТЭЦ применяются теплофикационные тур­бины различных типов в зависимости от харак­тера потребления теплоты.

На рис. 5.2 представлена схема ТЭЦ с так назы­ваемыми турбинами с ухудшенным вакуумом. Давление в конденсаторе такой турбины поддер­живается таким, чтобы температура насыщения пара была достаточно высокой для нужного наг­рева охлаждающей воды в конденсаторе. Вода, нагретая до необходимой температуры, направ­ляется потребителю для отопления.

На рис. 5.3 изображена схема ТЭЦ, в которой применены так называемые турбины с противо­давлением. В установках этого типа конденса­тор отсутствует, а отработавший пар из турбины направляется по паропроводу на производство, где он отдает теплоту и конденсируется; с про­изводства конденсат возвращается для питания котлов. Давление пара на выходе из турбины определяется потребностями производства.

На рис. 5.4 показана схема ТЭЦ с турбинами с отбором пара. В этой схеме часть пара достаточ­но высоких параметров отбирается из промежу­точных ступеней турбины. Отобранный пар мо­жет быть либо направлен на производство (так называемый производственный отбор), откуда в установку возвращается конденсат (рис. 5.4, а), либо в специальные подогреватели - теплообмен нагревает воду, исполь­зуемую для отопительных целей (так называе­мый теплофикационный отбор) (рис. 5.4, б). Сле­дует заметить, что на современных ТЭЦ наибо­лее распространены турбины с отбором пара.

Районные котельные

Районные котельные предназначены для цен­трализованного теплоснабжения промышлен­ности и жилищно-коммунального хозяйства, а также для покрытия пиковых тепловых нагрузок в теплофикационных системах. Сооружение их требует меньших капиталовложений и может быть проведено в более короткие сроки, чем сооружение ТЭЦ той же тепловой мощности. Поэто­му во многих случаях теплофикацию районов на­чинают со строительства районных котельных. До ввода 9 работу ТЭЦ эти котельные являются основным источником теплоснабжения района. После ввода ТЭЦ они используются в качестве пиковых. Котельные сооружают на площадках ТЭЦ или в районах теплопотребления. В них ус­танавливают водогрейные котлы или паровые котлы низкого давления (1,2—2,4 МПа). При ра­боте на газе предпочтительны водогрейные кот­лы, при работе на мазуте или на твердом топливе — паровые котлы низкого давления. В случае отпус­ка теплоты в виде пара на технологические нуж­ды и горячей воды на теплофикацию следует сравнить варианты установки в котельной как паровых, так и водогрейных котлов. При неболь­шом отпуске теплоты в виде пара производству и на собственные нужды котельной возможна уста­новка комбинированных пароводогрейиых кот­лов для покрытия (феобладаюшей теплофикаци­онной нагрузки. Выбор типа котлов в котельной производится на основе технико- экономических расчетов с учетом факторов надежности их рабо­ты, сложности эксплуатации, величины капита­ловложений и издержек производства.

5.4. Преимущества раздельной и комбинированной выработки электроэнергии и тепла

Если для некоторого потребителя, например города требуется в некоторый момент количество электроэнергии N₃ (в единицу времени) и количество тепла Q _т, то технически проще всего получить их раздельно.

Для этого можно построить конденсационную ПТУ электрической мощностью N₃ с глубоким вакуумом, создаваемым конденсатором, который охлаждается водой.

Рисунок 5.4.1. Схемы раздельной (а) и комбинированной (б) выработки тепла и электроэнергии: 1 — энергетический котёл; 2 — паровая турбина; 3 — конденсатор; 4 — питательный насос; 5 — водогрейный котел; 6 — потребитель тепла; 7 — сетевой насос; 8 — сетевой подогреватель

При ее температуре = 15—20 °С можно получить давление в конденсаторе р_к = 0,04—0,06 ат (3—4 кПа), а температура конденсирующегося пара будет составлять в соответствии с рис. 1.2 t_к = 30—35 °С. Кроме того, для производства тепла Q_r можно построить РТС, в водогрейном котле которой циркулирующая сетевая вода будет нагреваться, например, от 70 до 110 °С. При раздельном производстве Q_T тепла и N₃ электроэнергии общая затрата тепла, которая будет получена из топлива, составит:

(5.4.1)

где — КПД котла, составляющий 90—94 %.

Ту же задачу производства электроэнергии и тепла можно решить по-другому (рис. 5.4.1). Вместо конденсатора на КЭС можно установить сетевой подогреватель, от которого получать количество теплоты Q_T. Конечно, поскольку нагретая сетевая вода должна иметь, скажем, 110 °С, то давление в сетевом подогревателе (и за паровой турбиной) должно быть не 0,05 ат (как в конденсаторе турбины КЭС), а на уровне 1,2 ат. При этом давлении образующийся из конденсирующего пара конденсат будет иметь температуру примерно 120 °С, что и обеспечит нагрев сетевой воды до 110 °С.

Таким образом, в одной энергетической установке вырабатывается одновременно электрическая энергия и тепло в требуемых количествах. По­этому такое производство тепла и электроэнергии называют комбинированным. Термины «комбинированное производство» и «теплофикация» - синонимы. Изображенная на 5.4.1 установка является не чем иным как простейшей ТЭЦ с турбиной противодавлением (так как давление за ней, как правило, выше атмосферного).

Расход тепла при комбинированной выработке при тех же и Q_t составит:

(5.4.2)

Разность количеств тепла, затраченного на получение электрической мощности и тепла при раздельной и комбинированной их выработке:

(5.4.3)

где — очень важная характеристика, называемая выработкой электроэнергии на тепловом потреблении.

Так как Q = B_TQ_CT , где В_Т — экономия топлива, a Q_CT — его теплота сгорания, то экономия топлива при комбинированной выработке тепла и электроэнергии по сравнению с раздельной составит:

(5.4.4)

Так как <1, то всегда В_Т > О, т.е. при теплофикации всегда возникает экономия топлива. Физическая причина экономии топлива очевидна: теплота конденсации пара, покидающего паровую турбину, отдается не охлаждающей воде конденсатора, а тепловому потребителю.

Приведенная на рис. 5.4.1 простейшая теплофикационная ПТУ позволяет легко понять преимущество комбинированной выработки. Однако она имеет существенный недостаток: с ее помощью нельзя произвольно изменять соотношение между электрической М_э и тепловой мощностью Q_T. Изменение любой из них приводит к автоматическому изменению другой и не всегда в соответствии с требованиями потребителей. Чаще всего ПТУ такого типа используют там, где требуется изменение по определенному графику только одного параметра, обычно тепловой нагрузки Q_T, а второй параметр — мощность, будет такой, «какой получится».

Для того, чтобы исключить этот недостаток, теплофикационную турбину выполняют с регулируемым отбором пара нужных параметров и с конденсацией пара в конце процесса расширения (рис. 5.4.2).

Рисунок 5.4.2. Схема отопительной ТЭЦ с теплофикационной турбиной: 1 — энергетический котел; 2 — сетевой подогреватель; 3 — конденсатор; 4 — потребитель тепла; 5 — сетевой насос; 6 — конденсатный насос: 7 — питательный насос

С помощью регулирующих клапанов РК-1 и РК-2 соответственно перед ЦВД и ЦНД можно в широких пределах изменять независимо электрическую мощность и отпуск тепла. Если клапан РК-2 закрыть полностью и направить весь поступивший в турбину пар в сетевой подогреватель, то турбина будет работать как турбина с противодавлением и выгода от теплофикации будет максимальной. Так обычно работают теплофикационные турбины зимой, когда требуется много тепла. Если, наоборот, открыть полностью РК-2 и закрыть проток сетевой воды через сетевой подогреватель, турбина будет работать как конденсационная с максимальной потерей тепла в конденсаторе. Так обычно работают теплофикационные турбины летом.

Ясно, что турбоустановки теплофикационной турбиной зависит от соотношения расходов пара в сетевой подогреватель и конденсатор:чем оно больше, тем больше экономия топлива.

Таким образом, теплофикация всегда приводит к экономии которая в масштабах всей России оценивается примерно в 15 %. Однако при этом следует помнить, что пар, идущий в сетевой подогреватель, вырабатывается энергетическим, а не простым водогрейным котлом. Для транспортировки пара нужны паропроводы большего диаметра на высокие, иногда сверхкритические параметры пара. Теплофикационная турбина и ее эксплуатация существенно сложнее, чем конденсационная. В конденсационном режиме теплофикационная турбина работает менее скачком возрос до 347 г/(кВт-ч). Конечно, это результат переноса части экономии топлива от теплофикации с электроэнергии на тепло. То, что это так, видно из кривой 2, отражающей изменение удельного тепла для конденсационных энергоблоков мощностью 300 МВт. Этих энергоблоков инструкция по распределению выгоды от теплофикации, естественно, не коснулась и после улучшения показателей экономичности в 1990 г. (главным образом, за счет исключения из энергосистемы России пылеугольных энергоблоков Украины) наблюдается тенденция к ухудшению экономичности, главным образом за счет старения оборудования.

Условность разделения выгоды от теплофикации между электроэнергией и теплом необходимо также учитывать при сравнении интегральных показателей экономичности различных стран. Если, например, средний удельный расход условного топлива на ТЭС Японии составляет [310— 315 г/(кВт-ч)], а в России 345—350 г/(кВт-ч), и разница между ними 35 г/(кВт-ч), то в действительности она еще больше, так как в Японии практически отсутствует теплофикация, а в России примерно половина электроэнергии производится на ТЭЦ.

Теперь перейдем к показателям, характеризующим экономичность ра­боты ТЭЦ. Когда в лекции 2 рассматривали экономичность конденсационной ТЭС, мы выяснили, что для этой цели используется один показатель — коэффициент полезного действия нетто (это, по существу, коэффициент полезного использования топлива) или эквивалентный ему удельный расход условного топлива. Необходимость только в одном показателе экономичности для конденсационной ТЭС связана с тем, что ТЭС отпускает только один вид энергии — электроэнергию.

ТЭЦ отпускает два вида энергии — электрическую и тепловую. По­этому для оценки качества работы ТЭЦ необходимо иметь также два показателя.

Первым показателем является коэффициент полезного использования тепла топлива.Если у конденсационных ТЭС России он не превышает 40 %-, то для ТЭЦ он может достигать 85 % {а 15 % составляют потери с уходящими газами энергетических и водогрейных котлов, с конденсацией той части пара, которая проходит в конденсатор (собственные нужды).

Вторым показателем является выработка электроэнергии на тепловом потреблении.Ясно, что если, например, две ТЭЦ отпускают одинаковое количество тепла и имеют одинаковый коэффициент использования топлива, то из них лучше та, которая отпускает больше электроэнергии.

Эти два показателя полностью характеризуют экономичность работы ТЭЦ.

На практике и в отчетной документации ТЭЦ используют два других эквивалентных упомянутым выше показателям: привычный нам удельный расход условного топлива на производство электроэнергии b_э в г/(кВт-ч) и удельный расход условного топлива на производство 1 Гкал тепла b_т в кг/Гкал. Для ТЭЦ b_т = 150—170 кг/Гкал. Эти величины подсчитываются в соответствии с нормативными документами по распределению затраченного топлива на производство электроэнергии и тепла.

Раздел 6. Нагнетатели.