Термодинамический расчёт теплофикационного цикла

Термодинамические основы теплофикации

Как известно, тепловые двигатели, по самому определению, предназначены для преобразования хаотической формы передачи энергии (в виде теплоты) в упорядоченную форму (механическое перемещение, электричество и др.). Однако кроме упорядоченной формы энергии человечество в своей деятельности нуждается также и в теплоте, в частности для отопления и осуществления всевозможных технологических процессов (приготовление пищи, сушка, химическая технология, металлургия и т.д.).

На первый взгляд может показаться, что проблема экономического совершенствования теплоснабжения к технической термодинамике как науке о совершенствовании тепловых двигателей не имеет прямого отношения, однако это не так. Дело в том, что теплота как одна из форм передачи энергии кроме количества, измеряемого в джоулях, обладает также и качеством, а именно потенциалом, т.е. температурой. В самом деле, мало кого заинтересует большое количество теплоты, подводимой в жилое помещение при температуре 10…12^оС. С другой стороны, температура горения большинства из органических топлив, будь то дрова, уголь, газ, нефть и т.д., является слишком высокой для того, чтобы быть непосредственно используемой в целях отопления, либо для других технологических процессов. Техническая термодинамика указывает на один из возможных путей рационального использования «тепловой энергии» (заметим, что это устоявшееся в обиходе словосочетание не является корректным с точки зрения термодинамики; следует иметь в виду, что речь должна идти о передаче энергии в форме теплоты). Поскольку обычно используемый в целях отопления потенциал теплоты (температура) составляет 50…150^оС (330…430 К), а температура горения топлива (температура факела) составляет величину порядка 1500…2000^оС (1800…2300 К), то представляется весьма рациональным осуществить между этими температурными уровнями (потенциалами) цикл какого-либо теплового двигателя, уменьшив тем самым эксергетические потери, т.е. потери, связанные с необратимым теплообменом между обогреваемым помещением и источником теплоты. Такая совместная выработка упорядоченной формы энергии (как правило, электрической) и теплоты для производственных нужд и отопления помещений получила название теплофикация.

Покажем, что совместная выработка электрической и тепловой энергии (теплофикация) всегда более экономична с термодинамической точки зрения, нежели раздельная выработка. Для этого рассмотрим диаграмму , на которой условно изобразим температурные уровни для различных процессов подвода и отвода теплоты (рис. III.27). Точки над величинами в диаграмме обозначают полную производную по времени, т.е. мы будем сравнивать мощности различных схем выработки тепловой и электрической энергии. При этом мы не будем учитывать неизбежные в таких установках потери, так как их учёт не повлияет на ход рассуждений, хотя заметно усложнит анализ.

Раздельная выработка тепловой и электрической энергии представлена на рис. III.27 диаграммами и . В отопительной котельной продукты сгорания топлива отдают теплоту в процессе в количестве теплоносителю (как правило, воде), который через тепловые сети подаётся потребителю, обеспечивая тепловую нагрузку (без учёта потерь). Электрическая нагрузка N обеспечивается паросиловой установкой, работающей по циклу Ренкина со сбросом теплоты охлаждающей воде в конденсаторе. Такая установка получила название конденсационной.

Общий расход теплоты в котельной и в конденсационной установке при заданных тепловой и электрической нагрузках будет тогда определяться суммой

При совместной выработке тех же количеств тепловой и электрической энергии тепловая мощность парогенератора будет равна (также без учёта потерь)

Разность выражений и даёт экономию тепла (а значит топлива)

Теплофикация получила широкое распространение на тепловых и атомных электростанциях, питающих электроэнергией и теплом большие населённые пункты и крупные энергоёмкие производства. При этом в энергетической практике используются две схемы теплофикационных циклов – с противодавлением и с отбором пара на теплофикацию.

Термодинамический расчёт теплофикационного цикла

С противодавлением

Принципиальная схема теплофикационной установки с противодавлением и диаграмма T–s цикла представлены на рис. III.28.

Схема теплофикационной установки с противодавлением конструктивно не отличается от схемы обычной конденсационной установки за исключением того, что в установке с противодавлением давление отработавшего пара на выходе из турбины поддерживается достаточно большим (отсюда название противодавление), настолько, чтобы температура отработавшего пара составляла 150…180^оС (давление насыщения при этом составляет 5…10 бар). По этой причине в установке с противодавлением конденсатор заменяется менее громоздким теплообменником, носящим название бойлер (англ.boiler – котёл, кипятильник, испаритель).

Приведём алгоритм термодинамического расчёта теплофикационного цикла с противодавлением с учётом потерь в парогенераторе, турбине, механических и электрических потерь и потерь в тепловых сетях. Все эти потери численно оцениваются с помощью коэффициентов η_пг, , η_мех, η_эл, η_тс.

Будем считать заданными параметры острого пара p₁, T₁, давление отработавшего пара (давление в бойлере) p₂, тепловую нагрузку .

С помощью диаграммы h–s или с помощью таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара находим стандартным образом удельные энтальпии h₁, h₂, h₃. Далее, исходя из определения относительного внутреннего КПД турбины , находим действительное значение удельной энтальпии отработавшего пара

Считая бойлер идеально теплоизолированным, из его теплового баланса находим массовый расход пара в установке, обеспечивающий заданную тепловую нагрузку,

Мощность установки с учётом перечисленных потерь будет

Подведённое в парогенераторе тепло к рабочему телу

а тепловая мощность парогенератора с учётом потерь η_пг будет равна

что позволяет вычислить расход топлива при известном значении его теплотворной способности

В случае теплофикационной установки термический КПД цикла уже не полностью характеризует её экономическую эффективность, так как целью её создания является производство и электрической, и тепловой энергии. Теплофикационные установки характеризуются следующими эксплуатационными показателями:

– коэффициент использования тепла пара

– коэффициент использования тепла топлива

– коэффициент теплофикации

Для теплофикационной установки с противодавлением эти показатели оказываются следующими:

Отметим, что существенной особенностью теплофикационной установки с противодавлением является жёсткая связь между тепловой и электрической нагрузками. Это следует из определения коэффициента теплофикации и его выражения в для противодавленческой установки, где значения энтальпий если и могут меняться в зависимости от задаваемых потребителем тепловой и электрической нагрузок, то в весьма незначительных пределах. По этой причине теплофикационные установки с противодавлением используются в основном для обеспечения так называемых базовых нагрузок, величины которых определяются крупными тепловыми и электрическими потребителями вне зависимости от сезона и времени суток. В качестве таких потребителей могут выступать доменное и мартеновское производства, банно-прачечные комбинаты, электролизные производства и т.д.