Буров В.Д. и др. Тепловые электрические станции

Подождите немного. Документ загружается.

3.3. Энергетические показатели работы ТЭЦ

Удельный расход топлива на выработку 1 кВт

•

ч электроэнергии

= *ЭФ-

(3.41)

Удельный расход топлива на производство единицы теплоты, переданной внеш-

нему потребителю, рассчитывается по зависимости (3.30). Полученный по этой

формуле удельный расход топлива есть средний удельный расход для всех потоков

переданной теплоты. При нескольких отборах в знаменателе (3.30)

T0T

= ___

т-от

у.

Коэффициент полезного действия теплофикационного энергоблока (ТЭЦ)

по производству электроэнергии рассчитывается по формуле

r4=~V (3-42)

Коэффициент полезного действия теплофикационной турбоустановки по произ-

водству электроэнергии определяется в виде

Л_у= , • (3-43)

*_з_л_л_р

Для определения коэффициента полезного действия теплофикационного энер-

гоблока (ТЭЦ) по отпуску тепловой энергии внешнему потребителю можно ис-

пользовать зависимость

% (344)

В (Г

т^н

Для оценки эффективности обоих видов энергии используется КПД, называе-

мый энергетическим, который для теплофикационного энергоблока или ТЭЦ опре-

деляется как

ЭН N

Л = {Г~- (345)

Для теплофикационной установки энергетический КПД имеет вид

эн

Этот КПД аналогичен электрическому КПД конденсационной турбоустановки.

Вариант

использованием коэффициента ценности

теплоты

отборного

пара.

Коэффициент ценности теплоты отборного пара численно равен относитель-

ной величине недовыработанного им теплоперепада в проточной части.

Для турбоустановок без промежуточного перегрева пара с учетом того, что

коэффициент ценности теплоты отборного пара %

и коэффициент недовыработки у

Глава 3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛЕЙ

практически равны друг другу, коэффициент %

можно определить в соответствии

с зависимостью (3.2). Для турбин с промежуточным перегревом пара

к-К

с=к=:

, , (3.47)

где Ah

n п

— изменение энтальпии пара в промежуточном перегревателе.

Зависимость (3.47) справедлива для потока отборного пара после промежуточ-

ного перегрева.

Следовательно, потоки тепловой энергии можно складывать, если каждый будет

умножен на свой коэффициент ценности. Противоречия со вторым законом термо-

динамики здесь нет.

С учетом изложенного расход теплоты для производства электроэнергии тепло-

фикационного турбоагрегата будет иметь вид

при наличии отборов

Тогда расход топлива на производство электроэнергии

= ——. (3.49)

Расход топлива на производство тепловой энергии для внешнего потребителя

= —

-^~ (3.50)

или при наличии нескольких отборов

т./

±- . (3.51)

iTp'in

Удельные расходы топлива определяются по зависимостям (3.24) и (3.30). Как

и в предыдущем варианте, удельный расход топлива на производство единицы

переданной внешнему потребителю теплоты, рассчитанный по зависимости (3.30),

является средним для всех отборов, если в знаменателе этой зависимости вместо

бт.от записать £в

т/

3.3. Энергетические показатели работы ТЭЦ

Коэффициенты полезного действия

по

производству электроэнергии

для

тепло-

фикационного энергоблока (ТЭЦ)

и для

теплофикационной турбоустановки вычис-

ляются

по

(3.42)

(3.43).

Коэффициент полезного действия

для

теплофикационного энергоблока

(ТЭЦ)

по отпуску тепловой энергии внешнему потребителю рассчитывается

по

зависи-

мости (3.44).

Вариант

использованием

эксергии.

Максимальная работоспособность потока

тепловой энергии

—

эксергия

— в

термодинамике определяется

как

E=q(\-

^=Qt

(3.52)

где

, Г, —

абсолютные температуры окружающей среды

верхнего источника

теплоты;

—

эксергетическая температурная функция.

Величина

(1 -

T^IT^)

есть

термический

КПД

цикла Карно, осуществленного

в температурном интервале

от

Г_

до Г

. В

случае, если передача теплоты

верхнем

тепловом источнике проходит

при

переменной температуре, рассчитывается сред-

няя температура отвода теплоты

-h

)/(s

-s

y, (3.53)

здесь

/г

, h

, s

—

энтальпии

энтропии начального

конечного состояний пара.

С учетом этого зависимость (3.52) запишется

виде

Для определения энергетических показателей

использованием эксергии вна-

чале вычисляются эксергии всех энергетических потоков. Эксергия потока отбор-

ного пара

= еЛп-

(3-55)

Если имеют место несколько регулируемых отборов,

то

необходимо суммиро-

вать эксергии всех тепловых потоков:

Er=^V

enj-

(3-56)

При расчете эксергии теплоты, полученной внешним тепловым потребителем,

например

сетевой водой, необходимо эксергию отборного пара умножить

на

эксер-

гетический

КПД

сетевого подогревателя

ес п

который определяется

по

формуле

Л.сп^.с/^п' (3-57)

где

ес в

—

эксергетическая температурная функция сетевой воды,

V-

V7..B-

(3-58)

Глава

3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛЕЙ

В этой формуле Т

св

— средняя температура сетевой воды, которая вычисляется

по формуле

= (Т

в2

-Т

в1

)/ЩТ

в2

/Т

в1

), (3.59)

где Г

в1

, Т

в2

— температуры сетевой воды на входе в сетевой подогреватель и вы-

ходе из него, К.

Количество эксергии, полученное внешним потребителем, или, что одно и то же,

повышение работоспособности рабочего тела за счет полученной теплоты

от

есп

(3.60)

В том случае, если имеют место несколько регулируемых отборов, определяется

сумма эксергии потоков:

Общая эксергия всех энергетических потоков, отпущенных теплофикационным

энергоблоком, определяется в виде

6л

= Е

+ Е

от

= Е

ZAy^cny •

(3-62)

Здесь Е

= N

Удельный расход топлива на единицу отпущенной эксергии

К = В/Е

бл

. (3.63)

Удельный расход топлива на 1 кВт

•

ч отпущенной электроэнергии

= Ъ

. (3.64)

Удельный расход топлива на единицу отпущенной теплоты

;

(3.65)

здесь т

•

— эксергетическая температурная функция соответствующего потока.

Зная удельные расходы, можно определить абсолютные значения расхода топ-

лива.

Если расчет эксергии проводится по отпущенным потокам энергии, то расход

топлива на производство электроэнергии будет иметь вид

= Ь

0Т

(Э

-Э

СН

(3.66)

а расход топлива на производство теплоты для каждого внешнего потребителя

будет определяться по формуле

By =

Qy^e

.nr

Общий расход топлива на производство теплоты находится простым суммиро-

ванием абсолютных расходов топлива, затраченных на каждый поток. Коэффици-

3.4. Сравнение

тепловой

экономичности

комбинированной

раздельной выработок

теплоты

ент полезного действия теплофикационного энергоблока (ТЭЦ) по производству

электроэнергии вычисляется по формуле

Ч1

/(В

(3.68)

Коэффициент полезного действия теплофикационного энергоблока (ТЭЦ) по

отпуску тепловой энергии внешнему потребителю определяется по зависимости

= Q

/(B

Q{). (3.69)

Для оценки тепловой экономичности ТЭЦ или отдельного теплофикационного

энергоблока используется эксергетический КПД

Э + F

OT _

от

Здесь Э

от

— отпущенная электроэнергия, равная Э

сн

Особенность энергетических показателей тепловой экономичности ТЭЦ, опре-

деленных

учетом работоспособности потоков энергии, состоит

том, что они

позволяют оценить тепловую эффективность каждого потока. Чем выше энергети-

ческий потенциал отбираемой энергии, тем больше будут затраты топлива на ее

производство. Эксергетический КПД ТЭЦ в отличие от полного КПД, рассчитан-

ного по балансовому методу, учитывает влияние начальных параметров и внутри-

цикловые потери. Однако, позволяя оценивать эффективность совместного отпуска

тепловой и электрической энергии ТЭЦ и проводить анализ совершенства самих

циклов, эксергетический КПД ТЭЦ не определяет эффективность теплофикации

и экономию топлива в системе ТЭЦ. Это объясняется тем, что все рассмотренные

показатели, в том числе и эксергетический КПД, относятся к самой электростан-

ции, в то время как эффективность ТЭЦ определяется по сравнению с раздельным

производством электрической и тепловой энергии.

3.4. СРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ

И РАЗДЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТОК ТЕПЛОТЫ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Эффективность комбинированного производства электрической энергии и теп-

лоты на ТЭЦ оценивается значением экономии топлива по сравнению с раздельной

выработкой этих видов энергии. При раздельном производстве используются кон-

денсационная электростанция

паровой котел низких параметров или котельная

с водогрейными котлами.

Экономия топлива на ТЭЦ определяется по разности расходов топлива на ней

и на раздельной установке при производстве электрической энергии

теплоты

одного и того же количества и качества.

В общем случае экономия топлива от теплофикации

где

pa3

кзс

кот

, В

ком6

= В

ТЭ

ц — затраты топлива при раздельной и комби-

нированной схемах;

кзс

, В

кот

— расходы топлива на КЭС и в котельной; Я-гэц —

расход топлива на ТЭЦ.

Так как на ТЭЦ подогрев сетевой воды осуществляется отборным паром, а при

раздельной схеме используются паровые котлы низких параметров, при оценке

экономичности ТЭЦ нужно иметь в виду, что в реальных схемах теплоснабжения

Глава 3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛЕЙ

всегда есть дополнительные затраты, такие как потери энергии при транспортиро-

вании, капитальные затраты на теплотрассы, затраты на ремонт, обслуживание

и др. Как правило, эти затраты в случае теплоснабжения от ТЭЦ выше, чем при

раздельном производстве, так как местные и районные котельные располагаются

ближе к потребителю и, следовательно, имеют меньшую протяженность трубопро-

водов для передачи теплоты. Кроме того, капитальные затраты на сооружение

ТЭЦ обычно больше, чем на сооружение раздельной установки. Поэтому тепло-

централи будут экономичнее раздельной установки, когда за счет экономии топли-

ва на них окупаются перечисленные затраты.

Экономию топлива от теплофикации удобно определить, сравнивая количества

тепловой энергии, отпускаемой котлами ТЭЦ и раздельной установкой, при усло-

вии их равноценности.

Количество теплоты, поступающее на вход теплофикационной турбины ТЭЦ, в

соответствии с (3.11) имеет вид

бтЭЦ

бок.т

бок

% т6

где Q

— количество теплоты на входе теплофикационной турбоустановки, необ-

ходимое для производства электроэнергии в конденсационном режиме и равное

теплоте конденсационного турбоагрегата; Q

— количество теплоты, отпускаемое

тепловому потребителю.

Тогда для раздельной установки

бразд

= бкЭС

Of (3-71)

Экономия тепловой энергии на ТЭЦ или перерасход теплоты на раздельной ус-

тановке вычисляется в виде

бр

азд

бразд

бтЭЦ'

С учетом зависимостей (3.11) и (3.71) имеем

Дбразд

= (1-Убт- (3-72)

При этом экономия топлива составит

(i-ye

АВ = —. (3.73)

Если иметь в виду, что коэффициент ценности теплоты отборного пара £,

чис-

ленно равен коэффициенту недовыработки у , то

VА

о-А'

Экономия топлива на теплофикационном энергоблоке по сравнению с раздель-

ной установкой увеличивается при понижении параметров отбираемого пара и, на-

оборот, уменьшается с их увеличением. Экономия также увеличивается с ростом

количества отборного пара. В связи с этим невыгодно эксплуатировать ТЭЦ, имею-

щую высокие параметры пара регулируемых отборов.

Для производства заданного количества электроэнергии на КЭС (конденсацион-

ном энергоблоке) затрачивается количество теплоты £?кэс

бог ^

ТЭЦ (тепло-

фикационном энергоблоке) для производства такого же количества электроэнергии

и дополнительно количества теплоты Q

необходимо, чтобы £?тэц

бокт

бо

+ £,

. В результате при дополнительном отпуске внешнему потребителю количе-

3.4.

Сравнение

тепловой

экономичности

комбинированной

раздельной

выработок

теплоты

ства теплоты Q

энергетический котел теплофикационного энергоблока должен

увеличить производство теплоты на величину ^

. В то же время паровой котел

низких параметров раздельной установки должен произвести количество теплоты

тех же параметров, что и отборный пар на ТЭЦ. Следовательно, экономия топ-

лива на ТЭЦ (теплофикационном энергоблоке) будет определяться в виде

Д_ = -

—. (3.74)

бнЧкЛтр

2„ЛкЛ

тр

Для условного топлива и при равенстве КПД энергетического котла и котла низ-

ких параметров экономия топлива составит

A£ = —. (3.75)

бнЧкЛтр

Таким образом, экономия от теплофикации обусловлена уменьшением относи-

тельного расхода топлива в энергетическом котле комбинированной установки,

производящем тепловую энергию более высоких параметров, чем в котле низких

параметров при раздельном производстве. Экономия топлива зависит от парамет-

ров и количества тепловой энергии, отпускаемой внешнему потребителю.

Очевидно, что экономия топлива достигается во всей энергетической системе.

При наличии таких систем необходим расчет их эффективности. Одним из вариан-

тов такого расчета может быть расчет с использованием эксергии.

Эксергия отпущенной суммарной энергии на ТЭЦ

^тэц = ^

ЭЦ

^, (3-76)

здесь

2Г

— эксергия тепловой энергии, отпущенной изу'-го регулируемого отбора.

Эксергия отпущенной суммарной энергии на раздельной установке

разд

от к.от'

кэс

где Э

от

— электроэнергия, отпущенная потребителю от КЭС; Е

К от

— эксергия

теплоты, отпущенной котлами низких параметров раздельной установки.

Удельный расход топлива на единицу эксергии энергии, отпущенной потреби-

телю от ТЭЦ,

тэц

. R

, ^э.к

+д

пвк „ _

етэц

= —_ . (3-77)

и для раздельной установки

ТЭЦ

+ YE

°от

_. °Т/

кэс

ЬЕРАЗД

~ КЭС „ ' (3.78)

от к.от

ТЭЦ

где В

ък

и #

пвк

— затраты топлива в энергетических котлах ТЭЦ и пиковых водо-

КЭС

грейных котлах (ПВК); В

эк

кот

— затраты топлива в энергетических котлах

КЭС и в котельных с котлами низких параметров.

Глава

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ

ПОКАЗАТЕЛИ

ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛЕЙ

Экономия топлива

от

использования теплофикации составит

А*

(?™

(^разд "

тэц)

•

(3-79)

Эффект экономии топлива

при

теплофикации

по

сравнению

раздельным про-

изводством объясняется следующим образом.

Если считать электрическую энергию

теплоту разного энергетического потен-

циала качественно равноценными,

то

экономия получается

основном

за

счет сокра-

щения передачи теплоты

конденсатор.

самом деле, сокращение передачи теп-

лоты

конденсатор теплофикационного энергоблока

по

сравнению

конденсаци-

онным определяется

соответствии

зависимостью (3.16). Если выразить

- -—, a h

-Л' « h„-h' , то

формулы (3.16)

(3.72) совпадут.

Отсюда можно сделать вывод,

что при

комбинированном производстве обоих

видов энергии экономия имеет место

за

счет сокращения передачи теплоты

кон-

денсатор турбины.

Если считать теплоту

различным энергетическим потенциалом

электроэнер-

гию качественно различными формами энергии (неравноценными),

то

экономия

топлива

при

теплофикации объясняется иначе. Передача теплоты

системы ото-

пления

технологических нужд

раздельной установке происходит

со

свежим

паром,

а на ТЭЦ — с

отборным паром

при

равных

их

количествах

одинаковых

параметрах. Работоспособности (эксергии) этих потоков равны. Вместе

с тем при

использовании теплофикационных турбоагрегатов

конденсацией

регулируе-

мыми отборами часть отборного пара

(yJJJ, а у

турбин

противодавлением весь

пар

(£>

)

производят работу

проточной части.

раздельной установке

пар,

полу-

ченный

котельной

в том же

количестве

такой работы

не

производит.

При

использовании отборного пара

он

вырабатывается

котлах

параметрами выше,

чем

это

необходимо

для

производственных

или

отопительных целей. Следовательно,

работоспособность (эксергия) этого пара после энергетического котла выше,

чем

в месте отбора. Срабатывая свой энергетический потенциал

до

уровня, существую-

щего

месте отбора,

пар

выполняет работу

проточной части турбины,

что не

происходит

со

свежим паром

котельной.

При этом надо иметь

виду,

что

количество

(но не

качество) теплоты, равное

c^g

для

теплофикационного потока пара

(а

)

турбины

конденсацией

регули-

руемыми отборами

и Q

для

всего потока пара турбины

противодавлением, будет

одинаково

как на

входе

турбину,

так и в

месте отбора

или

выхлопа противодав-

ления. Меняются качество тепловой энергии

работоспособность (эксергия),

но

не количество. Конечно,

при

этом надо иметь

виду потери теплоты

нерегули-

руемых отборах

и в

окружающую среду.

Таким образом, экономия топлива

при

теплофикации

по

сравнению

раздель-

ной установкой связана

более высокой работоспособностью (эксергией) пара

энергетических котлов

по

отношению

пару, отпускаемому котлами низких пара-

метров,

или к

воде

на

выходе

из

водогрейных котлов.

3.5.

Затраты

топлива

энергетическими

котлами при производстве электроэнергии

теплоты

3.5.

ЗАТРАТЫ ТОПЛИВА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ КОТЛАМИ

ПРИ

ПРОИЗВОДСТВЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ТЕПЛОТЫ НА ТЭЦ

Как показано

в §

3.3, расчет энергетических показателей ТЭЦ может быть

выполнен с использованием балансовых уравнений без учета или с учетом ограни-

чений, накладываемых вторым законом термодинамики.

При комбинированном производстве энергии в первом случае вся экономия топлива

будет полностью относиться к выработке электроэнергии, во втором — теплоты.

При равных затратах топлива энергетическими котлами ТЭС и равных количе-

ствах

параметрах отпускаемых видов энергий

первом случае себестоимость

производства электроэнергии будет меньше, а теплоты — больше, чем во втором.

Между этими двумя крайними вариантами, исходя из экономической, социаль-

ной или любой другой необходимости, можно предложить сколько угодно вариан-

тов распределения экономии топлива между выработкой электроэнергии и теплоты

при их комбинированном производстве. Однако все они, исходя из законов термо-

динамики, будут необоснованными.

В энергетической отрасли до настоящего времени расчет тарифов (цен) при реа-

лизации теплоты и электрической энергии ведется с учетом их себестоимости.

До 1996 г. на ТЭС РАО «ЕЭС России» применялся «физический» метод расчета

расхода топлива на каждый из видов энергии, основанный на расчете балансовых

уравнений потоков энергии без учета действия второго закона термодинамики.

соответствии с этим методом вся экономия топлива от теплофикации относилась

электрической энергии,

себестоимость производства теплоты соответствовала

отпуску ее непосредственно от энергетических котлов, т.е. имела максимальное из

всех технически возможных (при отпуске теплоты из отборов и от конденсаторов)

значений. Высокие тарифы на теплоту (зависящие от ее себестоимости) обусло-

вили

1992—1994 г. массовое строительство

на

промышленных предприятиях

индивидуальных котельных.

В 1995 г.

целях повышения конкурентоспособности выработки теплоты ТЭЦ

РАО «ЕЭС России» было принято решение об изменении метода распределения

экономии топлива от теплофикации между видами энергии. Однако переход на

метод, полностью соответствующий первому

второму законам термодинамики

(относящий всю экономию топлива на теплоту), из-за резкого увеличения при этом

тарифов на электроэнергию был признан несвоевременным. В качестве официаль-

ного

1996 г. на ТЭС РАО «ЕЭС России» был установлен метод, предложенный

АО «Фирма ОРГРЭС», в соответствии

которым экономия топлива от теплофика-

ции распределяется между электроэнергией и теплотой в равных долях*.

Расчетная формула для определения расхода топлива на отпущенную электро-

энергию по этой методике имеет вид

^^-

(3.80)

Э-Э

сн

где В — полный расход условного топлива энергетическими котлами;

— доля

топлива, относимая на выработку электроэнергии; Э — вырабатываемая электро-

РД.34.08.552—95.

Методические

указания

по

составлению отчета

электростанции

акционерного

общества

энергетики

электрификации

тепловой экономичности

оборудования.

М.: СПО

ОРГРЭС,

1995.

Глава 3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛЕЙ

энергия; Э

от

— электроэнергия, отпущенная с шин электростанции; Э

— расход

электроэнергии на собственные нужды, при выработке электроэнергии,

Эз

= Э'

+ К

", (3.80а)

где Э

и Э°

— расходы электроэнергии на собственные нужды соответственно

турбин и котлов.

Коэффициент К

определяется по зависимости

+ Q

" +

Д<2

К= - - , (3.81)

+AQ

где Q

— количество теплоты, затраченной на производство электроэнергии (см. (3.21));

— суммарная теплота, отпущенная внешним потребителям с водой и паром, в том

числе в обвод турбины; Q™

— технологические потери теплоты при ее отпуске;

Ql" — расход теплоты на собственные нужды турбин; AQ

— увеличение расхода

теплоты на производство электроэнергии при условном замещении отпуска теп-

лоты от турбин отпуском ее непосредственно от котлов и выработке всей электро-

энергии по конденсационному циклу, т.е. при переходе от комбинированного к раз-

дельному производству при одной и той же электрической мощности,

Л0,

= £б

,(1-§

т;

), (3.82)

где z — число отборов теплоты от турбоагрегатов внешним потребителя; . —

количество теплоты, отпущенное внешним потребителям из данного отбора;

—

коэффициент ценности теплоты пара, отпускаемого из данного отбора,

^-Л

0 +

ЛК

l+K

0 +

J-

Здесь h

и h

j — энтальпия пара перед турбиной и в каждом из отборов; /г

—

энтальпия пара в конденсаторе при фактической мощности турбоагрегата; К —

коэффициент, зависящий от давления пара перед турбиной (при давлении до 3,5 и

равном 9,0; 13,0; 24,0 МПа значение

принимается соответственно 0,25; 0,30; 0,40;

0,42; Д/г

пп

— повышение энтальпии пара в промежуточном пароперегревателе

котла (разность энтальпий пара перед ЦСД и за ЦВД турбоагрегата).

В числителе первой дроби формулы (3.83) величина Ah

соответствует отбо-

рам, расположенным до промежуточного перегрева, а в числителе второй дроби —