Теплоэлектроцентрали и теплофикация

ТЭЦ являются источником одновременно электро– и теплоснабжения потребителей. В этом качестве они заменяют собой две раздельные энерге-тические установки: конденсационную электростанцию и котельную уста-новку. Электроэнергия и тепловая энергия на ТЭЦ производятся комбини-рованным методом, при котором теплота рабочего тела, имеющего высокий потенциал, сначала используется в турбоустановке станции для производст-ва электроэнергии, затем теплота отработавшего рабочего тела, имеющего низкий потенциал, используется для теплоснабжения потребителей.

Централизованное теплоснабжение на базе комбинированного произ-водства электрической и тепловой энергии называется теплофикацией, а турбогенераторные установки, используемые для этих целей, — теплофи-

кационными установками.

При теплофикации реализуются два принципа рационального энерго-снабжения: комбинированное производство теплоты и электроэнергии (это специфическая особенность только теплофикации); централизация тепло-снабжения — подача теплоты от одного источника теплоты многочисленным потребителям.

Благодаря объединению процесса выработки электроэнергии с полу-чением теплоты для централизованного теплоснабжения в едином техно-логическом цикле при теплофикации улучшается использование топлива на ТЭЦ и удешевляется строительство тепловых сетей. Эти преимущества характерны для ТЭЦ как источника теплоснабжения по сравнению с круп-ными районными котельными. Кроме того, ТЭЦ присущи также все пре-имущества, характерные для крупных котельных.

На ТЭЦ используются теплофикационные установки двух видов: тур-бины с противодавлением (рис. 5.5) и турбины с конденсацией и отборами пара.

Рис. 5.5. ТЭЦ, оборудованная турбиной с противодавлением: а — тепловая схема; б —рабочий процесс;ТП—тепловой потребитель; qо-qп —тепловая энергия,превра-щенная в турбине в механическую энергию; qп — тепловая энергия, отпущенная потре-бителю в идеальном цикле; qп — дополнительная тепловая энергия, отпущенная по-требителям в действительном цикле. Остальные обозначения, как на рис. 5.3

В противодавленческой установке пар после совершения работы в турбине направляется к тепловому потребителю, где он отдает свою теп-лоту и возвращается на станцию в виде конденсата.

Возможность использования отработавшего пара обеспечивается под-держанием на выходе из турбины давления выше атмосферного (отсюда и название турбин), на уровне, требуемом режимом потребления тепловой энергии.

В турбине с противодавлением для совершения работы используется теплопадение, равное

где i_пр — энтальпия пара в противодавлении, кДж/кг; i_о — энтальпия ост-рого пара на входе в турбину, кДж/кг; а для теплоснабжения — теплота

где i_о.к — энтальпия обратного конденсата, возвращаемого от потребите-ля, кДж/кг. При этом расход теплоты на производство электроэнергии ра-вен тепловому эффекту работы пара в турбине.

Зависимость производства электроэнергии от тепловой нагрузки, а также невозможность работы турбины с противодавлением на выхлоп вви-ду крайней неэкономичности такого режима ограничивает их установку на ТЭЦ. Турбины с противодавлением можно использовать только при нали-

чии крупных потребителей с постоянным в течение года расходом тепло-ты, например, предприятий химической, нефтехимической и нефтеперера-батывающей промышленности.

Турбины с конденсацией и отборами пара (рис. 5.6) лишены указанно-го недостатка. Они универсальны и позволяют широко изменять тепловую нагрузку при постоянной электрической мощности и, наоборот, развивать электрическую мощность при постоянной тепловой нагрузке.

Рис. 5.6. Тепловая схема ТЭЦ, оборудованной турбоустановкой с отбором пара и конденсацией: 1 — паровой котел; 2 — турбина; 3 — электрогенератор; 4 — основной трубный пучок конденсатора; 5 — встроенный теплофикационный пучок конденсато-ра; 6 — конденсатор; 7а и 7б — нижний и верхний сетевые подогреватели соответст-венно; 8 — пиковый водогрейный котел; 9 — бустерные насосы; 10 — сетевые насосы; 11 — деаэратор подпиточной воды; 12 — подпиточные насосы; 13 — регулятор давле-ния; 14 — грязевик; 15 — обратный теплопровод; 16 — подающий теплопровод; 17 — конденсатный насос; 18 — подогреватели низкого давления; 19 — деаэратор питатель-ной воды; 20 — редукционно-охладительная установка; 21 — подогреватели высокого давления; 22 — питательные насосы; 23 — деаэратор добавочной питательной воды; 24 — химводоочистка; 25 — насосы химводоочистки; 26 — добавочный питательный насос

В этой схеме сохраняется конденсатор с высоким вакуумом; пар отпус-кается потребителю из промежуточных ступеней турбины. Количество пара и его параметры регулируются в зависимости от величины и характера теп-ловых нагрузок. Поэтому отборы пара называются регулируемыми или теп-лофикационными, в отличие от отборов, используемых для регенеративного

подогрева питательной воды. При отсутствии внешнего потребления тепло-ты пар, проходя все ступени турбины, поступает в конденсатор.

Регенеративный подогрев питательной воды заключается в нагреве конденсата, идущего на питание парогенераторов, паром, отбираемым из промежуточных ступеней турбины. Цель регенеративного подогрева за-ключается в уменьшении потерь тепловой энергии в конденсаторе путем отвода части отработавшего пара в регенеративные подогреватели, минуя конденсатор турбины. При этом сокращается тот расход топлива в пароге-нераторе, который потребовался бы для нагрева питательной воды при от-сутствии регенерации. Уменьшение выработки электроэнергии в этом цикле из-за отвода части теплоты в отбор восполняется увеличением рас-хода пара через турбину.

Эффективность регенеративного цикла зависит от температуры пита-тельной воды и числа отборов. На современных ТЭС применяют от 5 до 8 регенеративных отборов в зависимости от начальных параметров пара и мощности турбогенераторных установок.

Рассмотрим схему теплоснабжения от ТЭЦ (рис. 5.6). Из парового котла 1 перегретый пар с давлением 13 МПа и температурой 565 °С посту-пает в турбину 2, где происходит расширение пара и преобразование его энергии в кинетическую энергию на лопатках турбины, затем в механиче-скую — на ее валу. Вал турбины и ротора электрогенератора 3 соединены соосно с помощью муфты и вращаются синхронно (с одинаковой скоро-стью). При вращении ротора-электромагнита образуется магнитное поле, а в обмотках статора, пересекаемых этим магнитным полем, вырабатывается электроэнергия. При совершении работы пар расширяется, его давление уменьшается до 0,003-0,004 МПа. После турбины пар с этим давлением поступает в конденсатор 6 и там конденсируется, превращаясь в воду (конденсат), отдавая охлаждающей воде скрытую теплоту фазового пре-вращения. Конденсатным насосом 17 конденсат подается через подогрева-тель низкого давления (ПНД) 18 в деаэратор 19. Сюда же поступает доба-вочная питательная вода под действием насоса 26 после химводоочистки 24 для восполнения утечек пара и конденсата. Деаэратор служит для уда-ления газов (О₂, СО₂), вызывающих коррозию. Для повышения КПД ТЭЦ питательная вода, кроме ПНД, подогревается еще в подогревателях высо-кого давления (ПВД) 21 и питательными насосами 22 перекачивается в па-ровой котел, и цикл снова повторяется.

Воду, используемую для охлаждения отработавшего в турбине пара, после конденсатора подают на градирни. Градирни представляют собой по-лые башни, в которых сверху разбрызгивается теплая вода, а снизу вверх движется воздух. После градирен вода циркуляционным насосом вновь по-дается в конденсатор. Таким образом образуется контур, по которому цир-кулирует охлаждающая вода, поэтому ее называют циркуляционной.

В конденсатор поступает из турбины не весь пар, часть его с давлени-ем 0,06-0,25 МПа отбирается с промежуточных ступеней турбины и ис-пользуется для целей централизованного теплоснабжения. В рассматриваемой схеме осуществляется четырехступенчатый подогрев во-ды, поступающей на нужды теплоснабжения: сначала она подается бустер-ными насосами в первую ступень — встроенный в конденсатор трубный те-плофикационный пучок 5, затем, пройдя грязевик 14, — во вторую ступень

— подогреватель сетевой воды нижней ступени 7а и в третью ступень — по-догреватель сетевой воды верхней ступени 7б. Таким образом можно нагреть воду до температуры 100-120 °С. В сетевых подогревателях 7а и 7б сетевая вода нагревается паром из теплофикационных отборов турбины. В холодные дни года, когда требуется больше теплоты, чем могут дать теплофикационные турбины, сетевая вода догревается до 150 °С в четвертой ступени — пиковом водогрейном котле 8, установленном на ТЭЦ. В качестве пиковых водо-грейных котлов на ТЭЦ используют стальные водогрейные котлы типа ПТВМ и КВГМ. В тепловую сеть вода подается сетевыми насосами 10. Подпитка воды в тепловую сеть производится деаэрированной водой из де-аэратора 11 подпиточными насосами 12 через регулятор подпитки 13 на всасывание бустерных насосов 9.

Турбина с конденсацией и отборами пара может работать как чисто конденсационная — с полным пропуском пара в конденсатор (конденса-ционный режим) и как теплофикационная — с минимальным пропуском пара в конденсатор (теплофикационный режим), что позволяет развивать полную электрическую мощность независимо от величины тепловой на-грузки потребителей. Общий расход пара в турбине с конденсацией и от-борами разделяется условно на два потока: теплофикационный, идущий в отбор, и конденсационный, идущий в конденсатор.

Суммарный расход пара и соответственно теплоты на тепло-фикационную турбину всегда больше, чем на конденсационную турбину той же мощности.

Однако в турбине с конденсацией и отборами уменьшается пропуск пара в конденсатор через часть низкого давления турбины. При этом чем больше работы совершается паром на верхних ступенях турбины, тем меньше его поступает в конденсатор. Уменьшение пропуска пара в кон-денсатор приводит к сокращению потерь теплоты в конденсаторе с охлаж-дающей водой. Поэтому работа турбины в теплофикационном режиме уменьшает расход топлива и повышает электрический коэффициент полез-ного действия турбоустановки.

Таким образом, энергетическая эффективность теплофикации тем выше, чем выше на ТЭЦ доля комбинированной выработки электроэнер-гии, то есть чем продолжительнее работа агрегатов ТЭЦ в теплофикацион-ном режиме с максимально возможной загрузкой отборов турбины. В ча-стности, когда вся электроэнергия вырабатывается комбинированным ме-тодом, имеет место максимальная экономия топлива.

Кроме того, энергетическая эффективность тем выше, чем выше на-чальные параметры пара на станции и ниже давление в отборах. Таким об-разом, величина удельной комбинированной выработки является важ-нейшей характеристикой совершенства энергетического процесса на ТЭЦ. Повышению эффективности ТЭЦ способствует также применение на стан-ции регенеративного подогрева обратного конденсата, химически очищен-ной воды, которая восполняет потери конденсата, возвращаемого от по-требителей. Такое использование теплоты отборов на ТЭЦ называется внутренним теплопотреблением, на базе которого осуществляется допол-нительная комбинированная выработка электроэнергии, составляющей 10-20 % комбинированной выработки ее на внешнем тепловом потреблении.

Снижение расхода топлива на производство электрической энергии является главным экономическим эффектом теплофикации. Кроме того, ее преимущества заключаются также в значительном увеличении масштабов централизации теплоснабжения потребителей, открывающихся возможно-стях технического и экономического совершенствования этих систем, в комплексной рациональной организации энергоснабжения городов и районов.

КПД ТЭЦ, вырабатывающей два вида энергии — тепловую и электри-ческую, составляет 70-80 %, а КЭС, вырабатывающей только электрическую энергию и теряющую в конденсаторе ~50 % теплоты, — 30-40 %.

Основным энергетическим оборудованием паротурбинных ТЭС яв-ляются паровые турбоагрегаты и парогенераторы. Состав основного обо-77

рудования ТЭС зависит от разнообразных факторов, но главным образом от типа электростанции и ее суммарной мощности.

Для различных типов паровых турбин приняты следующие буквенные обозначения:

– конденсационные (тип К), выполняемые с конденсатором и без ре-гулируемых отборов пара, например, К-300-240 (номинальная электриче-ская мощность 300 МВт, давление пара перед турбиной 24 МПа);

– теплофикационные (тип Т), выполняемые с конденсатором и регу-лируемыми отборами для покрытия жилищно-коммунальных нагрузок, например, Т-100-130 (номинальная электрическая мощность 100 МВт, дав-ление пара перед турбиной 13 МПа);

– промышленно-теплофикационные (тип ПТ), выполняемые с конден-сатором и регулируемыми отборами пара для покрытия технологической и жилищно-коммунальных тепловых нагрузок, например, ПТ-50-130/7 (но-минальная электрическая мощность 50 МВт, давление пара перед турби-ной 13 МПа, давление промышленного отборного пара 0,7 МПа);

– противодавленческие (тип Р), не имеющие конденсатора; весь отра-ботавший пар после турбины направляется тепловым потребителям, на-пример, Р-50-130/5 (номинальная электрическая мощность 50 МВт, давле-ние пара перед турбиной 13 МПа, противодавление 0,5 МПа).

Состав турбоагрегатов ТЭЦ зависит от вида тепловых нагрузок. На ТЭЦ, предназначенных для теплоснабжения городов без промышленных предприятий, применяют турбины типа Т с давлением регулируемых отбо-ров в пределах 50-250 кПа. Промышленные ТЭЦ обычно оборудуются турбинами типа ПТ с давлением производственных отборов выше 0,3 МПа. Теплофикационные отборы этих турбин используются для покрытия отопительно-бытовых нужд производственных объектов и зданий в насе-ленных пунктах. Часто турбоагрегаты ПТ устанавливаются в сочетании с турбинами типа Р, используемыми для покрытия базовой (постоянной) части тепловых нагрузок. ТЭЦ общего назначения могут быть оборудова-ны турбоагрегатами нескольких типов (Т, ПТ, Р) в зависимости от масшта-ба, состава и режима потребления тепловой энергии в районе энерго-снабжения.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите основные типы источников теплоты и дайте краткую ха-рактеристику каждого из них.

2. Объясните по схеме принцип работы и устройство котельной уста-новки.

3. Напишите формулу теплового баланса котла.

4. В чем заключается принцип теплофикации?

5. Какие типы теплоэлектростанций вам известны?