ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОФИКАЦИИ

Теплоэлектроцентраль производит два вида энергии: электрическую и тепловую. Эти виды энергии не являются экономически равноценными, поэтому их нельзя сравнивать между собой лишь по тепловому эквиваленту, считая 1 квт×ч равноценным 3600 кДж теплоты. Электрическая энергия является более совершенным видом энергии, но и более дорогим. Ее выработка связана со значительно большими потерями, чем выработка тепловой энергии.

При выработке электрической энергии на современных КЭС в окружающую среду отводится около 60 % теплоты, подводимой к рабочему телу в теплосиловом цикле. Этим в основном определяется низкий КПД выработки электрической энергии, составляющий 36¸40 %.

Что же касается КПД установок по производству теплоты, то даже в местных котельных с котлами устаревших конструкций при работе на твердом топливе он составляет 50¸55 %, а в крупных современных районных котельных на жидком топливе или газе он достигает 80¸85 % и более .

Для оценки эффективности теплофикации иногда пользуются так называемым коэффициентом использования теплоты топлива, представляющим собой отношение суммы тепловых эквивалентов отпущенных со станции тепловой и электрической энергии к тепловому эквиваленту сожженного топлива:

,(1.1)

где Q - количество отпущенной теплоты, кДж;

Э - количество отпущенной электрической энергии, кДж;

В - количество сожженного топлива, кг;

- низшая удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Для КЭС, на которой вырабатывается только электроэнергия, коэффициент использования теплоты топлива определяется по формуле

(1.2)

Выражение (1.2) для случая конденсационной электростанции дает правильную количественную оценку энергетической эффективности работающей станции. В то же время выражение (1.1) не раскрывает полностью эффективность теплофикации, поскольку электрическая и тепловая энергии неравноценны.

В связи с этим коэффициент использования теплоты топлива не может дать правильной количественной оценки эффективности теплофикации, поскольку в выражении (1.1) электрическая энергия оценивается по тепловому эквиваленту и суммируется с теплотой.

Снижение выработки электрической энергии на ТЭЦ за счет увеличения выработки теплоты приводит к некоторому росту коэффициента использования теплоты топлива вследствие уменьшения расчетных потерь в турбогенераторной установке. Однако при этом эффективность теплофикации уменьшается, поскольку недовыработанную на ТЭЦ электрическую энергию приходится вырабатывать на КЭС при значительно более низком КПД.

При увеличении выработки электрической энергии на ТЭЦ эффективность теплофикации возрастает, так как снижается расход топлива в системе на выработку наиболее дорогого вида энергии - электрической энергии, хотя коэффициент использования теплоты топлива на ТЭЦ при этом несколько уменьшается.

Энергетическую эффективность теплофикационной установки можно оценить с помощью удельной комбинированной выработки электрической энергии, отнесенной к единице теплоты, отпущенной из отборов турбины:

,

где Э_т – комбинированная выработка на базе теплового потребления;

Q_т – отпуск отработавшей теплоты (из отборов или противодавления) тепловым потребителям.

В общем случае удельная комбинированная выработка электроэнергии определяется как сумма двух слагаемых:

,

где э_о – удельная комбинированная выработка на базе теплоты, отпущенной внешним потребителям;

э_в.т – удельная комбинированная выработка на базе внутреннего теплового потребления ТЭЦ, т.е. на базе регенеративного подогрева конденсата теплофикационной установки.

Определение удельной комбинированной выработки можно существенно упростить, если реальный теплосиловой цикл заменить эксергетически равноценным циклом Карно, в котором работоспособность подведенной и отведенной теплоты такая же, как и в реальном цикле.

В этом случае удельная комбинированная выработка электрической энергии, отнесенная к единице отработавшей теплоты, отведенной из идеального цикла Карно (рис. 1.1) составит

, (1.3)

где То – средняя температура подвода теплоты в цикл, К;

Тт – средняя температура отвода теплоты из цикла, К.

Формула (1.3) может быть положена в основу расчета удельной комбинированной выработки электрической энергии в реальных циклах. В этом случае под То следует понимать среднюю температуру подвода теплоты в цикл, а под Тт – среднюю температуру отвода теплоты из реального цикла. Кроме того, необходимо учесть неизоэнтропность расширения пара в турбине, а также наличие электромеханических потерь в турбогенераторе.

С учетом указанных особенностей формула для расчета удельной комбинированной выработки электрической энергии на паротурбинных ТЭЦ принимает вид:

, (1.4)

где - внутренний относительный КПД турбины;

- электромеханический КПД, т.е. произведение механического КПД турбины на КПД электрогенератора.

Как видно из (1.4), удельная комбинированная выработка электрической энергии увеличивается при повышении средней температуры подвода теплоты в цикл То, снижении средней температуры отвода теплоты из цикла Тт, а также при снижении потерь при расширении пара в турбине и превращении механической энергии в электрическую, т.е. при увеличении КПД и .

Этим, в частности, объясняется эффективность повышения начальных параметров пара и многоступенчатого подогрева сетевой воды отработавшим паром.

При увеличении начальных параметров пара на ТЭЦ повышается средняя температура То подвода теплоты в цикл. При многоступенчатом подогреве сетевой воды часть теплоты отводится из цикла при более низкой температуре, чем при одноступенчатом подогреве, в результате чего снижается средняя температура Тт отвода теплоты из цикла.

На рис. 1.2 приведена зависимость удельной комбинированной выработки электрической энергии э_т от температуры насыщения t_т , соответствующей давлению pт отработавшего пара. При расчете эт было принято, что при tт £ 100 °C температура конденсата отработавшего пара tк.т= tт , а при tт > 100 °C - tк.т= 100 °C. Электромеханический КПД = 0,98.

Удельную комбинированную выработку э_о на базе теплоты, отпущенной внешним потребителям, можно определить следующим образом (рис. 1.3). Количество электроэнергии, вырабатываемой паром, прошедшим через теплофикационную турбину, составит:

,

где D – расход пара, кг/с;

h₀ – энтальпия пара на входе в турбину, кДж/кг;

h₁ - энтальпия пара в отборе турбины, кДж/кг;

h_эм – электромеханический КПД турбогенератора.

Количество теплоты, отданной в подогревателе внешнему потребителю, определится из выражения

,

где - энтальпия конденсата пара из отбора.

Отсюда определяем удельную выработку электроэнергии на внешнем тепловом потреблении:

.

Поскольку , то

, (1.5)

где Нт - изоэнтропийный (адиабатный) теплоперепад в турбине от начальных параметров пара до давления в отборе, кДж/кг;

- внутренний относительный КПД турбины;

Из выражения (1.5) следует, что величина э₀ в основном зависит от величины теплоперепада Нт пара в теплофикационной турбине, т.е. энергетический эффект теплофикационной установки тем больше, чем выше начальные параметры пара перед турбиной и чем ниже давление пара, поступающего к тепловому потребителю.

Этот показатель характеризует использование возможностей ТЭЦ как источника выработки электроэнергии при заданной величине отпуска теплоты от нее. Чем больше значение э0, тем более эффективным является процесс выработки электроэнергии на ТЭЦ при заданном отпуске теплоты.

Рассмотренные выше коэффициент использования теплоты топлива на ТЭЦ и удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении эт не дают полной картины эффективности теплофикации.

Наиболее правильно энергетическую эффективность теплофикации оценивать по экономии топлива DВ, получаемой при удовлетворении заданного теплового и электрического потребления:

,

где B_р – расход топлива при раздельной выработке электрической энергии на КЭС и теплоты в котельных, кг у.т;

B_т – то же при теплофикации, кг у.т (рис. 1.4).

Здесь - температура отвода теплоты из конденсационного цикла теплофикационной турбины, равная температуре насыщения пара, отводимого из последней ступени турбины в конденсатор, К;

- средняя температура подвода теплоты в цикл, К.

Средний удельный расход условного топлива на ТЭЦ с учетом как комбинированной, так и конденсационной выработки электрической энергии, кг у.т/(кВт×ч),

.

По заданному значению полной выработки электрической энергии на ТЭЦ Э и известной выработке на базе теплофикации Э_т легко найти величину

.

Количество теплоты, ГДж, отпущенной с ТЭЦ, определяется согласно выражению

,

где - теплота, отданная тепловым потребителям (абонентам), ГДж;

- КПД тепловой сети от ТЭЦ, учитывающий тепловые потери сети.

Общее количество теплоты, отпущенной от ТЭЦ, является суммой двух слагаемых:

,

где - теплота из отборов турбин, ГДж;

- теплота, отпущенная непосредственно из энергетических котлов, ГДж.

Расход топлива на выработку теплоты на ТЭЦ составит

, (1.6)

где - удельный расход условного топлива на выработку теплоты на ТЭЦ, кг у.т.

Удельный расход топлива на выработку теплоты на ТЭЦ, кг у.т/ГДж

, (1.7)

где 34,1 – количество условного топлива, кг у.т, при сжигании которого выделяется 1 ГДж теплоты.