Тепловой баланс ТЭС

Рассмотрим типичную конденсационную ТЭС, работающую на органическом топливе, пока практически не интересуясь процессами, происходящими в ее оборудовании. Схема этого предприятия показана на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Тепловой баланс газомазутной и пылеугольной

(цифры в скобках) ТЭС

Уже отмечалось, что ТЭС это огромное промышленное предприятие по производству электроэнергии. Основным «сырьем» для работы ТЭС является органическое топливо, содержащее запас химической энергии, измеряемый теплотой сгорания Q_сг

Топливо подается в котел и для его сжигания сюда же подается окислитель – воздух, содержащий кислород. Воздух берется из атмосферы. В зависимости от состава и теплоты сгорания для полного сжигания 1 кг топлива требуется 10–15 кг воздуха и, таким образом, воздух – это тоже природное «сырье» для производства электроэнергии, для доставки которого в зону горения необходимо иметь мощные высокопроизводи-тельные нагнетатели. В результате химической реакции сгорания, при которой углерод С топлива превращается в оксиды СО₂ и СО, водород Н₂ – в пары воды Н₂О, сера S – в оксиды SO₂ и SO₃ и т.д., образуются продукты сгорания топлива – смесь различных газов высокой температуры. Именно тепловая энергия продуктов сгорания топлива является источником электроэнергии, вырабатываемой ТЭС.

Далее внутри котла осуществляется передача тепла от дымовых газов к воде, движущейся внутри труб. К сожалению, не всю тепловую энергию, высвободившуюся в результате сгорания топлива, по техническим и экономическим причинам удается передать воде. Охлажденные до температуры 130–160 °С продукты сгорания топлива (дымовые газы) через дымовую трубу покидают ТЭС. Часть теплоты, уносимой дымовыми газами, в зависимости от вида используемого топлива, режима работы и качества эксплуатации, составляет 5–15 %.

Часть тепловой энергии, оставшаяся внутри котла и переданная воде, обеспечивает образование пара высоких начальных параметров. Этот пар направляется в паровую турбину. На выходе из турбины с помощью аппарата, который называется конденсатором, поддерживается глубокий вакуум: давление за паровой турбиной составляет 3–8 кПа (напомним, что атмосферное давление находится на уровне 100 кПа). Поэтому пар, поступив в турбину с высоким давлением, движется к конденсатору, где давление мало, и расширяется. Именно расширение пара и обеспечивает превращение его потенциальной энергии в механическую работу. Паровая турбина устроена так, что энергия расширения пара преобразуется в ней во вращение ее ротора. Ротор турбины связан с ротором электрогенератора, в обмотках статора которого генерируется электрическая энергия, представляющая собой конечный полезный продукт (товар) функциониро-вания ТЭС.

Для работы конденсатора, который не только обеспечивает низкое давление за турбиной, но и заставляет пар конденсироваться (превращаться в воду), требуется большое количество холодной воды. Это третий вид «сырья», поставляемый на ТЭС, и для функционирования ТЭС он не менее важен, чем топливо. Поэтому ТЭС строят либо вблизи имеющихся природных источников воды (река, море), либо строят искусственные источники (пруд-охладитель, воздушные башенные охладители и др.).

Основная потеря тепла на ТЭС возникает из-за передачи теплоты конденсации охлаждающей воде, которая затем отдает ее окружающей среде. С теплом охлаждающей воды теряется более 50 % тепла, поступающего на ТЭС с топливом. Кроме того, в результате происходит тепловое загрязнение окружающей среды.

Часть тепловой энергии топлива потребляется внутри ТЭС либо в виде тепла (например, на разогрев мазута, поступающего на ТЭЦ в густом виде в железнодорожных цистернах), либо в виде электроэнергии (например, на привод электродвигателей насосов различного назначения). Эту часть потерь называют собственными нуждами.

На рис. 8.1 показана диаграмма превращения теплоты топлива на ТЭС с тремя газомазутными энергоблоками электрической мощностью по 800 МВт, осредненная за годовой период. Отношение количества энергии, отпущенной ТЭС за некоторый промежуток времени, к затраченной за это время теплоте, содержащейся в сожженном топливе, называется коэффи-циентом полезного действия нетто ТЭС по выработке электроэнергии. Для ТЭС, рассмотренной на рис. 8.1, он составляет 38,4 %.

Понятие КПД нетто ТЭС обычно используется как универсальная оценка для сравнения ТЭС в различных странах, при научном анализе и в некоторых других случаях. В повседневной практике на ТЭС используют другой показатель удельный расход условного топлива , измеряемый в г/(кВт·ч). Условное топливо это топливо, имеющее теплоту сгорания
= 7000 ккал/кг = 29,33 МДж/кг. Если, например, на ТЭС сожгли 100 т угля с теплотой сгорания = 3500 ккал/кг, т.е. использовали = 50 т у.т., и при этом отпущено в сеть Э = 160 000 кВт·ч электроэнергии, то удельный расход условного топлива составит

= 50·10⁶/160000 = 312,5 г/(кВт·ч).

Между к.п.д.ТЭС нетто и удельным расходом условного топлива существует элементарная связь:

= 123/ ; = 123/ .

Полезно и легко запомнить, что удельному расходу = 333 г/(кВт·ч) соответствует к.п.д. нетто = 37 %. Примерно такой уровень имеет типичная ТЭС России.

Рассмотрим несколько примеров.

В 1999 г. ТЭС АО-энерго России выработали 517,53 млрд кВт·ч электроэнергии при среднем расходе удельного условного топлива
= 341,7 г/(кВт·ч). Следовательно, для этого пришлось сжечь

= 341,7·10 ^–6 · 517,53·10 ⁶ = 176,8 млн т у.т

Экономия условного топлива всего в 1 г/(кВт·ч) в масштабах России дает экономию условного топлива

Δ = (1/341,7) · 176,8 = 0,52 млн т,

т.е. примерно полмиллиона тонн.

Повышение КПД нетто ТЭС на 1 % означает уменьшение удельного расхода условного топлива на Δ = 0,01 · 341,7 ≈ 3,4 г/(кВт·ч), что дает экономию условного топлива в масштабах России ΔВ_Т = 0,52 · 3,4 ≈ 1,8 млн т у.т.

На пылеугольной Рефтинской ГРЭС общей мощностью 3800 МВт удельный расход условного топлива = 336,5 г/(кВт·ч). Если энергоблоки ГРЭС работают с полной нагрузкой, то суточный расход условного топлива составит

= 336,5·10 ^–6 · 3800 ·10 ³ · 24 = 30700 т.

Если в данном случае для простоты считать, что теплота сгорания используемого и условного топлива совпадает, а уголь перевозится в вагонах емкостью 60 т, то для перевозки потребуется 30700/60 ≈ 511 вагонов, т.е. примерно 10 железнодорожных составов. Иными словами, ГРЭС должна принимать и соответственно сжигать каждый час по одному составу.

Тепловая электростанция пропускает через себя огромное количество воды. Можно считать, что для отпуска 1 кВт·ч электроэнергии требуется примерно 0,12 м³ охлаждающей воды, которая поступает к конденсатору с температурой, примерно равной температуре окружающей среды. В конденсаторе она нагреется на 8–10 °С и покинет его.

Например, всего один энергоблок мощностью 300 МВт за 1 с использует 10 м³ охлаждающей воды. Для его работы требуется расход воды, примерно равный среднегодовому расходу Москва-реки в черте города. Для работы насосов, обслуживающих этот энергоблок, требуется электродвигатель мощностью 2,5 МВт.

Огромно и количество используемого воздуха. Для выработки 1 кВт·ч электроэнергии требуется примерно 5 м³ воздуха.

Например Рефтинская ГРЭС, работающая на полную мощность 3800 МВт каждую 1 с использует

V = 5 · 3600 · 3,8 · 10⁶ = 5300 м³/с

чистого воздуха с содержанием кислорода 21 % (по массе) и выбрасывает в атмосферу дымовые газы, практически не содержащие кислорода, но отравленные диоксидом углерода, оксидами азота и другими вредными соединениями.

Для нормальной работы ТЭС, кроме «сырья» (топливо, охлаждающая вода, воздух) требуется масса других материалов: масло для работы систем смазки, регулирования и защиты турбин, реагенты (смолы) для очистки рабочего тела, многочисленные ремонтные материалы.

Наконец, мощные ТЭС обслуживаются большим количеством персонала, который обеспечивает текущую эксплуатацию, техническое обслуживание оборудования, анализ технико-экономических показателей, снабжение, управление и т.д. Ориентировочно можно считать, что на 1 МВт установленной мощности требуется 1 персона и, следовательно, персонал мощной ТЭС составляет несколько тысяч человек.

Главный корпус ТЭС

Основным строительным сооружением ТЭС является главный корпус, поперечный разрез по которому показан на рис. 8.2. Он состоит из трех отделений: турбинного, деаэраторного и котельного.

Турбинное отделение включает в себя рамный фундамент – железобетонное сооружение, состоящее из нижней фундаментной плиты, установленной на грунт, вертикальных колонн и верхней фундаментной плиты, опирающейся на колонны. На верхнюю фундаментную плиту, расположенную в данном случае на высотной отметке 13,5 м, устанавливают цугом паровую турбину, электрогенератор и возбудитель (эту совокупность называют турбоагрегатом).

Помещение, в котором располагается турбина, называется машинным залом (машзалом). Общий вид машзала типичной ТЭС показан на рис. 8.3. Турбоагрегаты, закрытые металлическими кожухами, размеща-ются поперек машзала, между ними имеются свободные пространства на всю высоту здания от нулевой отметки до кровли для установки оборудования, имеющего большую высоту (например, подогреватели высокого давления (ПВД)). Справа и слева от турбоагрегатов в машзале имеются свободные проходы.

Под полом машзала находится конденсационное помещение, поскольку в нем на нулевой высотной отметке располагается конденсатор, присоединенный своим входным патрубком к выходному патрубку турбины. (рис. 8.4).

Пар, покидающий цилиндр низкого давления (ЦНД) турбины, поступает в конденсатор – теплообменник, по трубам которого непрерывно протекает охлаждающая вода, подаваемая циркуляционным насосом из реки, водохранилища или специального охладительного устройства (градирни) (рис. 8.5, 8.6).

Рис. 8.2. Поперечный разрез по главному корпусу ТЭС:

1 – машинный зал; 2 – электрогенератор; 3 – подъемный кран для монтажных и ремонтных работ; 4 – ЦНД паровой турбины; 5 – конденсационное помещение;

6 – деаэраторная этажерка; 7 – деаэратор; 8 – котельное отделение; 9 – подъемный кран для обслуживания котла; 10 – котел; 11 – воздухоподогреватель; 12 – дымовая труба;

13 – дымосос; 14 – вентилятор рециркуляции горячих газов; 15 – забор воздуха;

16 – помещение блочного щита управления; 17 – паропроводы; 18 – конденсатные насосы; 19 – конденсатор; 20 – возбудитель электрогенератора

Как правило, на нулевой отметке или ниже ее размещают также конденсатные насосы, насосы маслоснабжения и некоторое другое оборудование. Конденсационное помещение содержит также многочисленные этажерки, на которые устанавливают питательный насос с его приводом (электродвигатель или небольшая паровая турбина), сетевые подогреватели (для ТЭЦ), вспомогательные устройства для пуска и остановки различного оборудования ТЭС.

Рис. 8.3. Машинный зал ТЭС

Рис. 8.4. Конденсатор турбиныи Т-50-130

Рис. 8.5. Градирня из алюминиевых листов

Рис. 8.6. Железобетонная градирня

Рис. 8.7. Циркуляционный насос

Котельное отделение находится в правой части главного корпуса (рис. 8.2). Здесь размещаются котлы. За стеной котельного отделения на открытом воздухе располагаются воздухоподогреватели, дымососы и дымовая труба (обычно общая для нескольких энергоблоков).

Между турбинным и котельным отделением размещают деаэраторное отделение. На деаэраторной этажерке на высотной отметке 15–26 м размещают деаэраторы (рис. 8.8). Конденсат, подвергаемый деаэрации, и пар для его нагрева деаэраторы получают из турбинного отделения. Из деаэраторов питательная вода поступает к питательному насосу и затем в ПВД (а из них – в котлы). В деаэраторном помещении на высотной отметке машзала располагают щиты управления котлами и турбинами со всеми необходимыми приборами и автоматикой. Здесь находятся операторы, управляющие работой ТЭС.

Рис. 8.8. Деаэратор высокого давления (ДВД)