Тепловой цикл паротурбинной установки ТЭС и показатель ее термодинамической эффективности

Энергетический процесс современных паротурбинных установок (ПТУ) основан на использовании термодинамического цикл Ренкина с полной конденсацией отработавшего в турбине водяного пара. Схема простейшей теплоэнергетической установки, посредством которой реализуется данный цикл, представлена на рис. 2.1, а на рис. 2.2 приведен идеальный цикл Ренкина в Т,s-диаграмме. Обозначения термодинамических параметров в соответствующих узлах и точках цикла (давление р, МПа (кПа), температура t,^оС) и параметра теплового состояния рабочих сред (удельные энтальпия h, кДж/кг и энтропия s, кДж/(кг-К)) даны на представленных рисунках. Там же показаны расходы пара G₀, кг/с в паровую турбину и теплоты Q₀, кДж/ч перед ней.

Рис. 2.1. Простейшая схема ПТУ Рис. 2.2. Идеальный цикл ПТУ в Т,s-диаграмме

Сокращенные обозначения основного оборудования ПТУ и краткая характеристика происходящих в ней процессов следующие:

ПТ – паровая турбина, в которой в процессе расширения пара его тепловая энергия преобразуется в механическую энергию вращающегося ротора с передачей на ротор электрогенератора (ЭГ) работы турбины L_т - процесс 1-2;

К_Р – конденсатор турбоустановки, в котором отработавший в турбине пар конденсируется при постоянном давлении р_к и отдает теплоту Q_к охлаждающей воде (на рис. 2.1 представлено как удельное количество теплоты q₂, кДж/кг) – процесс 2-2¹;

ПН - питательный насос, в котором осуществляется адиабатное сжатие питательной воды (процесс 2¹-3 при затрате работы L_н на сжатие 1 кг воды);

К– энергетический котел (далее котел), в котором в процессе подвода теплоты при сгорании органического топлива (на рис. 2.1 представлено как удельное количество подводимой теплоты q₁, кДж/кг) осуществляется подогрев воды до температуры кипения (процесс 3-3¹), ее испарение (процесс 3¹-4) и перегрев водяного пара (процесс 4-1).

Эффективность цикла Ренкина с подводом q₁ и отводом q₂ удельных количеств теплоты определяется его термическим КПД

(2.1)

где h₀- энтальпия водяного пара перед турбиной; h_пв- энтальпия питательной воды; h₂_t - энтальпия пара после турбины при изоэнтропийном расширении в ее проточной части; h_к¹- энтальпия конденсата за конденсатором ПТУ; Н₀= h₀- h₂_t - располагаемый теплоперепад турбины; Н_пн= h_пв- h_к¹- подогрев питательной воды в адиабатном процессе ее сжатия, который эквивалентен работе, затрачиваемой на повышение давления в питательном насосе; Q₀¹= h₀- h_к¹- расход теплоты без учета подогрева воды в данном насосе.

Термический КПД цикла без учета подогрева воды в питательном насосе

(2.2)

Термический КПД идеальной паротурбинной установки (рис. 2.1) можно выразить и через отношение полезной теоретической работы 1 кг пара в цикле L к теплоте, переданной 1 кг рабочей среды в котле (q₁= h₀- h_пв), следующим образом:

. (2.3)

Располагаемый теплоперепад турбины Н₀расходуется на производство электроэнергии и приводные двигатели установок собственных нужд, среди которых основной составляющей является расход энергии на привод питательного насоса.

2.2. Энергетические показатели паротурбинной установки.

Баланс теплоты и мощности для энергоблоков ТЭС

Основным показателем энергетической эффективности паротурбинной установки конденсационного типа является коэффициент полезного действия по отпуску электрической энергии, называемый абсолютным электрическим КПД, который с учетом расхода электроэнергии на собственные нужды Э_сн определяют как «КПД нетто» («нт» - нетто):

(2.4)

где Э, кВт-ч - выработанная электроэнергия; Q_с, кДж/ч - затраченная энергия (теплота сожженного в котле топлива); э_сн=Э_сн/Э - доля электроэнергии на собственные нужды энергоблока (4-6%). Выражение (2.4), записанное для часового промежутка времени, имеет вид:

(2.5)

где N_Э, кВт - электрическая мощность. Показатель «КПД нетто» используется при решении реальных задач планирования работы и отчетности электростанции. В анализе энергетической эффективности процесса выработки электроэнергии используется «КПД брутто»(h_Э^бр=h_Э^нт/(1 - э_сн)), который для часового промежутка времени имеет выражение:

(2.6)

На рис. 2.3 для конденсационного энергоблока представлена схема, определяющая общий баланс теплоты и мощности при расходе теплоты топлива ВQ_р^н=Q_c (В – расход топлива, кг/с; Q_р^н– его низшая теплотворная способность, кДж/кг) на создание электрической мощности в электрогенераторе N_Э.

Рис. 2.3. Схема баланса теплоты и мощности для конденсационного энергоблока

Здесь расход теплоты на турбоустановку

Q_ТУ = Q₀ = 3600(N_Э + DN_эг + DN_мех + DN_i) + DQ_к = 3600N_i+ DQ_к,

где DN_эг – потери мощности в электрическом генераторе; DN_мех (DN_м на рис. 2.3) - механические потери турбоагрегата; DN_i – внутренние потери мощности в турбине; N_i - внутренняя мощность турбины; DQ_к - потери теплоты с охлаждающей водой конденсатора турбоустановки. Тепловая мощность котла Q_к= Q₀+ Q_тр, где Q_тр- потери теплоты в окружающую среду при транспортировке рабочих сред в трубопроводах. Теплота топлива Q_c=Q_к+ DQ_пк расходуется в котле на теплоту получаемого пара и покрытие потерь в котле DQ_пк (рис. 2.3).

Абсолютный электрический КПД турбоустановки для часового промежутка времени при расходе тепла на нее Q₀, кДж/ч определяется соотношением

(2.7)

КПД котла . Потери теплоты в котле с теплотой уходящих из него газов, от химической и механической неполноты сгорания топлива, от рассеяния в окружающую среду, при удалении жидких шлаков определяют диапазон значений h_к= 0,94 - 0,90.

КПД трубопроводов (транспортировки теплоты) =0,99 - 0,98,где Q₀ – теплота пара, подводимого к турбине. Из-за аэродинамического сопротивления главного паропровода, средств измерения расхода пара и различного рода запорных и регулирующих органов давление пара перед турбиной обычно на 1…1,5 МПа меньше, чем давление пара за котлом.

В итоге, с учетом (2.6), выражение для электрического КПД брутто принимает вид

(2.8)

Электрическая мощность N_Э связана с эффективной мощностью N_е на муфте между турбиной и электрогенератором соотношением N_Э=N_еh_эг, где КПД электрогенератора h_эг учитывает потери мощности DN_эг в нем (рис. 2.3). Эффективная мощность турбины N_е связана с ее внутренней мощностью N_i соотношением N_е=N_ih_мех, где механический КПД учитывает потери трения в подшипниках валопровода турбоагрегата, а также расход энергии в системах регулирования и маслоснабжения.

На рис. 2.3 электрическая мощность N_Э^нт определяет отпущенную в энергосистему электрическую энергию с учетом ее затрат на собственные нужды станции (DN_сн).

На рис. 2.4 представлены процессы расширения пара в проточной части турбины. Внутренняя мощность турбины N_i связана с располагаемой (теоретической) мощностью N₀ соотношением N_i=N₀h_oi, где внутренний относительный КПД турбины h_oi характеризует степень совершенства ее проточной части в процессе преобразования тепловой энергии пара в механическую энергию вращающегося ротора. С учетом этого КПД действительный теплоперепад на турбину H_i=H₀h_oi (рис. 2.4,б). В свою очередь, с учетом дросселирования пара в стопорных и регулирующих клапанах турбины, определяемого коэффициентом дросселирования h_др=Н₀¹/Н₀, h_oi=h_дрh_oi¹ (рис. 2.4,а). Здесь h_oi¹=Н_i/Н₀¹- внутренний относительный КПД проточной части турбины с учетом потерь энергии с выходной скоростью пара в ее последней ступени.

В итоге для секундного промежутка времени электрический КПД энергоблока

(2.9)

а) б)

Рис. 2.4. Представление процесса расширения водяного пара в турбине в h,s-диаграмме:

а – с учетом дросселирования в стопорных и регулирующих клапанах;

б – упрощенное (1 - теоретический процесс; 2 – реальный процесс)

Наибольшее влияние на уровень эффективности паротурбинной установки оказывают потери теплоты DQ_к в конденсаторе, достигающие 45-50% затрачиваемой в цикле теплоты. Теплота DQ_к отработавшего в паровой турбине пара передается охлаждающей воде конденсатора при очень низком давлении (р_к= 3…5 кПа много меньше атмосферного давления р_а= 98…102 кПа). Это говорит о том, что при данных условиях пар за турбиной обладает крайне низкой работоспособностью. Примем следующие оценки КПД: h_t=0,55; h_oi=0,85; h_мех=0,99; h_эг=0,985; h_тр=0,99; h_к=0,90. Тогда КПД по производству электроэнергии h_Э^бр= 0,406. С учетом затрат энергии на собственные нужды, например э_сн= 0,05, КПД нетто h_Э^нт=h_Э^бр(1 - э_сн) = 0,386.