 |
|
Тема3. Энергетические характеристики турбоагрегатов с противодавлением типа «Р»и теплофикационных «Т» и «ПТ».
3.1 Энергетические характеристики турбоагрегатов с противодавлением типа «Р»
Следующий тип турбоагрегатов, который будет рассмотрен, так называемые турбоагрегаты с противодавлением или «Р». Их отличительной особенностью является то, что они не имеют конденсаторов для охлаждения отработанного пара. Отработанный пар аналогичного или повышенного, по сравнению с конденсационной турбиной давления, направляется непосредственно потребителю, и в данном случае является полезным продуктом и используется тепловыми потребителями ТЭЦ, а не теряется с охлаждающей водой и следовательно, потери тепла с конденсацией отсутствуют.
Принципиальные типовые схемы турбоагрегатов с противодавлением типа «Р» имеют вид (рис. 28).
На рис. 28а отработанный пар непосредственно из турбины направляется на производственные нужды, давление пара составляет, обычно, 5 ÷ 15 ата, в зависимости от необходимой величины давления пара промышленной установки, которая этот пар использует в производственном процессе на предприятии. Данная турбина работает только тогда, когда имеется режимная потребность в паре, следовательно существует жесткая зависимость времени работы производственной установки и самой турбины от графика потребления пара. Величина электрической мощности турбоагрегата определяется режимом потребления пара потребителя.
Рис. 28. Принципиальные схемы турбоагрегатов с противодавлением типа «Р».
Существуют варианты конструкции противодавленческих турбин с давлением пара на выходе – 1,2 ÷ 2,5 ата. Такие турбины используются для отопительных целей. В этом случае отбор пара называется теплофикационным. Изменение величины расхода пара на отопление, согласно графика теплофикационной нагрузки, однозначно приводит к изменению электрической мощности турбоагрегата.
На рис. 28б показана схема с промежуточным производственным отбором давлением 7 ÷ 15 ата и конечным теплофикационным – на 1,2 ÷ 2,5 ата.
Отработанное тепло турбин с противодавлением может так же использоваться на собственные нужды самой тепловой электростанции.
В любом варианте выработка электроэнергии является функцией потребления отработанного тепла, забираемого из противодавленческой турбины, таким образом выработка электроэнергии производится только по теплофикационному циклу, то есть на отбираемом тепле.
Рассмотрим схему энергобаланса противодавленческого турбоагрегата типа «Р» (рис. 29).
Рис. 29. Схема энергобаланса противодавленческого турбоагрегата типа «Р».
Из подведенного тепла 
, равного полному часовому расходу тепла турбоагрегатом 
, выделяется:
- полезное тепло на производство электроэнергии;
- отпуск теплоэнергии потребителю;
- потери тепла.
Схема энергобаланса показывает, что турбоагрегат с противодавлением отпускает два вида продукции: теплоэнергию и электроэнергию.
где 
- часовой расход тепла на производство электроэнергии;
- часовой расход тепла на отпуск тепла.
Задача распределения потерь в турбоагрегате между теплоэнергией и электроэнергией является теоретически сложной. Практически она решается на основе, так называемого "физического метода распределения".
Сущность физического метода заключается в ряде допущений.
1. В турбоагрегате вырабатывается только электроэнергия.
2. В турбоагрегате теплоэнергия только преобразуется (меняет параметры).
3. Все потери тепла в турбоагрегате относятся на выработку электроэнергии. Это означает, что преобразование тепла происходит без потерь и, следовательно, КПД по отпуску теплоэнергии равно 100%. Удельный расход тепла входящего в турбину пара на единицу отпускаемого тепла равен 1 Гкал/Гкал.
Достоинства физического метода распределения следующие:
- простота применения в практических расчетах;
- технико-экономические показатели, получаемые при расчете по физическому методу, отражают эффективность технологического процесса.
Недостатки физического метода распределения следующие:
- уравнивание 1 Гкал тепла разной потребительской ценности, а, именно, 1 Гкал острого пара, отпущенного из котла, приравнивается к 1 Гкал пара, отпущенного из турбины;
- отсутствует возможность тарификации 1 Гкал тепла разной ценности и поэтому себестоимость определяется как себестоимость обезличенной 1 Гкал;
- эффект комбинированного производства относится на электроэнергию, так как безразлично, отпускать пар из котельной или из турбоагрегата.
Рассмотрим отдельные составляющие энергетической характеристики турбоагрегата с противодавлением.
Характеристика расхода тепла на производство электроэнергии имеет следующий вид, Гкал/ч:
где 
Расход тепла на холостой ход турбоагрегата с противодавлением при производстве электроэнергии складывается из механических потерь, потерь в окружающую среду и постоянных электрических потерь генератора.
Потери в конденсаторе в данном случае отсутствуют, так как все тепло отбираемого пара используется тепловыми потребителями ТЭЦ, а не теряется с охлаждающей водой.
Относительный прирост расхода тепла 
слагается из теплового эквивалента 1 МВт∙ч электроэнергии и относительного прироста электрических потерь в генераторе, Гкал/МВт∙ч:
где 
- относительный прирост электрических потерь в генераторе,
равный 0,01 ÷ 0,02 Гкал/МВт∙ч
Следовательно, значение 
равняется:
Гкал/МВт∙ч
Выражением характеристики в развернутом виде будет уравнение, Гкал/ч:
Значение относительного прироста расхода тепла на производство электроэнергии турбоагрегата с противодавлением в несколько раз меньше, чем значение относительного прироста расхода тепла конденсационного агрегата, который включает в себя также относительный прирост потерь тепла в конденсаторе.
Кроме расхода тепла на производство электроэнергии , в энергетическом процессе турбоагрегата с противодавлением одновременно расходуются тепло на отпуск тепловой энергии тепловым потребителям , Гкал/ч:
Причем, согласно физическому методу распределения при КПД = 100%
Так как при холостом ходе турбоагрегата имеет место определенный отпуск тепла, то зависимость расхода тепла на теплоснабжение потребителей от электрической нагрузки выражается следующим уравнением, Гкал/ч:
где 
- тепло отпускаемое при холостом ходе турбоагрегата. Эта величина в отличие от холостого расхода 
является не потерей тепла, а полезным отпуском тепла потребителям;
– относительный прирост отпуска тепла, Гкал/МВт∙ч
Выражение в отличие от уравнения расходной характеристики отражает не расход тепла на производство электроэнергии, а его отпуск для теплоснабжения потребителей и может быть названо характеристикой отпуска тепла турбоагрегатом с противодавлением в зависимости от его электрической нагрузки.
Если расходная характеристика отражает экономичность процесса, то характеристика отпуска – его производительность по теплу.
Суммируя характеристики, получаем общую характеристику расхода и отпуска тепла турбоагрегатом в зависимости от его электрической нагрузки, Гкал/ч:
где 
- расход тепла на холостой ход турбины в целом;
- относительный прирост расхода тепла турбины в целом.
Удельный отпуск тепла на 1 МВт электрической нагрузки равен, Гкал/МВт:
Графически удельный отпуск тепла на 1 МВт электрической нагрузки изображается равносторонней гиперболой с асимптотой равной 
(рис. 30).
Рис. 30. Зависимость удельного отпуска тепла от электрической нагрузки.
Из формулы видно удельного отпуска тепла и графика, что при бесконечном возрастании электрической нагрузки 
величина удельного отпуска тепла 
асимптотически приближается к своему нижнему пределу – постоянной величине относительного прироста отпуска тепла .
Из уравнения следует, что электрическая нагрузка агрегата в зависимости от отпуска тепла турбиной, выражается следующей формулой, МВт:
Удельная выработка электроэнергии (мощность) на тепловом потреблении при этом равняется, МВт∙ч/ Гкал:
Обратная величина нижнего предела удельного отпуска тепла при 
, одновременно есть верхний предел удельной выработки электроэнергии на единицу отпускаемого пара при 
или частичная удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении.
Обозначим:
где 
- частичная удельная выработка электроэнергии (мощности) на тепловом потреблении, МВт∙ч/ Гкал.
Тогда:
Графически функция удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении 
выглядит следующим образом (рис. 31).
Рис. 31. Зависимость удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении от отпуска тепла.
Из аналитического выражения 
и его графической интерпретации следует, что аргумент и функция изменяется в пределах показанных ниже.
Из графика видно, что при малых отпусках тепла (малых электрических нагрузках) удельная выработка электрической энергии на 1 Гкал очень мала, а с ростом возрастает, стремясь к пределу: 
при .
Основные параметры характеристики приведены в таблице 2.
Таблица 2.
| Часовой отпуск
тепла , Гкал/ч
| Удельная выработка электроэнергии , МВт∙ч/Гкал
| Примечание |
| Величина фиктивная | |
|
| Выработки электроэнергии нет | |
| 
| Номинальная величина удельной выработки электроэнергии |
| ∞ |
| Теоретически предельная величина или частичная удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении |
Важнейшей составляющей энергетической характеристики турбоагрегата с противодавлением является характеристика электрической мощности, МВт:
Обозначим:
, а 
Тогда:
где 
- частичная удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении, МВт∙ч/Гкал;
- электрическая мощность, теряемая с потоком пара холостого расхода, то есть электрическая мощность генератора, которая могла бы быть получена на базе мощности турбоагрегата, расходуемой на покрытие потерь тепла холостого хода – механических, в окружающую среду и электрических постоянных потерь, МВт.
Графически функция электрической мощности 
турбоагрегата с противодавлением в зависимости от величины отпуска тепла имеет вид
(рис. 32).
Рис. 32. Электрическая мощности турбоагрегата с противодавлением.
Основные параметры характеристики приведены в таблице 3.
Таблица 3.
| Часовой отпуск
тепла , Гкал/ч
| Электрическая нагрузка турбоагрегата Р, МВт | Примечание |
| Величина фиктивная | |
|
| Холостой ход турбоагрегата | |
|
| 
| Номинальная мощность турбоагрегата |
| ∞ | ∞ |
Пример:
Энергетическая характеристика турбоагрегата Р – 25 - 90/1,2:
Гкал/ ч
МВт
Гкал/ ч
Задача 5.1.
Необходимо провести расчет и построение энергетической характеристики турбоагрегата с противодавлением Р-50-130/13.
Исходные данные получены по результатам испытаний турбоагрегата при различных значениях нагрузки (табл. 4).
Таблица 4.
Результаты испытаний турбоагрегата.
| Нагрузка Р, МВт. | ||||
Расход пара  , т/ч
| ||||
Теплосодержание свежего пара  , Ккал/кг
| ||||
Температура питательной воды  , оС*
| ||||
КПД генератора  , %
| 97,3 | 97,9 | 98,0 | 98,2 |
*Энтальпию питательной воды, выраженную в Ккал/кг, принимаем численно равной в оС.
Требуется выполнить:
1.Расчет часовых расходов тепла при принятых электрических нагрузках .
2. Графическое построение энергетической расходной характеристики турбоагрегата 
и определение её аналитического выражения.
3. Расчет потерь тепла в турбоагрегате:
3.1. 
- в окружающую среду;
3.2. 
- механических;
3.3. 
- электрических.
4. Графическое построение характеристики электрических потерь тепла в генераторе от нагрузки и определение её аналитического выражения 
.
5. Определение аналитического выражения зависимости часового расхода тепла на выработку электрической энергии и отпуска тепла потребителям от нагрузки.
6. Определение аналитического выражения зависимости электрической мощности от отпуска тепла потребителям и удельной выработки электроэнергии на 1 Гкал отпускаемого тепла 
.
7. Расчет и графическое построение балансов тепла турбоагрегата при нагрузках = 10, 25, 40 МВт в абсолютных значениях и %.
Решение.
1. Расчет часовых расходов тепла при принятых электрических нагрузках:
, Гкал/ч
Гкал/ч
Гкал/ч
Гкал/ч
Гкал/ч
2. По полученным значениям часового расхода тепла и соответствующим нагрузкам производим графическое построение энергетической характеристики турбоагрегата 
(рис. 33).
Рис. 33. Зависимость часового расхода тепла от нагрузки турбоагрегата с противодавлением типа «Р».
Как видно из рис. 33 
Гкал/ч, а 
, или относительный прирост расхода тепла 
определится из треугольника ABC:
Гкал/МВт∙ч
Итак, энергетическая расходная характеристика турбоагрегата Р-50-130/13 может быть записана в следующем виде:
Гкал/ч
3. Расчет потерь тепла в турбоагрегате:
3.1. Потери тепла в окружающую среду принимаются 0,5 % от номинальной нагрузки турбоагрегата:
Гкал/ч
3.2. Механические потери тепла принимаются 1 % от номинальной нагрузки турбоагрегата:
Гкал/ч
3.3.Пользуясь исходными данными, определяем 
для соответствующих значений нагрузки, Гкал/ч:
Гкал/ч
Гкал/ч
Гкал/ч
Гкал/ч
4. По данным расчета и строим зависимость ( рис. 34).
Как видно из рис. 34 
Гкал/ч. Относительный прирост характеристики переменных потерь в генераторе 
определяется:
Гкал/МВт∙ч
Отсюда аналитическое выражение зависимости примет вид:
Гкал/ч
Рис. 34. Зависимость электрических потерь тепла в генераторе от нагрузки.
5.Расход тепла на выработку электроэнергии определится следующим образом:
Гкал/ч
Расход тепла на холостой ход турбоагрегата на выработку электроэнергии складывается из:
Гкал/ч
Относительный прирост расхода тепла на 1 МВт нагрузки складывается из эквивалента МВт∙ч электроэнергии и переменной части потерь тепла в генераторе, Гкал/ч:
Общий расход тепла, подведенного к турбоагрегату равен, Гкал/ч:
Отсюда характеристика отпуска тепла в зависимости от электрической нагрузки :
Гкал/ч
6.Электрическая мощность турбины равна:
МВт
Удельная выработка электроэнергии на 1 Гкал отпущенного тепла:
МВт∙ч/ Гкал
7.Баланс тепла при нагрузке 
МВт.
Рис.35. Баланс тепла Гкал/ч при нагрузке МВт.
Для значений , согласно заданию балансы построить самостоятельно.
3.2 Энергетические характеристики теплофикационных турбоагрегатов (конденсационных с отбором).
Теплофикационные турбоагрегаты предназначены для комбинированной выработки тепла и электроэнергии. Они имеют 1, 2 или более регулируемых отборов (регулируемым называется отбор, в котором автоматически поддерживается заданное давление пара). Такие турбоагрегаты могут работать как чисто конденсационные (если закрыть отборы), а в обычном режиме работают по конденсационному и теплофикационному циклам одновременно.
Принципиальные тепловые схемы теплофикационных турбоагрегатов представлены ниже (рис. 36).
Рис.36. Принципиальные схемы теплофикационных турбоагрегатов с двумя отборами и с одним отбором.
Схема энергобаланса теплофикационного турбоагрегата (рис. 37).
Рис.37. Схема энергобаланса теплофикационного турбоагрегата.
Распределение потерь тепла между двумя видами продукции (электроэнергией и теплом), согласно физическому методу, означает, что все потери тепла относятся на производство электроэнергии, а преобразование тепла происходит без потерь.
В турбоагрегате электроэнергия вырабатывается по теплофикационному и конденсационному циклам, при этом переменные электрические потери тепла в генераторе распределяются между теплофикационной 
и конденсационной мощностью 
.
В этом случае возможно разделение энергобаланса на два отдельных (рис. 38).
Рис.38. Раздельные энергобалансы теплофикационного турбоагрегата.
Как видно из рис. 38 на конденсационный цикл выработки электроэнергии относятся следующие виды потерь тепла: в окружающую среду, механические, постоянные электрические потери в генераторе.
Потери тепла в конденсаторе связаны только с работой турбоагрегата по конденсационному циклу, поэтому эти потери, как постоянные, так и переменные, относятся на соответствующую выработку электроэнергии по конденсационному циклу.
Электрические переменные потери делятся пропорционально соотношению и и в этой пропорции относятся на соответствующий цикл.
,
при 
, 
, 
Теплофикационный цикл, таким образом, рассматривается как дополнительный, который накладывается на основной конденсационный цикл с уже имеющимися потерями.
Согласно раздельным энергобалансам, энергетические расходные характеристики теплофикационного турбоагрегата по отдельным циклам выглядят следующим образом:
· Расход тепла на выработку электроэнергии по конденсационному циклу, Гкал/ч
· Расход тепла на выработку электроэнергии по теплофикационному циклу, Гкал/ч
Сложив обе характеристики, получим аналитическое выражение энергетической характеристики теплофикационного турбоагрегата при дроссельном регулировании, Гкал/ч:
где: 
Относительные приросты расхода тепла на выработку электроэнергии по отдельным циклам равны, Гкал/МВт∙ч:
где: 
- относительный прирост переменных потерь тепла в конденсаторе:
- относительный прирост переменных электрических потерь тепла в генераторе.
Значения относительных приростов расходов тепла на выработку электроэнергии по отдельным циклам по величине разные:
Гкал/МВт∙ч
Гкал/МВт∙ч
Если турбоагрегат имеет обводное регулирование и его энергетическая характеристика имеет излом, то она выглядит следующим образом, Гкал/ч:
или
Теплофикационные турбоагрегаты имеют еще одну важнейшую характеристику, МВт.
Для турбоагрегата с одним отбором «Т», МВт
Для турбоагрегата с двумя отборами «ПТ», МВт
где: 
и 
- относятся к производственному отбору,
и 
- относятся соответственно к теплофикационному отбору.
, так как для производственного отбора срабатываемый теплоперепад меньше, чем для теплофикационного, из-за разности конечных значений давления пара.
Пример:
Энергетическая расходная характеристика теплофикационного турбоагрегата Т-100-130
1. 
Гкал/ч
2. 
МВт
3. 
Гкал/ч
4. 
ата
Пример:
Энергетическая расходная характеристика теплофикационного турбоагрегата ПТ-50-130/7
1. 
Гкал/ч
2. 
МВт
3. 
Гкал/ч
4. 
Гкал/ч
5. 
ата
6. 
ата
Другим способом расчета , при отсутствии энергетических характеристик, является расчет по следующей формуле, МВт:
где: 
- количество пара, отпускаемое потребителю, т/ч;
- количество тепла, отпускаемое потребителю, Гкал/ч;
- используемый теплоперепад:
- начальное теплосодержание пара, Ккал/кг;
- теплосодержание пара в отборе, Ккал/кг;
- механический КПД генератора;
- электрический КПД генератора.
При расчете по 1-му и 2-му способу могут быть получены разные результаты. Это происходит потому, что у турбоагрегата могут быть нерегулируемые отборы.
Регулируемым называется отбор, в котором автоматически поддерживается заданное давление пара.
Нерегулируемые отборы обеспечивают, например, регенеративный подогрев питательной воды. Это не изменяет структуру энергетической характеристики, но учитывается соответствующим снижением величины относительного прироста - 
.
Первый способ расчета учитывает только регулируемые отборы пара турбоагрегата.
Во втором случае должно учитывать как регулируемые, так нерегулируемые отборы, Гкал/ч:
Наряду с энергетическими характеристиками, наиболее важными показателями теплофикационного турбоагрегата являются:
1. Теплоэлектрический коэффициент 
, показывающий долю выработки электрической мощности (энергии) по теплофикационному циклу в общей выработке:
или 
В общем случае для разных типов турбоагрегатов значение изменяется в пределах от 
до 
.
Турбоагрегат «К» 
Турбоагрегата «Р» 
Турбоагрегаты «Т» и «ПТ» 
Для теплофикационных агрегатов:
значение - при закрытых отборах;
значение 
- при полностью открытых отборах.
Наряду с теплоэлектрическим коэффициентом используется показатель, который называется коэффициентом конденсационной выработки электроэнергии 
и показывает долю выработки электрической мощности (энергии) по конденсационному циклу в общей выработке:
или 
Так как общая выработка электроэнергии состоит из теплофикационной и конденсационной:
2. Удельный расход тепла на 1 МВт электрической нагрузки, Гкал/МВт∙ч
Показатель удельного расхода тепла на единицу электроэнергии с увеличением нагрузки уменьшается.
3. Удельный расход топлива на выработку электрической энергии 
, т.у.т./МВт∙ч
где 
- удельный расход топлива на 1 Гкал тепла, т.у.т./Гкал
где 
- теплотворная способность 1 кг условного топлива,
- КПД котельной установки, %
Расход топлива на выработку электроэнергии теплофикационным турбоагрегатом определяется по характеристике, Гкал/ч
путем умножения каждого слагаемого на получим т.у.т./ч
Удельный расход топлива на выработку электрической энергии 
и теплоэлектрический коэффициент - обратно пропорциональны, т.е. чем выше значение , тем ниже удельный расход топлива , т.у.т./МВт∙ч
где 
и 
- удельные расходы топлива соответственно на выработку электроэнергии по теплофикационному и конденсационному циклам.
Указанное соотношение определяется тем, что чем выше значение , тем больше вырабатывается кВт∙ч электроэнергии с относительным приростом теплофикационного цикла Гкал/МВт∙ч
Пример:
При 
(отбор закрыт) вся выработка электроэнергии происходит по конденсационному циклу с удельным расходом топлива порядка 
г.у.т./КВт∙ч
При 
(отбор открыт полностью) вся выработка электроэнергии происходит по теплофикационному циклу, за исключение выработки электроэнергии по вынужденному конденсационному режиму.
Удельный расход топлива составляет величину 
г.у.т./КВт∙ч
Пример:
Влияние различных режимов работы теплофикационного турбоагрегата на удельные расходы топлива на выработку электроэнергии:
1. По плану теплофикационный турбоагрегат должен работать с электрической нагрузкой 
МВт и отпуском тепла 
Гкал/ч. Фактически электрическая нагрузка составила 
МВт и отпуск тепла 
Гкал/ч.
В данном случае электрическая нагрузка не изменилась, а отпуск тепла потребителю по сравнению с планом увеличился на 20 Гкал/ч. Следовательно, теплофикационная выработка электроэнергии уменьшилась, согласно энергетической характеристике 
так как 
, значение 
.
При уменьшении значения и постоянном значении , величина теплоэлектрического коэффициента уменьшилась, а удельный расход топлива на выработку электроэнергии увеличился.
2. По плану теплофикационный турбоагрегат должен работать с электрической нагрузкой МВт и отпуском тепла Гкал/ч. Фактически электрическая нагрузка составила МВт и отпуск тепла 
Гкал/ч.
В данном случае электрическая нагрузка не изменилась, а отпуск тепла потребителю возрос, по сравнению с планом, на 20 Гкал/ч. Следовательно, в соответствии с возрастанием , увеличился теплоэлектрический коэффициент и, соответственно удельный расход топлива на выработку электроэнергии снизился.
4. На удельный расход топлива существенное влияние оказывает число часов использования установленной мощности, ч
где 
- выработанная электроэнергия, МВт∙ч
- установленная мощность, МВт
Показатели и 
обычно объединяются в понятие режим работы турбоагрегата.