Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Типы паровых турбин и тепловые схемы мини -ТЭЦ




ГЛАВА 4. МИНИ -ТЭЦ

 

Если в качестве источника тепловой энергии используются паровые котельные, имеющие значительные отопительные и производственные нагрузки, то, как правило, имеется возможность их модернизации путем установки в них паросиловых машин.

При такой модернизации котельная превращается в ТЭЦ. В качестве паросиловых машин чаще всего используются паровые или винтовые турбины. При суммарной выработке электрической энергии не более 3 – 4 МВт, источник энергоснабжения называют мини-ТЭЦ.

Перевод котельных в режим работы мини-ТЭЦ, как указывалось выше, позволяет производить выработку электроэнергии на тепловом потреблении, что является самым экономичным способом ее производства. Выработанная электроэнергия при этом используется как для покрытия электрических нагрузок предприятия, так и собственных нужд котельной.

При термодинамическом анализе циклов паротурбинных установок используется цикл Ренкина. Схема цикла и его Т-S диаграмма представлена на рис.4.1.

 

Рис.4.1. Схема и Т-S диаграмма цикла Ренкина:

КА - котельный агрегат; ПП - пароперегреватель; ПТ - паровая турбина; К - конденсатор; ПН - питательный насос; ЭГ - генератор электрического тока

 

Питательная вода с параметрами, соответствующими параметрам в точке 3, энтальпия которой соответствует значению hпв подается в котельный агрегат, в котором нагревается до состояния кипения при давлении, создаваемым питательным насосом (процесс 3 – 4). Затем идет процесс парообразования (4 – 5) и перегрев пара (процесс 5 – 0). Перегретый пар с параметрами Р0 и Т0 подается в паровую турбину, в которой совершает полезную работу, вращая ротор паровой турбины, соединенный с ротором генератора. Отработавший в турбине пар при давлении Рк и температуре Тк в состоянии точки 1 поступает в конденсатор, в котором отдает теплоту (q2) охлаждающей циркуляционной воде и превращается в конденсат (процесс 1 – 2) (рис.4.2).

В питательном насосе давление конденсата повышается до давления, несколько превышающего давление острого пара (процесс 2 – 3), с которым конденсат (питательная вода) поступает в парогенератор. В питательном насосе при повышении давления происходит и повышение его температуры. Однако указанное повышение незначительно, и в установках с давлением острого пара до 5 МПа указанный рост температуры не учитывается. На Т-S диаграмме точки 3 и 4 совпадают.

Подвод теплоты в цикле определяется суммарной площадью под процессами (3-4), (4-5) и (5-0) и аналитически рассчитывается по формуле

(4.1)

Отвод теплоты в конденсаторе осуществляется в процессе 1-2 и соответствует площади под линией процесса. Величина отводимой теплоты аналитически определяется по формуле

. (4.2)

Термический КПД цикла Ренкина представляет собой отношение полезной работы, совершаемой паром при расширении в проточной части паровой турбины, к затраченной в цикле теплоте

 

. (4.3)

Термический КПД цикла Ренкина учитывает только одну потерю в цикле – потерю теплоты с охлаждающей водой в конденсаторе. Количество теряемой теплоты достаточно велико. Использовать эту теплоту невозможно из-за ее низкого температурного потенциала. В конденсаторе паровой турбины обычно поддерживается давление 0,004 – 0,005 МПа, чему соответствует температура конденсации пара 28 – 32 0С [21].

Использование теплоты, теряемой в конденсаторе, возможно путем повышения давления в конце процесса расширения пара в турбине. При этом пар на выходе из турбины будет иметь достаточно высокую температуру, что и позволит использовать его как технологический теплоноситель. Такие турбоустановки, в которых осуществляется одновременная выработка электрической и тепловой энергии называют теплофикационными.

На рис.4.2 представлена тепловая схема и Т-S диаграмма цикла паротурбинной установки, в которой отработавший в турбине пар при повышенном давлении Рп и температуре Тп направляется к паровому потребителю и используется в технологических целях. Как видно из Т-S диаграммы, теплота, отпускаемая паровому потребителю (qотп) будет соответствовать площади под линией процесса конденсации пара 1П – 2П (площадь 1П-4-3-2П).

Аналитически величина qотп определяется по следующему уравнению:

. (4.4)

В теплофикационном цикле количество теплоты, превращенное в работу, соответствует площади 0-1п-2п-5-6. Работа 1 кг пара L в теплофикационном цикле меньше, чем в цикле Ренкина, однако теплота отработавшего пара не теряется, а полезно используется.

Рис.4.2. Схема паротурбинной установки при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии и Т-S диаграмма теплофикационного цикла:

КА - котельный агрегат; ПП - пароперегреватель; ПТ - паровая турбина; П - технологический потребитель пара; ЭГ - электрический генератор; КБ - конденсатосборный бак; ПН - питательный насос

 

Рассмотрим основные типы паровых турбин, выпускаемых отечественными и зарубежными фирмами, которые можно классифицировать следующим образом [20]:

1. Конденсационные паровые турбины, в которых весь расход свежего пара, за исключением отборов на регенеративный подогрев питательной воды, расширяясь в проточной части до давления ниже атмосферного, поступает в конденсатор. Турбины такого типа, предназначенные для выработки только электрической энергии в составе крупных ГРЭС или ТЭС, обозначают буквой «К», например, К-200-130. Конденсационные турбины малой мощности, выпускаемые Калужским турбинным заводом, называют «турбогенераторы блочные конденсационные», например, ТГУ 500К (мощность 500 кВт). В последние годы для турбин малой мощности разработаны воздушные конденсаторы, поставляемые вместе с турбиной.

2. Конденсационные паровые турбины с регулируемым отбором пара, в которых часть пара отбирается из проточной части и отводится к паровым потребителям при автоматически поддерживаемом постоянном давлении, а остальное количество пара продолжает работать в последующих ступенях и направляется в конденсатор. Такие турбины имеют маркировку «П», «Т» или «ПТ» (рис.4.3). Турбина «ПТ» имеет два регулируемых отбора пара: первый регулируемый отбор - производственный (П) осуществляется при давлении 0,5 – 1,5 МПа и направляется на технологические нужды предприятия; второй отбор – теплофикационный (Т) пар при давлении 0,08 – 0,25 МПа направляется на подогреватели сетевой воды системы теплоснабжения.

Рис.4.3. Принципиальная схема мини-ТЭЦ с турбоустановкой типа «ПТ»:

1 – паровой котел; 2 - теплофикационная паровая турбина; 3 – регулируемый производственный отбор; 4 - регулируемый теплофикационный отбор; 5 – регенеративный подогреватель высокого давления (ПВД); 6 – водо-водяной подогреватель; 7 - деаэратор; 8 – сетевой подогреватель; 9 – питательный насос; 10 – сетевой насос; 11 – конденсатор; 12 – потребитель пара

 

3. Турбины с противодавлением, отработавший пар которых направляется к тепловым потребителям, использующим теплоту для отопительных или производственных целей. Такой тип турбин маркируется буквой «Р». К этой же группе можно отнести турбины, имеющие регулируемый производственный отбор, пар из которого при постоянном давлении направляется паровым потребителям высокого давления. Оставшаяся часть пара проходит через последующие ступени турбины и отводится к тепловому потребителю при более низком давлении. Такие турбины маркируются двумя буквами «ПР». Турбины такого типа работают по свободному тепловому графику, то есть турбины работают, если теплопотребителям требуется пар. Количество вырабатываемой электроэнергии зависит от тепловой нагрузки теплопотребителей.

Ниже рассматриваются возможные принципиальные тепловые схемы паротурбинных установок на базе представленных типов паровых турбин.

На рис.4.3 представлена принципиальная тепловая схема паротурбинной установки типа «ПТ» имеющей два регулируемых отбора пара.

Как видно из тепловой схемы, пар из производственного отбора направляется к технологическому потребителю, где конденсируется, отдавая свою теплоту парообразования. Незагрязненный конденсат возвращается в автономный источник энергоснабжения, а именно в деаэратор атмосферного типа мини-ТЭЦ.

Пар из теплофикационного отбора направляется в сетевой подогреватель для подогрева сетевой воды системы теплоснабжения.

В схеме турбоустановки возможен регенеративный подогрев питательной воды, состоящий из подогревателя высокого давления (ПВД) и деаэратора, предназначенного, в первую очередь, для дегазации питательной воды.

При значительных тепловых нагрузках на отопление и ГВС данные турбоустановки могут работать в режиме ухудшенного вакуума. При таких режимах трубный пучок конденсатора может служить первой ступенью подогрева сетевой воды. Рост давления в конденсаторе приводит к снижению выработки электроэнергии, однако эффективность работы турбоустановки возрастает за счет снижения потерь теплоты в конденсаторе.

Следует отметить, что выпускаемые отечественной промышленностью турбоустановки типа «ПТ» имеют значительные электрические и тепловые мощности и, как правило, применяются на ТЭЦ больших мощностей.

В случае если технологический паропотребитель требует подвода пара, расход которого изменяется в широком диапазоне, то в качестве генерирующего оборудования в тепловой схеме мини-ТЭЦ целесообразно использовать турбину с регулируемым производствен-

ным отбором типа «П». Данная турбоустановка позволяет сохранить выработку электрической энергии при существенных изменениях расхода пара в производственном отборе. Это достигается за счет изменения конденсационного потока пара.

На рис.4.4 представлена принципиальная тепловая схема мини-ТЭЦ с турбиной типа «П».

Для восполнения потерь конденсата, возвращаемого от паропотребителя, в схему мини-ТЭЦ включен узел подпитки. Узел подпитки включает в себя химводоподготовительную установку, вода из которой, пройдя водо-водяной теплообменник, поступает в деаэратор.

Регенеративная система включает в себя подогреватель высокого давления, с подводом пара к нему из производственного отбора. Пар к деаэратору подводится из производственного отбора через редукционный клапан, в котором происходит понижение давления до требуемой величины.

 

 

Рис.4.4. Принципиальная тепловая схема мини-ТЭЦ с турбиной типа «П»:

1 - паровой котел; 2 - паровая турбина типа «П»; 3 - регулируемый производственный отбор пара; 4 - конденсатор; 5 - регенеративный подогреватель высокого давления; 6 - деаэратор; 7 - питательный насос; 8 - потребитель пара; 9 - редукционно-охладительная установка

 

Широкое распространение в схемах мини-ТЭЦ получили противодавленческие турбоустановки типа «ПР» и «Р». Тепловые схемы таких установок отличает простота, так как отсутствует конденсатор турбины и система циркуляционных водоводов. Такие турбины проще в изготовлении и обслуживании.

На рис. 4.5 представлена тепловая схема ТЭЦ с противодавленческой турбиной типа «ПР».

Турбина также имеет регулируемый производственный отбор, пар из которого направляется технологическому потребителю, а также в регенеративный подогреватель высокого давления.

Пар из выхлопного патрубка турбины направляется на сетевой подогреватель для подогрева сетевой воды системы отопления и в деаэратор.

Подпиточная вода проходит водо-водяной подогреватель в котором в качестве греющей среды используется деаэрированная питательная вода.

 

 

Рис.4.5. Принципиальная тепловая схема мини-ТЭЦ с турбиной типа «ПР»:

1 – паровой котел; 2 - противодавленческая паровая турбина типа «ПР»; 3 - регулируемый производственный отбор пара; 4 - паропровод отвода пара из турбины; 5 - регенеративный подогреватель; 6 - потребитель пара; 7 - деаэратор; 8 - водо-водяной подогреватель химически очищенной воды; 9 - сетевой подогреватель; 10 - сетевой насос; 11 - питательный насос; 12 - насос отвода конденсата из сетевого подогревателя

 

На рис.4.6 представлена тепловая схема мини-ТЭЦ с противодавленческой турбиной типа «Р».

 

Рис. 4.6. Тепловая схема с противодавленческой турбиной типа «Р»:

1 – паровой котел, 2 – противодавленческая турбина, 3 – технологический потребитель пара, 4 – сетевой подогреватель, 5 – деаэратор, 6 – питательный насос, 7 – сетевой насос; 8 - насос отвода конденсата из сетевого подогревателя

 

При незначительных расходах подпиточной воды допускается ее подача непосредственно в атмосферный деаэратор.

Рассмотрим тепловой расчет мини-ТЭЦ на базе турбины типа «Р».

Итак, отпуск тепла от мини-ТЭЦ осуществляется с помощью двух теплоносителей, а именно пара и горячей воды.

Часть пара из выхлопного патрубка турбины направляется в технологическому потребителю. Использованный пар в виде конденсата возвращается в мини-ТЭЦ и поступает в деаэратор. Количество возвращаемого конденсата зависит от качества системы сбора и возврата конденсата. Как правило, некоторое количество конденсата теряется.

Другая часть пара из выхлопного патрубка турбины подается в сетевой подогреватель для нагрева сетевой воды.

Таким образом, общее количество тепла, отпущенного теплопотребителям, составит:

, (4.5)

где количество тепла, отпущенное с паром технологическому потребителю;

количество тепла, отпущенное с горячей водой при температуре в тепловую сеть потребителя

 

, (4.6)

 

где расход пара паропотребителю;

энтальпия пара в выхлопном патрубке паровой турбины;

энтальпия возвращаемого конденсата;

коэффициент невозврата конденсата от парового потребителя.

В случае отсутствия возврата конденсата к источнику энергоснабжения КН = 1, отпускаемая теплота паровому потребителю определяется из соотношения

. (4.7)

 

Если учесть, что количество невозвращенного конденсата должно быть компенсировано аналогичным количеством подпиточной воды , то можно записать, что

или . (4.8)

Для восполнения потерь конденсата в схему мини-ТЭЦ включена установка химводоочистки.

При незначительных расходах подпиточную воду подают непосредственно в деаэратор.

 

, (4.9)

 

где расход пара на сетевой подогреватель;

энтальпия конденсата, отводимого из сетевого подогревателя.

КПД сетевого подогревателя (для теплообменных аппаратов ).

расход сетевой воды,

температура воды в подающем трубопроводе,

температура воды в обратном трубопроводе.

Уравнения материального и теплового баланса деаэратора можно записать в следующем виде:

 

; (4.10)

, (4.11)

 

где расход питательной воды;

количество возвращаемого конденсата от паропотребителя;

энтальпия питательной воды;

энтальпия подпиточной воды.

С помощью данных уравнений определяется расход пара в деаэратор.

Таким образом, сумма расходов пара , и определяет расход пара, отводимого из выхлопного патрубка противодавленческой турбины

 

. (4.12)

 

При отсутствии отборов пара из турбины и без учета утечек пара через ее уплотнения величина будет соответствовать расходу пара, подаваемого из парогенератора в турбину :

. (4.13)

 

На рис. 4.7 представлен процесс расширения пара в противодавленческой турбине.

 

Рис. 4.7. Процесс расширения пара в противодавленческой турбине

 

На рисунке процесс дросселирования пара от точки 0 до точки 0′ характеризует потери давления в паровпускных органах турбины.

При отсутствии отборов пара внутренняя мощность турбины может быть определена по следующей формуле:

 

, (4.14)

где расход пара через турбину без учета утечек пара через уплотнения;

полезно использованный теплоперепад.

Полезно использованный теплоперепад может быть найден по известному располагаемому теплоперепаду

 

, (4.15)

 

где разность начальной и конечной энтальпии при изоэнтропном расширении пара, называемая располагаемым теплоперепадом или полезной работой, совершаемой 1 кг пара в проточной части паровой турбины;

ηО i – внутренний относительный КПД турбины, вычисляемый по формуле

, (4.16)

здесь – сумма внутренних потерь в турбине.

Эффективная мощность на валу паровой турбины соответствует мощности, передаваемой генератору (в случае если паровая турбина вращает электрогенератор):

, (4.17)

где – относительный эффективный КПД.

, (4.18)

где – механический КПД, учитывающий потери на трение в подшипниках, затрату энергии на привод масляного насоса и регулятора скорости.

Электрическая мощность на клеммах генератора:

, (4.19)

где η – относительный электрический КПД турбогенератора

, (4.20)

здесь ηг – КПД генератора при данной мощности.

В некоторых случаях целесообразно использовать значения абсолютных КПД турбоустановки. Данные КПД представляют собой отношения к теплоте (), затраченной в парогенераторе для получения пара требуемых параметров.

 

. (4.21)

Расход питательной воды несколько выше расхода пара на турбину и должен учитывать расход воды на продувку и потери пара через уплотнения турбины. Как правило, указанные величины не превышают 3 % от расхода пара на турбину.

. (4.22)

Введем следующее обозначение коэффициент продувки, учитывающий потери теплоносителя в парогенераторе.

Таким образом, абсолютный внутренний КПД

, (4.23)

где термический КПД цикла паротурбинной установки.

 

Абсолютный эффективный КПД

(4.24)

и абсолютный электрический КПД

. (4.25)

Как уже указывалось, при использовании противодавленческих турбин осуществляется выработка как тепловой, так и электрической энергии, причем производство электроэнергии подчинено производству тепловой энергии. В этом случае при проведении предварительных расчетов расхода топлива, сжигаемого в котле, возможно использование величины удельного расхода топлива на выработку 1 кВт·ч электрической энергии .

кг/кВт·ч, (4.26)

где часовой расход топлива, сжигаемого в парогенераторе

. (4.27)

При проведении технико-экономического анализа, в частности при определении себестоимости тепловой и электрической энергии, целесообразно представить полученный расход топлива в виде суммы двух величин:

, (4.28)

где , - расходы топлива, затраченные на выработку электрической и тепловой энергии.

В этом случае величины удельных расходов топлива на производство электрической и тепловой энергии могут быть определены следующим образом:

, (4.29)

. (4.30)

Расход топлива, затраченный на производство отпущенной теплоты, можно определить из следующего соотношения:

. (4.31)

В этом случае считается, что на выработку отпущенной теплоты затрачивается расход топлива, как в случае, если бы тепловая энергия отпускалась непосредственно из парового котла при соответствующем КПД.

Полный расход потребляемого топлива также можно определить и по уравнению теплового баланса парогенератора:

, (4.32)

где КПД парового котла.

При этом расход топлива, использованный на выработку электрической энергии, определяется по формуле

. (4.33)

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...