Энергетические характеристики оборудования.

Содержание.

Содержание. 3

1. Энергетические характеристики оборудования. 4

1. 1. Основное оборудование тепловой электростанции, его мощность и эксплуатационные свойства. 5

1. 2. Энергетические характеристики, общие сведения. 10

1. 3. Энергетические характеристики конденсационных турбоагрегатов типа «К». 19

1. 4. Влияние системы регулирования пропуска пара в турбоагрегат на его энергетическую характеристику. 29

1. 5. Энергетические характеристики турбоагрегатов с противодавлением типа «Р». 41

1. 6. Энергетические характеристики теплофикационных турбоагрегатов (конденсационных с отбором). 57

1. 7. Энергетические характеристики котлоагрегатов. 75

2. Оптимизация распределения тепловых и электрических нагрузок. 86

на тепловых электростанциях. 86

2.1. Распределение электрической нагрузки между конденсационными турбоагрегатами тепловой электростанции. 86

2.2. Распределение тепловых нагрузок между турбоагрегатами ТЭЦ. 106

2.3. Распределение электрических нагрузок между турбоагрегатами ТЭЦ. 109

Вопросы для самопроверки. 110

Литература. 112

 

 

Введение

Для планирования производственной программы электростанций необходимо определить рациональные режимы их работы. Основным, нормальным режимом работы оборудования является установившийся режим, при котором обеспечивается мощность и выработка энергии (тепловой и электрической, либо электрической) в соответствии с графиками нагрузки (соответствующими данному режиму) в заданный период времени.

Одной из особенностей энергетического производства является необходимость обеспечения баланса между производством и потреблением электроэнергии и тепла. Режимы работы электростанций определяются в результате распределения нагрузки между параллельно работающими в одной зоне графика нагрузки энергосистемы электростанциями, исходя из экономичности их работы. При планировании производственной программы используются графики характерных суток рассматриваемого периода.

Основой расчетов оптимальных режимов нагрузки оборудования электростанций, являются его характеристики, то есть зависимости расхода первичной энергии (энергоресурсов) от нагрузки агрегатов.

Для решения задачи планирования производственной программы необходимо основываться на оптимальных режимах работы оборудования. Под оптимальным режимом понимается такое распределение нагрузки между параллельно работающими генерирующими источниками, при котором обеспечивается минимальный расход энергоресурсов на выработку требуемого количества энергии. В зависимости от постановки задачи оптимизации энергоресурсами могут быть расходы топли­ва, тепла, водных ресурсов. Оптимизация может проводиться и в целях минимизации затрат на энергоресурсы.

Для определения оптимальных нагрузок используются различные методы, в том числе методы математического моделирования.

Одной из важнейших задач эксплуатации является оптимальное распределение электрической нагрузки между электростанциями энергосистемы и отдельными их блоками и агрегатами.

 

Энергетические характеристики оборудования.

 

Пример.

Для КЭС в целом:

,

где

,

,

.

Следовательно, при КПД 35% потери энергии составляют 65%, что свидетельствует о важности их классификации, анализа, нормирования, и сокращения до технически и экономически возможных значений.

 

Для ТЭЦ в целом различают два КПД:

 

1. КПД по выработке электроэнергии:

где

,

,

.

2. КПД по выработке теплоэнергии:

где

,

,

.

Так как пар используется на производство электроэнергии и теплоэнергии, в первом и втором случае учитывается – , то же самое относительно передачи теплоэнергии по трубопроводам – .

, т. к. по отношению к выработке электроэнергии отпуск тепла это потери.

Можно сделать выводы, что энергобаланс каждой стадии производства складывается из энергобалансов отдельных агрегатов, а составление энергобаланса электростанции и определение расходов топлива и КПД ведется от частного к общему – от агрегата к стадии (цеху) и к общим показателям по электростанции.

Важной проблемой является построение энергетических характеристик оборудования. Существует несколько способов построения энергетических характеристик:

1. Экспериментальный (опытный) способ – путем проведения специальных испытаний оборудования. Например, при различных электрических нагрузках генератора, определяется величина подведенной энергии. Испытания оборудования проводят перед пуском агрегатов, после капитальных ремонтов, при монтаже и наладке, после реконструкции и модернизации оборудования. Испытания, как правило, проводят специализированные организации.

2. Расчетный способ применяется при наличии соответствующей информационной базы и используется в проектных, опытно-конструкторских и научно-исследовательских разработках. В ряде случаев расчетный способ является более точным, но более трудоемким в методическом отношении.

3. Расчетно-экспериментальный – объединяет оба названных способа и является наиболее распространенным.

По результатам испытаний оборудования в различных режимах, составляется таблица соответствия между показателями, на основе которой в заданной системе координат X-Y строится поле значений функции (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Поле значений функции, полученное по результатам испытаний оборудования, и различные формы характеристик.

Конкретные значения функции в данном случае являются экспериментальными, включают наиболее вероятные ошибки измерений, а также эксплуатационные отклонения от паспортных (номинальных) величин факторов и условий, определяющих значения показателей.

В общем случае графическая форма и соответствующее ей аналитическое (математическое) выражение характеристики достоверно неизвестно, поэтому построение энергетических характеристик имеет некоторую степень неопределенности, что может в дальнейшем отражаться на точности расчетов, проводимых с использованием энергетических характеристик.

Существует достаточно много различных методов математической статистики, позволяющих в указанном поле значений функции построить различные линейные, в том числе ломаные, или нелинейные (степенные, логарифмические) зависимости. Выбор той или иной формы зависимости определяется математической достоверностью конкретной функции и точностью описания процесса (рис. 1.7.).

Наиболее простые зависимости – линейные, они используются в практике планово-аналитической работы на электростанциях и в энергокомпаниях, а также в учебных целях. Обычно прямолинейные характеристики называют спрямленными, имея ввиду, что истинная форма характеристик нелинейная, а прямая линия – частный случай.

Использование нелинейных энергетических характеристик целесообразно в сочетании с экономико-математическими моделями и методами, что широко применяется в электроэнергетике в оперативно-диспетчерском управлении. Нелинейные энергетические характеристики являются основой решения задач оптимального распределения нагрузки между агрегатами электрических станций, между электрическими станциями в электроэнергетических системах, в ЕЭС России.

Особое значение с точки зрения точности энергетических характеристик имеет энергетическое нормирование.

Энергетические характеристики агрегатов электрических станций получают при определенных условиях. Изменение условий в процессе длительной работы оборудования в различных режимах приводит к увеличению погрешности расчетов на основе характеристик. Поэтому используется система норм или поправок на конкретные условия эксплуатации, включающая четыре группы:

1. Характеристические нормы расхода тепла турбоагрегатами и условного топлива котлоагрегатами. Этими нормами являются параметры их энергетических характеристик (холостые расходы и относительные приросты расхода тепла и топлива). Принятые при расчете характеристик эксплуатационные условия (качество топлива, начальные параметры пара, глубина вакуума и т. д.) называются характеристическими.

Зная нагрузку агрегата, по характеристике можно определить характеристический расход тепла на выработку электроэнергии. Таким образом, определение расхода тепла по конкретной характеристике даёт, так называемый, характеристический расход тепла. Этот расход всегда наименьший.

2. Нормы поправок на эксплуатационные условия. Необходимость в нормах поправок связана с тем, что реальные условия часто отличаются от характеристических. Поэтому расход, определенный по характеристикам умножают на нормы поправок, учитывающих эксплуатационные условия.

Расход тепла с учетом эксплуатационных условий называется эксплуатационным. Эксплутационный расход тепла – это характеристический расход с изменениями.

3. Нормы расхода топлива в неустановившихся режимах. Эта группа норм учитывает дополнительные расходы тепла и топлива в неустановившихся режимах.

4. Нормы расхода и топлива тепла вне основных агрегатов. Эта система норм включает нормы на расход энергии агрегатами собственных нужд, неэнергетические нужды цехов и цеховые потери электрических станций.

Установление норм-поправок основывается, как правило, на результатах испытаний агрегатов. Поправки должны вводиться лишь на отклонение от условий, при которых определялась характеристика. Если условия совпадают с нормальными, поправки вводиться не должны.

Ввод поправок при отклонении того или иного условия от нормы производится по обобщенным уравнениям:

 

(1.12)

 

(1.13)

где

, – эксплуатационный расход топлива или тепла (с учетом поправок);

, – расход топлива или тепла, определенный по энергетической характеристике;

, – поправка для заданного отклонения значений показателей от нормальных значений, определенных по характеристике, %;

, – поправки к расходу топлива или энергии в абсолютных единицах.

Каждая из поправок определяется по специальным графикам или шкалам, построенным на основе испытаний или расчетов. Для того чтобы учесть поправки по энергетическому агрегату или процессу при одновременном отклонении нескольких условий (показателей), определяется суммарная поправка на эксплуатационные условия по топливу и по теплу .

В этом случае эксплуатационный расход топлива или тепла определяется по формулам:

 

(1.14)

 

(1.15)

 

В практике эксплуатации ТЭС распространение получили поправки на сорт и качество топлива (влажность, теплотворная способность, зольность и т. п.), температуру питательной воды и подогрева воздуха, начальные параметры пара, температуру охлаждающи воды, давление регулируемых отборов пара у турбин и др.

Задача 1.

Энергетическая расходная характеристика конденсационного турбоагрегата К-50-90

Гкал/ч

 

Определить часовой расход тепла при нагрузке МВт.

Часовой расход тепла составляет: Гкал/час

Энергетическая характеристика дает возможность определить расход тепла за любой промежуток времени :

где

– электроэнергия, выработанная за время , МВт∙ч.

 

Определить расход тепла за сутки, =24.

Гкал/сут

 

Определить расход тепла за сутки при следующем графике нагрузки.

 

Гкал/сут

Задача 2.

Энергетическая расходная характеристика конденсационного турбоагрегата К-100-90

Гкал/ч

 

Средняя часовая нагрузка агрегата МВт.

Требуется определить общий и удельный расходы тепла на выработку электроэнергии, а также общий и удельный расходы условного топлива за сутки, при .

Общий расход тепла за сутки:

Гкал/сут.

Общий расход топлива за сутки:

тут.

Выработка электроэнергии за сутки:

МВт·ч.

Удельный расход тепла на выработку электроэнергии:

Гкал/МВт·ч.

 

Удельный расход условного топлива:

т у.т./ МВт·ч.

Задача 1.

Дана энергетическая расходная характеристика с обводным регулированием:

Гкал/ч

и, соответственно, эквивалентная характеристика:

Гкал/ч.

 

Необходимо назвать все параметры энергетических характеристик, а также указать на различия в указанных модификациях.

 

Задача 2.

Энергетическая характеристика турбоагрегата К-100-90 с обводным регулированием имеет вид:

Гкал/ч

 

Номинальная мощность турбоагрегата – 100 МВт

Экономическая мощность турбоагрегата – 80 МВт

Определить часовой расход тепла при нагрузке МВт.

Гкал/ч.

 

Определить часовой расход тепла при нагрузке МВт.

Гкал/ч.

 

Определить удельный расход тепла в точках a, b, c, d характеристики удельных расходов (рис. 1.26).

 

Рис. 1.26. Энергетическая расходная характеристика турбоагрегата

и характеристика удельных расходов тепла.

Задача 3.

Необходимо провести расчет и построение энергетической характеристики турбоагрегата конденсационного К-100-90 с обводной системой регулирования.

Исходные данные получены по результатам испытаний турбоагрегата при различных значениях нагрузки (табл. 1.1).

Таблица 1.1.

Результаты испытаний турбоагрегата.

Нагрузка , МВт		63,5
Расход пара , т/ч
Теплосодержание свежего пара io, ккал/кг
Температура питательной воды , ^оС *
КПД генератора , %	98,0	98,2	98,3	98,4

* 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 ее аналитического выражения.

3. Расчет потерь тепла в турбоагрегате:

3.1. – в окружающую среду;

3.2. – механических;

3.3. – электрических при заданных электрических нагрузках.

4. Графическое построение характеристики электрических потерь тепла в генераторе от нагрузки и определение её аналитического выражения .

5. Определение аналитического выражения зависимости потерь тепла в конденсаторе от нагрузки .

6. Расчет и графическое построение балансов тепла турбоагрегата при нагрузках = 30, 60, 90, 100 МВт, в абсолютных значениях и %.

7. Расчет турбоагрегата при тех же нагрузках и анализ полученных результатов.

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 им нагрузкам производим графическое построение энергетической характеристики турбоагрегата (рис. 1.27).

Для этого соединяем точки отрезками прямой и продолжаем одну из них до пересечения с осью координат. Точка пересечения характеризует величину расхода тепла на турбину при нулевой нагрузке. Как видно из графика Гкал/ч.

Рис. 1.27. Зависимость часового расхода тепла от нагрузки турбоагрегата конденсационного типа с обводным регулированием.

Угол наклона прямой АВ к оси абсцисс равен , а прямой BF – .

Из треугольников АВС и ВDF определяем и :

Гкал/МВт∙ч

Гкал/МВт∙ч

Следовательно, до точки излома характеристики (точка В) относительный прирост расхода тепла Гкал/МВт∙ч, а после точки излома, т.е. после включения обводного дросселя возрастает до Гкал/МВт∙ч и остается постоянным до значения нагрузки .

Итак, энергетическая расходная характеристика турбоагрегата К-100-90 с обводной системой регулирования может быть записана в следующем виде:

Для того чтобы избавиться от минуса преобразуем формулу:

В результате имеем:

Гкал/ч.

 

3. Расчет потерь тепла в турбоагрегате.

 

Все тепло, подведенное к турбоагрегату, расходуется на полезное тепло и потери:

Суммарные потери в свою очередь складываются из:

Известно, что полезный расход тепла Гкал/час, тогда:

Гкал/ч

3.1. Потери тепла в окружающую среду не зависят от нагрузки и принимаются равными 2 % от номинальной нагрузки турбоагрегата:

Гкал/ч

 

3.2. Механические потери тепла турбоагрегата также не зависят от нагрузки и принимаются равными 1 % от номинальной нагрузки турбоагрегата:

Гкал/ч

 

3.3. Электрические потери в генераторе складываются из постоянных (потери на намагничивание и в системе возбуждения генератора) и переменных (нагрузочных) потерь (см. формулу 1.17), Гкал/ч

Пользуясь исходными данными, определяем для соответствующих значений нагрузки:

Гкал/ч

Гкал/ч

Гкал/ч

Гкал/ч

 

4. По данным и строим зависимость (рис. 1.28).

 

Рис. 1.28. Зависимость электрических потерь тепла в генераторе от нагрузки.

Соединяя точки прямой и продолжая ее до пересечения с осью ординат, получаем постоянную часть электрических потерь генератора:

Гкал/ч

 

Относительный прирост переменных электрических потерь в генераторе определяется как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс:

Гкал/МВт∙ч

 

Следовательно, аналитическое выражение зависимости примет вид:

Гкал/ч

 

5. Потери тепла с конденсацией пара определяются как разница между суммарными потерями тепла в турбоагрегате и суммой (), то есть :

Гкал/ч

 

Разделы 6 и 7 задачи выполнить самостоятельно.

 

Задача 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. 1.4).

Таблица 1.4.

Результаты испытаний турбоагрегата.

Нагрузка , 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. 1.36).

Как видно из рис. 1.36. Гкал/ч, а , или относительный прирост расхода тепла определится из треугольника ABC:

Гкал/МВт∙ч

 

Рис. 1.36. Зависимость часового расхода тепла от нагрузки турбоагрегата с противодавлением типа «Р».

 

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. 1.37).

Как видно из рис. 1.37. Гкал/ч. Относительный прирост характеристики переменных потерь тепла в генераторе определяется:

Гкал/МВт∙ч

 

Отсюда аналитическое выражение зависимости примет вид:

Гкал/ч

 

5. Расход тепла на выработку электроэнергии определяется следующим образом:

Гкал/ч

 

Расход тепла на холостой ход турбоагрегата на выработку электроэнергии складывается из:

Гкал/ч

 

Рис. 1.37. Зависимость электрических потерь тепла в генераторе от нагрузки.

 

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. 1.38).

 

Рис. 1.38. Баланс тепла в Гкал/ч при нагрузке МВт.

(масштаб произвольный)

 

Для значений , , МВт, балансы построить самостоятельно.

 

Задача 2.

За месяц работы (744 ч.) турбоагрегат с противодавлением отпустил потребителям 11800 Гкал тепла.

Характеристики турбоагрегата следующие:

Гкал/ч

МВт

 

Определить за месяц:

- выработку электроэнергии;

- расход тепла на выработку электроэнергии;

- удельный расход тепла на выработку электроэнергии.

 

Решение.

1. МВт·ч

2. Гкал

3. Гкал/ МВт·ч

 

Решение.

1) Определяем теплофикационную мощность турбоагрегата по характеристике при заданном значении Гкал/ч, согласно графика тепловой нагрузки.

МВт

 

2) Определяем вынужденную конденсационную мощность турбоагрегата. Для этой цели в характеристику подставляется номинальное значение отпуска тепла из отбора.

МВт

МВт

МВт

 

3) Электрическая нагрузка турбоагрегата при работе по тепловому графику является полностью вынужденной и составляет:

МВт

Свободная конденсационная мощность составит величину:

МВт

 

4) Расход тепла на выработку электроэнергии и отпуск тепла определяется по энергетической характеристике:

Гкал/ч

Отпуск тепла определяем по графику.

Суточный электрический график при работе турбоагрегата по тепловому графику выглядит следующим образом (рис. 1.44).

 

 

Рис. 1.44. Суточный график электрической нагрузки при работе турбоагрегата

по тепловому графику.

 

 

Так как электрический график не задан, то при данной тепловой нагрузке 100 Гкал/ч, 63,16 МВт электрической мощности вырабатывается по теплофикационному циклу и за счет вынужденной конденсационной мощности, а 36,84 МВт может быть дополнительно получено от турбоагрегата в виде свободной конденсационной мощности. Электрический график может при этом меняться в диапазоне нагрузки от 63,16 до 100 МВт.

Задание:

Выполнить аналогичные расчеты и построить график электрической мощности турбоагрегата Т-100-130, если с 0 до 12 часов тепловая нагрузка по графику составляет 80 Гкал/ч, а с 12 до 24часов – 90 Гкал/ч.

 

Работу теплофикационного турбоагрегата по электрическому графику рассмотрим на другом примере.

 

Пример:

Характеристики турбоагрегата аналогичны предыдущему примеру.

Задаются два графика и (рис. 1.45 и рис. 1.46).

Рассчитать основные параметры и режимы.

Решение.

1) МВт

2) МВт

3) МВт

Суточный электрический график (по отдельным составляющим при работе ТЭЦ по электрическому графику) представлен на рис. 1.47.

 

 

Рис. 1.45. Суточный график отпуска тепла на расчетный месяц.

Рис. 1.46. Суточный электрический график на расчетный месяц.

 

Рис. 1.47. Суточный электрический график по отдельным составляющим

при работе турбоагрегата по электрическому графику.

 

Режим работы турбоагрегата по электрическому графику имеет существенные ограничения: заданный электрический график должен быть не меньше , в противном случае необходимо разгружать отбор турбины, обеспечивая отпуск тепла от котлоагрегата через РОУ.

 

 

Задача 1.

Необходимо провести расчет энергетической характеристики теплофикационного турбоагрегата Т-100-130.