Энергетические характеристики, общие сведения.

Выбор оптимального (наилучшего из возможных) энергетического режима работы оборудования электростанций – важнейшая задача организации основного производства в электроэнергетике.

В основе обоснования оптимального энергетического режима работы электростанции лежат энергетические характеристики агрегатов.

Энергетическая характеристика представляет собой функциональную зависимость между подведенной и полезной энергией.

 

(1.4)

 

Подведенную энергию при этом можно представить в следующем виде:

 

(1.5)

где

– потери энергии.

Энергетические характеристики котлоагрегатов и турбогарегатов подразделяются на расходные и весовые.

Примеры энергетических расходных и весовых характеристик:

Энергетические расходные характеристики.

– зависимость часового расхода условного топлива котлоагрегата (тут/ч) от часового производства тепла (Гкал/ч).

– зависимость часового расхода тепла турбоагрегата (Гкал/ч) от электрической нагрузки (мощности) (МВт).

Энергетические расходные характеристики отражают экономичность режима работы агрегатов.

Энергетические весовые характеристики.

– зависимость часового расхода натурального топлива котлоагрегата (тнт/ч) от часового производства пара (т/ч).

– зависимость часового расхода пара турбоагрегата (т/ч) от электрической нагрузки (мощности) (МВт).

Энергетические весовые характеристики существенно отличаются от расходных и используются при расчетах абсолютных величин расхода энергоносителя при заданных нагрузках, а также для определения производственной мощности агрегатов.

Применительно к турбоагрегату, зная его весовую характеристику, можно получить расходную характеристику, если известны энтальпия свежего пара () и температура (энтальпия) питательной воды (), путем пересчета по формуле:

 

(1.6)

 

Экономичность агрегатов зависит от структуры и величины потерь энергии. Для экономичной эксплуатации оборудования и борьбы с излишними потерями энергии важно знать, какие причины вызывают эти потери, и какова их зависимость от величины полезной энергии.

Рассмотрим классификацию потерь тепла в турбоагрегатах и котлоагрегатах.

Различают 4 группы потерь по характеру их изменения в зависимости от величины полезной энергии.

1. Потери рассеяния, вызванные пребыванием оборудования во включенном состоянии.

1.1. – потери в окружающую среду;

1.2. – механические потери (потери трения);

1.3. – часть электрических потерь в генераторе (потери намагничивания);

1.4. – часть потерь в конденсаторе турбоагрегата, связанная с режимом холостого хода.

Потери энергии этой группы от нагрузки не зависят и поэтому их называют постоянными потерями. График постоянных потерь тепла имеет вид прямой линии параллельной горизонтальной оси координат (рис. 1.2).

Рис. 1.2. График постоянных потерь тепла.

2. Потери рассеяния, связанные с перемещением энергопотока. Это, прежде всего, вторая часть электрических потерь в генераторе (потери на нагрев обмоток). График потерь энергии имеет следующий вид (рис. 1.3).

3. Потери от недоиспользованной энергии, заключенной в энергоносителе. Это потери в котлоагрегате, связанные с недожогом топлива, с уходящими газами, а также переменные потери с конденсацией пара в конденсаторах паровых турбин.

Потери энергии этой группы зависят от нагрузки, характер зависимости имеет следующий вид (рис. 1.4).

4. Дополнительные потери энергии в зонах минимальных и повышенных нагрузок, связанные с невозможностью обеспечения в этих условиях нормального технологического процесса работы оборудования.

Для котельного агрегата к ним относятся:

- дополнительные потери от химического недожога топлива в топке котла;

- потери с уходящими газами при малых нагрузках котла;

- потери с уходящими газами при форсировке режима работы котла.

Рис. 1.3. График переменных электрических потерь в генераторе.

Рис. 1.4. График переменных потерь с конденсацией пара.

Эти дополнительные потери возникают в связи с тем, что при минимальных и повышенных нагрузках трудно синхронно регулировать все показатели технологического процесса (рис. 1.5 и 1.6).

Энергетические характеристики строятся на основе энергетических балансов. Сущность составления энергобаланса состоит в том, что энергобаланс представляется в виде однолинейной схемы энергетического потока, на котором выделяются отдельные слагаемые энергобаланса: подведенная и полезная энергия, а также потери энергии. Возможно также построение баланса в виде дерева или в табличном виде.

 

Рис. 1.5. Дополнительные потери в зоне малых нагрузок.

Рис. 1.6. Дополнительные потери в зоне форсировки.

Как бы сложна ни была энергетическая схема электростанции, ее можно рассматривать как последовательное и параллельное сочетание простейших энергетических балансов.

Если электростанция производит различные виды энергии, то для каждого из этих видов строится свой энергобаланс, а затем способом наложения воспроизводится вся схема сложного энергобаланса электростанции. При этом производство энергии на ТЭС, рассматривается в виде последовательного процесса, состоящего из ряда стадий:

- производство тепла (котельный цех);

- распределение тепла (тепловой поток);

- производство электроэнергии (турбинный цех);

- теплофикационное отделение (ТЭЦ).

Для каждой стадии составляется собственный энергобаланс, в котором количество поступившей (подведенной) энергии должно быть равно количеству отданной (полезной) энергии (отпуск в другую стадию производства, потери и необходимые расходы).

Энергобаланс может быть составлен за любой промежуток времени (час, сутки, месяц и т.д.).

Экономичность каждой стадии производства, при работе энергетических агрегатов по определенному режиму, определяется следующими показателями:

- КПД;

- удельным расходом энергии (тепла, топлива).

КПД каждой стадии определяется по формуле:

 

(1.7)

где

; – потери энергии.

Удельный расход энергии в общем виде соответствует отношению количества подведенной энергии к полезной, то есть величина обратная КПД.

 

(1.8)

Пример:

1. Часовой удельный расход топлива котлоагрегатом на выработку Гкал тепла, кгут/Гкал

(1.9)

 

2. Часовой удельный расход тепла турбоагрегатом на выработку МВт мощности, Гкал/МВт·ч

(1.10)

Таким образом, показатели часового удельного расхода топлива и тепла определяются делением величины расхода подведенной (первичной) энергии соответствующего агрегата на его полезную энергию (нагрузку) при данном режиме работы.

Зная КПД последовательных стадий производства и распределения энергии для группы энергетического оборудования, состоящей из ряда последовательных элементов, в которых полезная энергия предыдущего элемента является подведенной энергией последующего элемента, общий КПД определяется по формуле:

 

(1.11)

где

, , – КПД отдельных последовательных элементов.

 

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.