Энергетические характеристики турбоагрегатов с противодавлением типа «Р».

Другой тип турбоагрегатов – это, 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 пара отсутствуют.

Принципиальные типовые схемы турбоагрегатов с противодавлением типа «Р» имеют вид (рис. 1.29).

 

Рис. 1.29. Принципиальные схемы турбоагрегатов с противодавлением типа «Р».

 

На рисунке 1.29.а 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.

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 рисунке 1.29. б показана схема с промежуточным производственным отбором давлением 7 ÷ 15 ата и конечным теплофикационным – 1,2 ÷ 2,5 ата.

Отработанное тепло турбин с противодавлением может также использоваться на собственные нужды самой тепловой электростанции.

Рассмотрим схему энергобаланса противодавленческого турбоагрегата типа «Р» (рис. 1.30).

 

Рис. 1.30. Схема энергобаланса противодавленческого турбоагрегата типа «Р».

 

Из схемы энергобаланса следует, что из подведенного тепла , равного полному часовому расходу тепла турбоагрегатом , выделяется:

 

(1.36)

где

– расход тепла турбиной;

– расход тепла на производство электроэнергии;

– расход тепла на отпуск тепла;

– полезное тепло на производство электроэнергии;

– отпуск теплоэнергии потребителю;

– потери тепла.

Задача распределения потерь тепла 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, согласно допущению 3, безразлично, отпускать пар из котельной или из турбоагрегата.

Согласно физическому методу распределения при КПД=100% , т.е. расход тепла на отпуск тепла равен отпуску тепла потребителю.

Энергетическая характеристика расхода тепла на выработку электроэнергии и отпуск тепла турбоагрегата с противодавлением в зависимости от его электрической нагрузки является результатом испытаний оборудования под нагрузкой и по форме близка к прямолинейной (рис. 1.31).

Аналитическое выражение этой характеристики следующее, Гкал/ч.

 

(1.37)

где

– расход тепла на холостой ход турбоагрегата;

– суммарный относительный прирост расхода тепла на выработку электроэнергии и отпуск тепла, Гкал/MBт·ч.

Рис. 1.31. Общий вид энергетической характеристики турбоагрегата с противодавлением .

 

Удельный расхода тепла на выработку электроэнергии и отпуск тепла турбоагрегата в зависимости от электрической нагрузки (рис. 1.32).

 

(1.38)

 

Из формулы удельного расхода тепла (1.38) следует, что при бесконечном возрастании электрической нагрузки величина ассимптотически приближается к своему нижнему пределу – постоянной величине относительного прироста расхода тепла на выработку электроэнергии и отпуск тепла .

Рассмотрим отдельные составляющие общей энергетической характеристики турбоагрегата с противодавлением.

Так как в турбоагрегате вырабатывается два вида энергии, то все, подведенное к турбоагрегату тепло, делится на два потока в зависимости от нагрузки, т.е. имеют место две зависимости.

 

и

(1.39)

 

Рис. 1.32. Зависимость удельного расхода тепла на производство электроэнергии и отпуска тепла от электрической нагрузки.

 

Первая зависимость – характеристика расхода тепла на производство электроэнергии имеет следующий вид, Гкал/ч:

 

(1.40)

где

Расход тепла на холостой ход турбоагрегата с противодавлением при производстве электроэнергии складывается из механических потерь, потерь в окружающую среду и постоянных электрических потерь тепла генератора.

Относительный прирост расхода тепла слагается из теплового эквивалента 1 МВт∙ч электроэнергии и относительного прироста переменных электрических потерь тепла в генераторе, Гкал/МВт∙ч:

 

(1.41)

где

– относительный прирост переменных электрических потерь в генераторе, равный 0,01 ÷ 0,02 Гкал/МВт∙ч

Следовательно, значение равняется:

Гкал/МВт∙ч

 

Выражением характеристики в развернутом виде является уравнение, Гкал/ч:

 

(1.42)

 

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. Для сравнения относительный прирост расхода тепла в конденсационном агрегате равен:

Гкал/МВт∙ч

Вторая зависимость (1.39) – характеристика отпуска тепла при производстве электроэнергии, Гкал/МВт∙ч

 

(1.43)

где

– отпуск тепла потребителю при холостом ходе турбоагрегата;

– относительный прирост отпуска тепла потребителю на 1 мВт выработанной электроэнергии, Гкал/МВт∙ч.

Величина в отличии от холостого расхода является не потерей, а полезным отпуском тепла потребителю.

Величина в отличии от является относительным приростом не расхода, а отпуска тепла на 1 мВт·ч.

Детализированный вид энергетической характеристики турбоагрегата с противодавлением представлен на рис. 1.33.

Отпуск тепла потребителю при нулевой электрической нагрузке (тепловая составляющая холостого хода) связан со снижением внутреннего относительного КПД турбины при режимах отличных от номинального .

При снижении нагрузки от значения снижается теплоперепад, т.е. повышается энтальпия отбираемого пара и пар идет к потребителю с более высокими параметрами.

Часть тепла (заштрихованная зона на графике) не участвует в выработке электроэнергии, а расходуется на компенсацию внутренних потерь, поэтому не является в прямом смысле потерями.

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.

 

Рис. 1.33. Детализированный вид энергетической характеристики

турбоагрегата с противодавлением .

 

Фактически общая характеристика расхода тепла на выработку электроэнергии и отпуск тепла турбоагрегатом в зависимости от его электрической нагрузки, представляет собой сумму двух характеристик, Гкал/ч

 

(1.44)

 

Оценка экономичности режимов работы турбоагрегатов с противодавлением связана с определенной системой удельных технико-экономических показателей преобразования энергии. Рассмотрим некоторые из них:

1. Удельный отпуск тепла на 1 МВт электрической нагрузки равен, Гкал/МВт:

 

(1.45)

 

Графически удельный отпуск тепла на 1 МВт электрической нагрузки изображается равносторонней гиперболой с ассимптотой равной .

Из уравнения (1.43) также следует, что электрическая нагрузка агрегата в зависимости от отпуска тепла турбиной, выражается следующей формулой, МВт:

 

(1.46)

2. Удельная выработка электроэнергии (мощности) на тепловом потреблении при этом равняется, МВт∙ч/ Гкал:

 

(1.47)

 

Обратная величина нижнего предела удельного отпуска тепла в Гкал/МВт∙ч при одновременно является верхним пределом удельной выработки электроэнергии на единицу отпускаемого пара при или частичной удельной выработкой электроэнергии (мощности) на тепловом потреблении – , МВт∙ч/Гкал.

(1.48)

 

Тогда удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении принимает вид:

(1.49)

 

Графически функция удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении выглядит следующим образом (рис. 1.34).

Рис. 1.34. Зависимость удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении от отпуска тепла.

Из графика видно, что при малых значениях отпуска тепла (малых электрических нагрузках) удельная выработка электрической энергии на 1 Гкал очень мала, а с ростом возрастает, стремясь к пределу при .

Из аналитического выражения (1.49) и его графической интерпретации следует, что аргумент и функция изменяются в пределах указанных ниже (табл. 1.2).

Таблица 1.2.

Основные параметры характеристики .

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

 

Характеристика (1.43) отражает связь между отпуском тепла и мощностью, поэтому интерес представляет зависимость:

 

(1.50)

 

Турбоагрегат с противодавлением работает по вынужденному тепловому режиму, зависящему от внешнего потребителя тепла, поэтому электрическая мощность в данном случае полностью связана с тепловым потреблением.

 

(1.51)

 

Обозначим: , а

Тогда:

 

(1.52)

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. 1.35).

 

Рис. 1.35. Электрическая мощность турбоагрегата с противодавлением в зависимости от величины отпуска тепла.

 

Основные параметры характеристики приведены в табл. 1.3.

 

Таблица 1.3.

Часовой отпуск тепла , Гкал/ч	Электрическая нагрузка турбоагрегата Р, МВт	Примечание
		Величина фиктивная
		Холостой ход турбоагрегата
		Номинальная мощность турбоагрегата
∞	∞	Предельный случай

Пример:

Энергетическая характеристика турбоагрегата Р-25-90/1,2:

Гкал/ ч

МВт

Гкал/ ч

- частичная удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении постоянная паспортная величина для данного конкретного агрегата, так как вырабатываемая электроэнергия и отпускаемое тепло находятся в определенном соотношении.

На каждую Гкал отпущенного тепла вырабатывается вполне определенное количество электрической энергии и на каждый МВт электроэнергии потребляется определенное количество тепла.

Частичная удельная выработка электроэнергии зависит от конструктивных особенностей турбоагрегата, а, именно, от величины срабатываемого теплоперепада, т.е. от начальных и конечных параметров пара. Чем выше начальные параметры пара и чем ниже конечные, тем больше значение , МВт/Гкал·ч.

 

(1.53)

где

– теплоперепад, ккал/кг;

– начальное теплосодержание пара в турбине, ккал/кг;

– начальное теплосодержание пара в отборе, ккал/кг;

– частичный КПД генератора, учитывающий переменную часть потерь тепла в генераторе.

Для турбоагрегата с противодавлением и отбором пара зависимость представляется следующим образом:

(1.54)

где

– соответствует отбору с более высокими параметрами (производственный отбор 4÷15 ата)

– соответствует теплофикационному отбору (отопление и вентиляция).

Пример:

 

МВт

 

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