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 на рис. 1.39.

Рис. 1.39. Принципиальные схемы теплофикационных турбоагрегатов

с двумя отборами и с одним отбором.

 

Схема энергобаланса теплофикационного турбоагрегата представлена на рис. 1.40.

Рис. 1.40. 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. 1.41).

Рис. 1.41. Раздельные энергобалансы теплофикационного турбоагрегата.

 

Как видно на рис. 1.41. 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.

 

(1.55)

где

, , .

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

(1.56)

 

Расход тепла на выработку электроэнергии по теплофикационному циклу, Гкал/ч

(1.57)

 

Сложив обе характеристики, получим аналитическое выражение энергетической характеристики теплофикационного турбоагрегата при дроссельном регулировании, Гкал/ч:

 

(1.58)

где:

Относительные приросты расхода тепла на выработку электроэнергии по отдельным циклам равны, Гкал/МВт∙ч:

 

(1.59)

 

(1.60)

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 ее аналитическое выражение выглядит следующим образом, Гкал/ч:

 

(1.61)

или

(1.62)

 

Теплофикационные турбоагрегаты имеют еще одну важнейшую характеристику, МВт.

 

(1.63)

 

Для турбоагрегата с одним отбором типа «Т», МВт

 

(1.64)

 

Для турбоагрегата с двумя отборами типа «ПТ», МВт

 

(1.65)

где:

и – относятся к производственному отбору;

и – относятся к теплофикационному отбору.

, так как для производственного отбора срабатываемый теплоперепад меньше, чем для теплофикационного, из-за различных 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

 

Расходные характеристики турбин с двумя регулируемыми отборами пара кроме указанной структуры, Гкал/ч:

 

(1.66)

 

имеют также следующую, Гкал/ч:

(1.67)

где

, а

Пример:

Энергетическая расходная характеристика теплофикационного турбоагрегата ПТ-50-90

Гкал/ч

 

Пример:

Энергетическая расходная характеристика теплофикационного турбоагрегата ПТ-50-130/7

Гкал/ч

 

Другим способом расчета , при отсутствии энергетических характеристик, является расчет по следующей формуле, МВт:

 

(1.68)

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.

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:

 

(1.69)

 

Исключительно теплофикационный цикл работы для таких турбоагрегатов не осуществим, так как в обязательном порядке необходим определенный, вынужденный пропуск пара в конденсатор турбины для вентиляции лопаток последней ступени.

Величина вентиляционного пропуска в конденсатор составляет порядка 10 15 % от общего номинального объема пара, поступающего в турбину.

Электрическая мощность, вырабатывая на основе вентиляционного пропуска пара в конденсатор, называется вынужденной конденсационной мощностью.

Она определяется следующей формулой, МВт:

 

(1.70)

где

– номинальная (установленная) электрическая мощность турбины;

– номинальная (максимально возможная) теплофикационная мощность турбины при полностью открытом отборе (отборах).

Номинальная теплофикационная мощность составляет лишь 85–90 % от номинальной электрической мощности теплофикационных агрегатов.

Номинальная теплофикационная мощность турбоагрегата определяется путем подстановки в характеристику теплофикационной мощности номинального значения величины отбора в турбине типа «Т», МВт:

 

(1.71)

 

или для турбины типа «ПТ»:

 

(1.72)

 

Вынужденная конденсационная мощность является фиксированной величиной, не изменяющейся при различных режимах работы турбоагрегата в отличии от значения теплофикационной мощности , которая в зависимости от тепловых графиков нагрузки может меняться от 0 до .

Сумма двух составляющих мощности теплофикационного турбоагрегата и составляет вынужденную мощность турбоагрегата, МВт:

 

(1.73)

 

При максимальной величине отборов пара, теплофикационная мощность также является максимально возможной и вынужденная мощность турбоагрегата равна номинальной, МВт:

 

(1.74)

 

При закрытых отборах пара теплофикационная мощность равна нулю и вынужденная мощность равна вынужденной конденсационной мощности, МВт:

(1.75)

 

Разность между и в этом случае составляет свободную конденсационную мощность , МВт:

 

(1.76)

 

Общая мощность турбоагрегата в общем случае является суммой теплофикационной и конденсационной мощности, МВт:

 

(1.77)

 

Таким образом, в общем виде:

 

(1.78)

 

Свободная конденсационная мощность при закрытых отборах может меняться в диапазоне от до в зависимости от графика электрической нагрузки.

Сопоставляя турбоагрегаты различных типов можно сказать, что для конденсационного турбоагрегата вся выработка является конденсационной, соответственно для противодавленческого турбоагрегата вся выработка – теплофикационная.

В турбоагрегатах «Т» и «ПТ» – на базе пара, который идет в отборы, вырабатывается теплофикационная мощность, а на потоке пара, поступающего в конденсатор, вырабатывается конденсационная мощность.

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

(1.79)

 

Для разных типов турбоагрегатов значение изменяется в пределах от 0 до 1.

Турбоагрегат «К»

Турбоагрегата «Р»

Турбоагрегаты «Т» и «ПТ»

Для теплофикационных агрегатов:

значение 0 – при закрытых отборах;

значение 0,85-0,9 – 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

(1.80)

 

Так как общая выработка электроэнергии состоит из теплофикационной и конденсационной, то:

(1.81)

 

2. Удельный расход тепла на 1 МВт электрической нагрузки, Гкал/МВт∙ч

 

(1.82)

 

Из энергетической характеристики при условии можно получить:

 

(1.83)

 

При этих условиях:

 

(1.84)

 

С ростом нагрузки первое и третье слагаемые будут уменьшаться, а второе будет постоянным. Зависимость удельного расхода тепла от нагрузки показана на рис. 1.42.

Показатель удельного расхода тепла на единицу электроэнергии с увеличением нагрузки уменьшается.

 

3. Удельный расход топлива на выработку электрической энергии , тут/МВт∙ч:

 

(1.85)

где

– удельный расход топлива на 1 Гкал тепла, тут/Гкал:

 

(1.86)

 

где

– теплотворная способность 1 кг условного топлива, ккал/кг;

– КПД котлоагрегата, %;

 

Рис. 1.42. Зависимость удельного расхода тепла от нагрузки.

 

Расход топлива на выработку электроэнергии теплофикационным турбоагрегатом определяется по характеристике путем умножения каждого слагаемого на , тут/ч:

 

(1.87)

 

Удельный расход топлива на выработку электрической энергии и теплоэлектрический коэффициент – обратно пропорциональны, т.е. чем выше значение , тем ниже удельный расход топлива , тут/МВт∙ч:

 

(1.88)

где

и – удельные расходы топлива, соответственно, на выработку электроэнергии по теплофикационному и конденсационному циклам.

Указанное соотношение определяется следующим: 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 гут/КВт∙ч.

При (отбор открыт полностью) вся выработка электроэнергии происходит по теплофикационному циклу, за исключением выработки электроэнергии по вынужденному конденсационному режиму.

Удельный расход топлива составляет гут/КВт∙ч.

 

Различные режимы работы теплофикационного турбоагрегата влияют на удельные расходы топлива на выработку электроэнергии.

Пример:

1. По плану теплофикационный турбоагрегат должен работать с электрической нагрузкой МВт и отпуском тепла потребителю 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 уменьшился 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:

 

(1.89)

где

– выработанная электроэнергия, МВт∙ч;

– установленная мощность, МВт.

Показатели и обычно объединяются в понятие: «режим работы турбоагрегата».

 

Теплофикационные турбоагрегаты работают в двух режимах: по тепловому или по электрическому графику нагрузки.

Работу теплофикационного турбоагрегата по тепловому графику рассмотрим на следующим примере.

 

Пример:

На ТЭЦ установлен турбоагрегат Т-100-130 с характеристикой:

Гкал/ч

МВт

Гкал/ч

ата

Задан суточный график отпуска тепла на отопление на расчетный месяц (рис. 1.43).

Рис. 1.43. Суточный график отпуска тепла на расчетный месяц.

 

Требуется определить:

1. Электрическую нагрузку турбоагрегата.

2. Расход тепла на выработку электроэнергии.

3. Расход тепла на выработку электроэнергии и отпуск тепла.

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.

Исходные данные получены по результатам испытаний турбоагрегата в конденсационном режиме. При этом были определены расходы пара при различных нагрузках, на основе которых была построена энергетическая характеристика турбоагрегата в конденсационном режиме и получено ее аналитическое выражение:

Гкал/ч

 

Кроме того, при различных значениях нагрузки был определен КПД генератора (табл. 1.5).

Таблица 1.5.

Результаты испытаний турбоагрегата.

Нагрузка , МВт
КПД генератора , %	98,1	98,6	98,7

 

Требуется выполнить:

1. Расчет потерь тепла в турбоагрегате:

1.1. – в окружающую среду;

1.2. – механических;

1.3. – электрических.

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

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

4. Определение аналитического выражения энергетической характеристики турбоагрегата при смешенном режиме.

Решение.

1. Расчет потерь тепла в турбоагрегате.

1.1. Потери тепла в окружающую среду не зависят от нагрузки и принимаются 1% от номинальной нагрузки турбоагрегата:

Гкал/ч

 

1.2. Механические потери тепла турбоагрегата также не зависят от нагрузки и принимаются 0,5% от номинальной нагрузки:

Гкал/ч

 

1.3. Расчет электрических потерь тепла в генераторе:

Гкал/ч

Гкал/ч

Гкал/ч

2. По данным и строим зависимость (рис. 1.48).

 

 

Рис. 1.48. Зависимость электрических потерь тепла в генераторе от нагрузки.

 

Как видно на рис. 1.48. Гкал/ч. Тогда:

 

Гкал/МВт∙ч

 

Следовательно, аналитическое выражение зависимости примет вид:

Гкал/ч

 

2. Потери тепла с конденсацией пара определяются как разница между суммарными потерями тепла в турбоагрегате и суммой , то есть

 

В свою очередь есть разность между расходом тепла на производство электроэнергии по конденсационному циклу и полезно затраченным теплом на производство электроэнергии по этому же циклу .

 

Гкал/ч

 

При этом потери тепла с конденсацией пара будут равны:

Гкал/ч

Эти потери связаны с выработкой электроэнергии по конденсационному циклу и поэтому полностью относятся на нее.

 

Таким образом, на конденсационную выработку относятся:

 

1. Полезно затраченное тепло на выработку электроэнергии по конденсационному циклу:

Гкал/ч

 

2. Потери тепла с конденсацией пара:

Гкал/ч

 

3. Часть потерь тепла в генераторе, состоящая из потерь холостого хода и переменной части потерь, зависящей от нагрузки по конденсационному циклу:

Гкал/ч

 

4. Механические потери тепла в турбоагрегате:

Гкал/ч

 

5. Потери тепла в окружающую среду:

Гкал/ч

 

Итого, расход тепла, на выработку электроэнергии по конденсационному циклу: Гкал/ч

 

На теплофикационную выработку относятся:

 

1. Полезно отпущенное тепло, затраченное на выработку электроэнергии по теплофикационному циклу:

Гкал/ч

 

2. Переменная часть энергетических потерь тепла в генераторе, зависящая от нагрузки по теплофикационному циклу:

Гкал/ч

 

Итого, расход тепла, на выработку электроэнергии по теплофикационному циклу:

Гкал/ч

Энергетическая характеристика турбоагрегата при смешанном режиме будет иметь следующий вид:

Гкал/ч

 

Задача 2.

Задана энергетическая расходная характеристика теплофикационного турбоагрегата Т-100-130.

1. Гкал/ч

2. МВт

3. Гкал/ч

4. ата

 

Определить:

1. Электрическую мощность турбоагрегата по теплофикационному циклу при номинальной величине отбора тепла.

2. Расход тепла на выработку электроэнергии при номинальной электрической мощности турбоагрегата.

3. Расход тепла на выработку электрической энергии и отпуска тепла при номинальных электрической и тепловой нагрузках турбоагрегата.

4. КПД турбоагрегата по производству электроэнергии.

Решение.

МВт

МВт

Гкал/ч

Гкал/ч

Гкал/ч

Гкал/ч

%

Задача 3.

Определить вынужденную конденсационную мощность турбоагрегата ПТ-50-130/7 со следующей энергетической характеристикой:

Гкал/ч

МВт

, ата Гкал/ч

, ата Гкал/ч

 

Решение.

В характеристику теплофикационной мощности подставляются номинальные значения отпуска тепла из соответствующих отборов:

МВт

 

Вынужденная конденсационная мощность турбоагрегата составит:

МВт