Тепловые электростанции и теплоснабжение металлургических заводов

Основным звеном энергетической системы металлургического предприятия является тепловая электрическая станция (ТЭС), генерирующая электрическую и тепловую энергию, а также энергию сжатого воздуха.

Тепловые электростанции различаются по виду отпускаемой энергии. Так, конденсационные электростанции (КЭС) отпускают энергию одного вида — электрическую, а ТЭЦ — электрическую энергию и тепло в виде пара и горячей воды. Тепловые электрические станции металлургических заводов включают в себя установки по производству электрической и тепловой энергии, а также установки по производству сжатого воздуха для обеспечения доменных печей дутьём, т. е. являются одновременно и паровоздуходувными станциями (ПВС). Поэтому их называют ТЭЦ-ПВС.

Термодинамические основы работы ТЭС

Термодинамическую основу тепловой электрической станции типа КЭС и ТЭЦ составляет цикл Ренкина для воды и водяного пара. Простейшая схема конденсационной электростанции и цикл, по которому изменяется состояние рабочего тела, показаны на рисунке.

Рис. 2.1 Схема (а) и цикл (б) паротурбинной установки КЭС

Работа КЭС происходит следующим образом. Питательная вода подаётся в паровой котёл К, где получает тепло от продуктов сгорания топлива и превращается в сухой насыщенный пар. Пар перегревается в пароперегревателе ПП и направляется в турбину Т.

В турбине пар адиабатически расширяется от начальной энтальпии і_{1 (}точка1) до конечной і₂ (точка 2), совершая работу площадь 3−4-5−6-1−2-3, передаваемую ротору турбины и далее валу электрического генератора ЭГ или турбовоздуходувки. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор К с энтальпией i₂ (точка 2), где он охлаждается, превращаясь в воду (конденсат) с энтальпией і₃ (точка 3) за счёт отдачи теплоты q_кон = площадь 2−2'-3'-3−2 = (i₂ — i₃) охлаждающей воде. Конденсат направляется в питательный насос ПН, где его давление повышается до давления в котле (точка 4), и вода с этим давлением (питательная вода) поступает в паровой котёл.

На величину КПД цикла Ренхина влияют начальные и конечные параметры пара. Полезная работа цикла увеличивается при снижении давления отработавшего пара за турбиной, т. е. в конденсаторе, увеличении температуры и давления пара перед турбиной. Современные конденсационные станции имеют КПД, равный 38…40%.

Значительного повышения экономичности тепловых электрических станций можно достичь организацией теплофикационного цикла, сущность которого заключается в следующем.

Согласно второму закону термодинамики получение работы в термодинамическом цикле невозможно без отдачи теплоты холодному источнику тепла. В цикле Ренкина, по которому работают паросиловые установки, реальная температура холодного источника (окружающей среды) находится в пределах 30 °C, а температура горячего источника существенно ограничена (630°С). В связи с этим даже на лучших современных тепловых электростанциях холодному источнику (конденсатору турбины) отдаётся около половины полученной рабочим телом теплоты.

Превращение этой теплоты в работу практически невозможно, так как теплота в конденсаторе передаётся при температуре, близкой к температуре окружающей среды.

Эта теплота имеет малую ценность и для целей теплоснабжения, т.к. охлаждающая конденсатор вода нагревается всего до 30…35°С. Поэтому для использования охлаждающей воды в системах отопления температуру повышают за счёт увеличения давления пара в конденсаторе примерно до атмосферного и превращают конденсатор турбины в теплообменник, иногда называемый бойлером. При этом уменьшается теплоперепад, срабатываемый в турбине, т. е. уменьшается количество теплоты пара, превращённой в механическую энергию. Однако тепло, пошедшее в конденсатор-теплообменник, не выбрасывается в атмосферу, а используется на технологические или бытовые нужды. Это даёт возможность полностью использовать теплоту, полученную от горячего источника, частично для получения работы и выработки электроэнергии и сжатого воздуха, частично для получения теплоты. Такое комбинированное производство электроэнергии и теплоты называется теплофикацией.

На рис. 2.2 представлены схема и цикл паротурбинной теплофикационной установки в TS-диаграмме. Как видно из диаграммы теплофикационный цикл Ренкина (1−2-3−4-5−6-1) включает в себя те же процессы, что и конденсационный (1−2к-3к-4−5-6−1), однако параметры отработавшего пара выше, а его теплота используется для целей теплоснабжения (линия 2−3 расположена выше линии 2к-3к). Площадь 1−2-3−4-5−6-1 меньше площади 1−2к-3к-4−5-6−1, т. е. выработка электроэнергии в теплофикационном цикле меньше, чем в конденсационном при тех же начальных параметрах пара. Однако в конденсационном цикле теплота, эквивалентная площади 3к-2к-2`-3к`-3к выбрасывается в атмосферу с охлаждающей конденсатор водой, тогда как в теплофикационном теплота (пл.3−2-2`-3`-3), передаётся в сетевом подогревателе сетевой воде, обеспечивающей теплоснабжение теплового потребителя. Таким образом, теплофикационный цикл является более экономичным, чем конденсационный (КПД ТЭЦ = 50…60%).

Теплофикационная турбина Т обеспечивает выработку электроэнергии, а отработавший пар поступает в сетевой подогреватель, где он конденсируется, отдавая теплоту сетевой воде, и в виде конденсата питательным насосом направляется в котёл. Сетевая вода циркулирует по трубопроводам с помощью насоса, обеспечивая тем самым отбор теплоты у пара и передачу её потребителю. При необходимости иметь паровое теплоснабжение пар направляется потребителю теплоты либо после турбины, либо из промежуточной ступени турбины. Первые называются турбинами с противодавлением, вторые — турбинами с отборами пара.

Теплофикационные турбины чаще всего выполняют с промежуточными отборами пара. Обычно имеется несколько отборов пара по ходу его движения по турбине в конденсатор, в котором конденсируется часть пара, прошедшая всю турбину.