Тепловые электрические станции и их технологическая схема. 
Термодинамический цикл паротурбинных электростанций

Способы производства электрической и тепловой энергии.

Наиболее распространенным типом тепловых электростанций являются паротурбинные электростанции. На современных тепловых электростанциях превращение тепла в работу осуществляется большей частью в циклах, в которых основным рабочим теплом является водяной пар высоких давлений и температур. Водяной пар получают с помощью парогенераторов, в топках которых сжигают разные виды топлива. Тепловая энергия преобразуется в механическую работу в паротурбинных установках по термодинамическому циклу, предложенному в середине XIX в. шотландским инженером и физиком У. Ренкиным, а также немецким физиком Р. Клаузиусом. К основным термодинамическим процессам относятся изобарный — при постоянном давлении, изохорный — при постоянном объеме, изотермический — при постоянной температуре, адиабатный — при постоянной энтропии.

Принципиальная тепловая схема электростанции, работа которой основана на цикле Ренкина, показана на рис. 1.2, а. На рис. 1.3 цикл Ренкина изображен на Т-5-диаграмме, где по оси ординат отложена температура Т, а по оси абсцисс-удельная энтропия S, ДжУ (кг-К). С помощью питательного насоса ПН (рис. 1.2, а) вода сжимается и подается в парогенератор ПГ, в котором вода подогревается и превращается в водяной пар. В пароперегревателе ЯД пар подвергается перегреву. Перегретый пар, поступая затем в паровую турбину ПТ, приводит в движение вращающуюся частьротор, соединенный с ротором генератора электрической энергии Г. Из паровой турбины пар выходит конденсация пара. Конденсат пара поступает в питательный насос ПН.

Конденсация пара происходит по изобаре р₂-const (линия 23 на рис. 1.3). Сжатие воды питательным насосом от давления р₂ до давления р_г является адиабатным процессом, изображенным весьма малым отрезком 35, что свидетельствует о малой работе, которая затрачивается насосом для сжатия воды., К воде в парогенераторе при изобарном процессе p^const подводится тепло: сначала вода нагревается до кипения (участок 54), затем происходит парообразование (участок 46) и перегрев водяного пара (участок 61) изобары p₁ = const. Перегретый пар поступает в турбину, в которой происходит адиабатический процесс расширения пара (адиабата 12). Отработанный пар направляется в конденсатор, и цикл замыкается. Количество тепла, подведенного к рабочему телу в цикле (qj), соответствует площади а.354 612ва на Г-5-диаграмме. Тепло, отведенное в цикле (92). изображено площадью а32ва. Работа цикла эквивалентна площади 3546 123.

Термический коэффициент полезного действия (к.п.д.) цикла.

(1.5).

где i₁, i₂, i₃, i₅ -удельные энтальпии (удельные количества теплоты) рабочего тела, Дж/кг, равные суммам внутренней энергии системы u и произведениям давления системы р на объем системы V; для k-u точки цикла.

i_n=u_k+p_hV_k (1−6).

— теоретическая работа сжатия в цикле, совершаемая питательным насосом.

(1.7).

где V_b — удельный объем воды, м³/кг.

Термический к.п.д. можно также определить из уравнения:

(1.8).

где Т₂ — температура для точки 2 цикла, К; S_r и S₃ — энтропии для точек 1 и 3 цикла, Дж/(кгК).

На рис. 1.4, а цикл Ренкина изображен на i-S-диаграмме, на которой по оси ординат отложена энтальпия i, Дж/кг, а по оси абсцисс энтропия S, Дж/(кг-К). Расстояние между точками 1 и 2 соответствует работе турбины, между точками 5 и 3 — работе в насосе, между точками 1,6,4 и 5 тепла q₁, подводимому в цикле, а между точками 2 и 3 — теплу q₂, отводимому в цикле i-S-диаграмма водяного пара приведена на рис. 1.4, б.

К.п.д. паротурбинной установки тем выше, чем больше давление и температура поступающего в турбину пара и глубже вакуум в конденсаторе. Вакуум в конденсаторах турбин достигает 95−97%, что соответствует давлению отработавшего пара 0,0049 — 0,0029 МПа. Последующее повышение вакуума возможно лишь в небольших пределах, связано с необходимостью дополнительного увеличения количества охлаждающей воды и экономически нецелесообразно.

Увеличение начальных параметров, т. е. давления и температуры подводимого к турбине так называемого «острого» пара, также ограничено в связи с трудностью создания дешевых материалов, способных работать при таких параметрах пара, а также вследствие возникающих при этом затруднениях в организации внутри котловых процессов и водного режима котлов.

При критических параметрах воды, т. е. при критическом давлении 22 МПа и критической температуре Т_к = 647,3 К, энтальпия жидкости составляет около 2090 кДж/кг и нет различия между водой и паром. Принципиальная технологическая цепь изменений энергии на электростанции на основе изложенного (см. рис, 1.2) состоит из трех основных процессов:

превращение энергии, содержащейся в топливе, в энергию рабочего тепла водяного пара; агрегатом, в котором происходит процесс, является паровой котел или парогенератор (его к.п.д. — 90 — 95%);

превращение энергии рабочего тепла пара в кинетическую энергию вращения ротора турбины; при этом процессе рабочий агрегат — паровая турбина. У конденсационных турбин пар проходит через проточную часть и выходит в конденсатор, охлаждаемый циркуляционной водой, нагреваемой при этом на 7−12°. Пар конденсируется и превращается в конденсат, который с помощью питательного насоса вновь направляется в паровой котел. Нагретая циркуляционная вода направляется в водоемы или охладители. Ее тепло не используется, в связи с чем к.п.д. турбины обычно не превышает 35−43%. На теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) весь пар или часть его после турбины либо нагретая при ухудшенном вакууме в конденсаторе вода, либо пар из отбора турбины направляются для использования на нужды бытовые или промышленности;

превращение кинетической энергии вращающегося вала турбины в электрическую энергию.

Агрегатом, в котором происходит превращение, является генератор с к.п.д. 98,5−99%. Наиболее удобны с термодинамической и эксплуатационной точек зрения рабочие тела теплосиловых установок с достаточно низкой теплоемкостью в жидкой фазе и с не слишком низким значением давления в конденсаторе, обеспечивающие высокое значение к.п.д. при не очень высоком давлении пара, и недорогие. Вода имеет, однако, довольно высокую теплоемкость в жидкой фазе, хотя и характеризуется не слишком низким значением давления в конденсаторе. Средняя температура подвода тепла в пароводяном цикле не очень высока даже при использовании пара высокого давления. Поэтому вода может быть удачно применена в низкотемпературной части цикла.

Рабочих тел без недостатков, способных обеспечить предъявляемые к ним требования во всем температурном интервале цикла, нет, (поэтому были предложены так называемые бинарные циклы с использованием комбинации двух рабочих тел. При их осуществлении верхняя часть цикла отражает работу ртути или других высококипящих веществ. Тепло, которое отводится при их конденсации, используют для парообразования низкокипящего вещества, например воды. В США для работы по бинарному циклу была построена электростанция Кирни. Парортутные и другие бинарные циклы ввиду сложности соответствующих установок распространения не получили.

Способы производства электрической и тепловой энергий подразделяются на раздельный — электростанция и котельные (см. рис. 1.2, б) и комбинированныйтеплоэлектроцентрали (ТЭЦ). При раздельном способе электроэнергию вырабатывают электростанции, а тепловую энергиюкотельные. При комбинированном способе электрическая и тепловая энергии вырабатываются на ТЭЦ. Общий к.п.д. на конденсационных тепловых электростанциях не превышает 30−37%. На теплоэлектроцентралях он может достигать 80% и более.

К недостаткам ТЭЦ относятся:

1) меньшая, по сравнению с конденсационными электростанциями, единичная мощность агрегатов и более высокая стоимость одного установленного киловатта (на конденсационных электростанциях в 1975 г. она была равна в среднем 135−140 руб/кВт, а на ТЭЦ — 170−270 руб/кВт); более высокие удельные (на один установленный киловатт) расходы строительных материалов и дефицитного оборудования (кабеля, приборов, трубопроводов и т. п.);

ограниченный радиус транспортировки тепла. К наибольшим по протяженности относится теплофикационная магистраль СУГРЭС (г. Свердловск) длиной 28 км;

большая масса теплофикационных трубопроводов по сравнению с трубопроводами для транспортировки энергетически эквивалентных количеств газа.

В дальнейшем возможно более широкое применение электрических бытовых установок, которые имеют ряд гигиенических и других преимуществ.

В настоящее время, за исключением отдаленных районов и особых случаев, не устанавливаются турбоагрегаты мощностью менее 50 МВт, включая ТЭЦ. ТЭЦ сооружают при наличии тепловых нагрузок свыше 350 МВт, а при небольших тепловых нагрузках до 230 МВт при дешевом топливе ТЭЦ не сооружают, и строят районные и промышленные отопительные котельные. При суммарных тепловых нагрузках 230−350 МВт вопрос о выборе схемы теплоснабжения решают на основе инженерно-экономических расчетов.

На тепловых электростанциях устанавливаются турбоагрегаты различных типов. Для повышения к.п.д. турбинных установок в многоцилиндровых турбинах пар после одного или двух цилиндров направляется на дополнительный промежуточный перегрев в котел. Некоторые зарубежные установки имеют двойной промежуточный перегрев пара. При наличии промежуточного перегрева пара экономичность теплосиловой установки растет за счет увеличения средней температуры подвода тепла (рис. 1.5). Термический к.п.д. цикла с промежуточным перегревом:

где i₇ и i₈ — соответственно энтальпии тара в начале и в конце промежуточного перегрева; i₉ — энтальпия влажного пара на входе в конденсатор.

Для целей теплофикации применяют теплофикационные турбины с отборами пара; они имеют один, два или более отборов пара (рис. 1.6, а). Отборы низкого давления до 0,1−0,5 МПа (номинальное значение часто равно 0,12 МПа) используются для отопительных установок. Отборы более высоких давлений 0,5−1,0 МПа (иногда до 1,6 МПа и выше) используются для промышленных нужд. Турбины с противодавлением (рис. 1.6, б) конденсаторов не имеют; пар из этих турбин направляется для нужд теплофикации.

Турбины с ухудшенным вакуумом отдают тепло для нужд теплофикации с нагретой до 50−60°С (или до более высокой температуры) циркуляционной водой; при этом разрежение в конденсаторе невелико.