ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ (ТЭЦ)
На теплоэлектроцентрали (рис. 15), как говорилось, вырабатывается комбинированным способом электрическая энергия и тепло для централизованного снабжения производственных и бытовых потребителей.
Рис. 15. Установка для комбинированной выработки электрической энергии и тепла:
а — простейшая схема; б — термодинамический цикл в диаграмме Ts; 1 — котел; 2 — пароперегреватель; 3 — турбина с противодавлением; 4 — электрогенератор; 5 — потребитель тепла; 6 — насос
В более общем случае рассматривается работа потока пара, отбираемого из турбины с конденсацией для использования на бытовые и производственные нужды (так называемый теплофикационный поток). Турбина с конденсацией и отбором пара является основным тепловым двигателем ТЭЦ.
В паротурбинной установке, работающей по конденсационному циклу, значительная часть тепла топлива теряется. Это тепло уносится с охлаждающей водой и составляет 55—70% тепла топлива. Стремление снизить температуру отводимого пара до значений, близких к температуре окружающей среды, не позволяет полезно использовать огромное количество тепла.
В комбинированном цикле давление пара на выходе из турбины повышают, чтобы увеличить его температуру до значений, необходимых для удовлетворения тепловых потребителей. При этом полезная работа в турбине уменьшается, однако тепло отработавшего пара полезно используется. Выигрыш в тепле значительно больше, чем потеря, обусловленная уменьшением работы. В такой установке единственными окончательными потерями являются механические и электрические потери в турбогенераторе, потери в котле, расходы электроэнергии на собственные нужды станции.
Коэффициент использования топлива при выработке электрической энергии комбинированным способом после вычета тепла, отпущенного потребителям,
Комбинированная выработка энергии обеспечивает значительную экономию топлива и является одним из ведущих направлений развития энергетики в СССР. В ближайшие годы на ТЭЦ предвидится выработка комбинированным способом 18—20% всей электроэнергии, производимой тепловыми районными электростанциями. Следует отметить, что возрастание единичной мощности и параметров пара имеет место также для теплофикационных турбин. В настоящее время осваиваются впервые в мире созданные в СССР паровые турбины с отбором пара на сверхкритические параметры мощностью 250 МВт. Внедрение указанных турбин способствует обеспечению значительного эффекта.
Оценим выгоду комбинированного цикла по сравнению с конденсационным. Пусть в комбинированном цикле:
Э — выработка электроэнергии, кВт-ч;
Q2 — отводимое для использования тепло, ккал.
Тогда подводимое тепло равно
(76)
Отсюда следует, что при
= const и Q2 = const экономия тем больше, чем больше ε, которое является характерным показателем и называется удельной выработкой энергии. Увеличение удельной выработки ε имеет место, когда при одних и тех же конечных параметрах пара повышаются начальные параметры или, наоборот, при одинаковых начальных параметрах уменьшаются конечные параметры пара.
Из выражения (80) вытекает также, что повышение количества используемого тепла увеличивает экономию топлива при комбинированной выработке энергии.
На практике потребление электрической энергии растет значительно быстрее, чем потребление тепла, поэтому огромная потребность в электрической энергии для народного хозяйства покрывается в значительной мере установками конденсационного типа с к. п. д.
. Последний достиг, как уже указывалось, высоких значений и с его дальнейшим повышением, как видно из выражения (80), уменьшается экономия от применения установок комбинированного цикла. В связи с этим особенно необходимо увеличивать количество используемого тепла, чтобы теплофикация, основанная на централизованном теплоснабжении при комбинированной выработке энергии, была эффективной. Таким образом, для дальнейшего снижения удельного расхода тепла на ТЭЦ необходимо повышать начальные параметры пара и увеличивать отпуск тепла.
Электрифицированная железная дорога потребляет только электрическую энергию. Следовательно, при определении энергетического уровня электрической тяги отвлеченно, по совершенству преобразования топлива особенно при сопоставлении его с уровнем автономных видов тяги целесообразно оценивать исходя из условий электростанций, работающих по чисто конденсационному режиму. Только в случае определения к. п. д. электрической тяги по местным фактическим условиям выработки электроэнергии возможна оценка исходя из участия ТЭЦ в энергосистеме. При этом следует обязательно исходить из конкретной энергосистемы, ввиду того что средний к. п. д. по энергосистемам часто отличается весьма значительно, особенно в связи с долей выработки электроэнергии наиболее эффективным путем на ТЭЦ.
Использование одной электрической энергии от ТЭЦ с комбинированной выработкой энергии не способствует повышению к. п. д. электрической тяги. При расчете эффективности электротяги по условиям конденсационного цикла ТЭЦ, а не чисто конденсационной электростанции может иметь место даже некоторое снижение к. п. д. электротяги по следующим причинам [8].
- На ТЭЦ, как правило, применяют турбины с конденсацией и отбором пара, к которым предъявляются широкие режимные требования. Турбогенератор с отбором пара должен обеспечивать возможность отбора больших количеств пара при номинальной мощности и в то же время должен развивать номинальную мощность при чисто конденсационном режиме. Для удовлетворения этих требований необходимы увеличенные пропускные способности частей высокого (ЧВД) и низкого давления (ЧНД) турбины, что приводит, особенно при недогрузках, к повышенным потерям в турбогенераторе по сравнению с однопоточным турбогенератором, построенным для работы с конденсацией. В то же время от турбогенератора с отбором пара требуется достаточно высокая экономичность. Указанные требования противоречат друг другу. Универсальный тип турбины с расширенным пропуском пара ЧВД в случае больших отборов и одновременно с увеличенным пропуском ЧНД на случай работы без отбора пара мог бы быть эксплуатационно наиболее гибким с точки зрения удовлетворения потребности в тепле и электрической энергии. Однако такая турбина имеет меньшую экономичность вследствие недогрузки ЧВД при небольших отборах и недогрузки ЧНД при больших отборах.
Поэтому относительный к. п. д. турбогенератора, подсчитанный с учетом разных расходов пара в отдельных отсеках турбины, несколько ниже, чем в однопоточном турбогенераторе чисто конденсационного типа.
- Относительный расход электроэнергии на собственные нужды на ТЭЦ больше, чем на КЭС. Это объясняется тем, что при одном и том же расходе пара мощность теплофикационного потока пара из-за увеличенного противодавления значительно меньше. Кроме того, добавляется расход энергии на привод насосов, обслуживающих сеть теплоснабжения.
- В некоторых случаях давление в конденсаторе по экономическим соображениям, связанным с режимом работы, выбирается более высоким, чем в чисто конденсационной турбине. Это, как известно, снижает термический к. п. д. установки.
Все сказанное не следует понимать как довод против использования преимуществ ТЭЦ в энергосистеме для электроснабжения железных дорог. Речь идет лишь об условиях преобразования энергии на ТЭЦ, которые нужно учитывать при оценке энергетического уровня электрической тяги. В целом же ТЭЦ в системе электроснабжения очень прогрессивна. Несомненна ее положительная общегосударственная роль в снижении расхода топлива при комбинированной выработке энергии и, следовательно, средней себестоимости электроэнергии в данной энергосистеме, исходя из которой устанавливается тариф для электрифицированного железнодорожного транспорта.
Здесь необходимо учесть также следующее.
При комбинированной выработке энергии на ТЭЦ вопрос о распределении израсходованного топлива между произведенной электрической энергией и теплом не имеет однозначного решения, к наиболее простым решениям относятся два предельных случая.
Этот метод применяется в течение многих лет для электростанций СССР при составлении отчета и планировании расходов топлива. В данном случае вся экономия, полученная благодаря комбинированной выработке энергии, относится на долю электроэнергии.
При таком распределении расходов топлива коэффициент использования тепла для выработки электрической энергии в теплофикационном потоке, рассматриваемом изолированно, равен (обозначения см. на рис. 6):
Исходя из принятого метода распределения расходов топлива на ТЭЦ, определим тепловую эффективность теплофикации. Пусть вся производимая энергия на ТЭЦ составляет 40% электроэнергии, вырабатываемой на тепловых районных конденсационных электростанциях; 35% этого количества вырабатывается комбинированным путем.
Если суммарную выработку электроэнергии принять за 100%, то получится следующее распределение:
доля энергии, вырабатываемой чисто конденсационным способом, — 71,5% (при к. п. д. 35%);
доля энергии, вырабатываемой конденсационным способом на ТЭЦ, — 18,5% (при к. п. д. 26%);
доля энергии, вырабатываемой комбинированным способом, — 10% (при условном к. п. д. 76%).
Отсюда средневзвешенный к. п. д. выработки энергии 0,715 • 0,35 + 0,185 • 0,26 + 0,10 • 0,76 = 0,369.
Повышение к. п. д. благодаря теплофикации по сравнению с к. п. д. чисто конденсационных электростанций
Средневзвешенный к. п. д. выработки электроэнергии на чисто конденсационных электростанциях и конденсационным способом на ТЭЦ
При этом средневзвешенный удельный расход топлива
2. Расход топлива на производство электрической энергии принимается для условий конденсационной выработки. При этом
(83)
Остальное топливо
В — Вэ = Вт
(84)
считается израсходованным на отпускаемое тепло.
Это второй предельный случай. Все промежуточные варианты не имеют существенных преимуществ и только усложняют расчеты.
Принятый выше удельный расход топлива 162 г/(кВт-ч), соответствующий коэффициенту теплоиспользования 76%, является условным.
Подчеркнем еще раз, что в соответствии с принятым методом распределения топлива вся экономия, которая получается в результате комбинированного производства энергии, идет на уменьшение удельных расходов топлива, на выработку электрической энергии и, следовательно, на снижение ее себестоимости.
В дополнение к сказанному по поводу оценки энергетического уровня электрической тяги, питаемой током от ТЭЦ, показатель энергетического уровня электротяги, основанный на удельном расходе при комбинированной выработке, носил бы сугубо условный характер. Это объясняется не только условностью распределения расхода топлива между электрической энергией и теплом, но и влиянием соотношения в системе электроэнергии, производимой конденсационным и комбинированным способом, которое зависит от количества отпускаемого тепла ТЭЦ, вырабатывающих энергию комбинированным способом. Естественно, последнее обстоятельство не характеризует термодинамическое совершенство преобразования тепла в электрическую энергию на ТЭЦ, а является лишь внешним фактором электропотребления в системе.