Термодинамические основы работы ТЭС (стр. 4 )

Конечное давление в конденсаторе (величина вакуума). Величина вакуума в конденсаторе существенно влияет на тепловую экономичность станции. Приближенная численная зависимость термического к. п. д. паротурбинной установки от конечного давления пара представлена на рисунке 14, из которого следует, что, снизив давление в конденсаторе с 0,004 до 0,003 МПа, можно увеличить к. п. д. установки примерно на 2%, и, наоборот, увеличение давления с 0,004 до 0,005 МПа приведет к снижению экономичности более чем на 1%.

Рис. 14. Изменение термического к. п. д. паротурбинной установки в зависимости от величины вакуума (при неизменных начальных параметрах пара)	Рис.15. Изменение температуры насыщения tк и удельного объема V" насыщенного пара в зависимости от давления рк пара в конденсаторе

Конденсация пара в конденсаторе происходит за счет нагрева циркуляционной охлаждающей воды от начальной температуры tox1 до конечной tox2 , поэтому температура конденсации не должна превышать tox2 и может лишь приближаться к ней. Между тем температуры охлаждающей воды на входе в конденсатор tox1, в зависимости от выбранной системы технического водоснабжения и месторасположения станции, меняются в пределах от 0 до 15 град С в зимнее время и от 15 до 33 град С в летнее. Если принять нагрев воды в конденсаторе около 10 град С, то выходные температуры воды летом составят от 25 до 43 град С. Воспользовавшись зависимостью температуры насыщения от давления пара, можно установить, что давление в конденсаторе может при этом составить 0,0033 - 0,006 МПа.

Теплообмен через поверхность нагрева не позволяет вести конденсацию пара при температуре конденсата, равной выходной температуре охлаждающей воды, и требует дополнительного перепада температур dt (рисунок 12), принимаемого на уровне 3 - 5 град С, реже до10 град С. С учетом этих обстоятельств тепловой баланс конденсационной установки:

 где Dк — расход в конденсатор, кг/ч; iк и iк’ — соответственно энтальпии пара после турбины и конденсата после конденсатора, кДж/кг; W — расход охлаждающей циркуляционной воды, кг/ч; iox1и iox1 — энтальпии этой воды до и после конденсатора, кДж/кг. В уравнении не учтена внешняя потеря теплоты в окружающую среду, так как она пренебрежимо мала по сравнению с основными членами. Уравнение можно переписать в виде:

 или условно, если принять что температура пропорциональна энтальпии:

 Величина m называется кратностью охлаждения. Из равенства можно определить выходную температуру охлаждающей воды в зависимости от кратности охлаждения:

 Так как температура конденсации :

 то с учетом уравнения можно написать:

Из следует, что температура (давление) конденсации в наибольшей степени зависит от начальной температуры охлаждающей воды и, следовательно, от источника и системы водоснабжения, а также от времени года (зимой поддерживать вакуум легче). Но при одной и той же начальной температуре охлаждающей воды вакуум в конденсаторе существенно зависит от кратности охлаждения, поэтому выбор вакуума в конденсаторе может быть сделан только на основе технико-экономических расчетов. При этом следует учитывать, что чем глубже вакуум, тем выше экономичность турбинной установки, меньше расход пара и расход на конденсатные насосы, но тем больше должна быть поверхность теплообмена в конденсаторе и кратность охлаждения. Следовательно, возрастают капиталовложения в циркуляционную установку и увеличивается расход электроэнергии на привод циркуляционных насосов. На рисунке приведена зависимость давления в конденсаторе от кратности охлаждения при dt = 3 град С для трех значений входной температуры охлаждающей воды: 10, 15 и 20 град С. Расчетные кривые построены, исходя из следующих соображений. На входе в конденсатор пар обычно бывает влажным. Полная теплота парообразования для давлений от 0,003 до 0,005МПа может быть в среднем оценена как 2430 кДж/кг. Если принять влажность пара на входе в конденсатор в среднем равной 9,0%, то для конденсации 1 кг пара необходимо отвести от него 2195 кДж/кг. Тогда вместо с учетом теплоемкости воды можно написать:

Рис. 16. Зависимость давления в конденсаторе от кратности охлаждения при dt = 3 град С и (iк - iк’ ) = 2195 кДж/кг  1 - tox1 = 10 град С  2 - tox1 = 15 град С  3 - tox1 = 20 град С

 Из рисунка следует, что увеличение кратности охлаждения сверх значений порядка 80 нецелесообразно, так при этом теоретически возможный вакуум в конденсаторе изменяется в малой степени. Обычно кратность охлаждения m = 50—60 для любых тепловых электростанций, в том числе и атомных.
 Следует, что технико-экономическому выбору подлежит также и величина dt. В самом деле, чем больше dt, тем меньше потребная поверхность нагрева конденсатора и соответствующие капиталовложения. Но для сохранения того же вакуума и, следовательно, той же экономичности паротурбинной установки придется увеличить кратность охлаждения, в связи с чем, возрастут капиталовложения на циркуляционное водоснабжение и соответствующие расходы на собственные нужды. Поэтому вариантные расчеты для выбора кратности охлаждения и оптимальной величины вакуума должны производиться для различных значений dt и связанных с этим величин поверхности нагрева конденсатора. Однако все эти достаточно сложные расчеты не могут дать окончательного ответа, так как давление в конденсаторе - величина, непосредственно сопряженная с давлением за последней ступенью турбины.
 С углублением вакуума объем пара резко возрастает (смотри рисунок 15). Изменение давления в конденсаторе от 0,004 до 0,003 МПа приводит к увеличению удельного объема пара более чем на 30%, поэтому при глубоком вакууме пропуск пара, даже при предельных высотах лопаток последней ступени, может встретить затруднения. Если же повышать скорости пропуска пара, то выходные потери турбины могут резко возрасти и выигрыша в экономичности турбинной установки не будет. Окончательный выбор вакуума в конденсаторе требует совместного рассмотрения и технико-экономического решения этого вопроса применительно и к паротурбинной установке. Сопоставление расходов пара для турбин различных параметров приводит к несомненному заключению о целесообразности вакуума не глубже 0,004 МПа для мощных турбин насыщенного пара, применяемых в атомной энергетике, в сравнении с турбинами тех же мощностей в обычной теплоэнергетике, для которых давление в конденсаторе выбирают обычно 0,0035 МПа. К числу конечных параметров следует отнести также влажность пара. Однако ограничения по влажности пара ставит не конденсационная установка, а турбина, поэтому этот вопрос рассмотрен в теме посвященной турбинной установке.

РАЗДЕЛ 4. КОМБИНИРОВАННАЯ ВЫРАБОТКА ТЕПЛОТЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

В конденсационной паровой турбине отработав­ший пар поступает в конденсатор, где он конденси­руется и отдает скрытую теплоту парообразования охлаждающей воде. Эта теплота, составляющая 55—65% подведенной в котле теплоты, бесполезно теряется, так как температура охлаждающей воды на выходе из конденсатора лишь незначительно (на 10—15 °С) превышает атмосферную.

В то же время для бытовых и технологических нужд (например, для отопления зданий, подогрева и сушки материалов) требуется сравнительно невысо­кая температура теплоноси—150 °С), ко­торым может служить пар, отработавший в турбине до давления, необходимого тепловому потребите­лю. В этом случае может быть полностью использо­вана теплота конденсации отработавшего пара в технологических аппаратах для нагрева воды или сушки материалов, а конденсат возвращен в цикл турбинной установки.

Таким образом, одновременная выработка элек­трической энергии и теплоты в одной и той же теп­лосиловой установке выгоднее раздельной. В этом легко убедиться, если сравнить идеальные тепловые циклы в T, s-диаграмме для конденсационной турби­ны и турбины с противодавлением. В конденсацион­ной турбине теплота отработавшего пара, эквива­лентная площади фигуры 1ае21 (рис. 12), полно­стью теряется, поскольку она отводится с охлаждающей водой. В турбине же с повышенным давлением отработавшего пара (с противодавлением), которая одновременно с выработкой электроэнергии обслу­живает и тепловых потребителей, почти вся теплота отработавшего пара, эквивалентная площади фигуры 11a1е1211, может быть использована для удов­летворения нужд тепловых потребителей.

Комбинированная выработка на тепловых элек­трических станциях электроэнергии и теплоты для бытовых и технологических нужд за счет отбора и ис­пользования отработавшего пара на базе централизо­ванного теплоснабжения называется теплофикацией.

Теплофикация является одним из важнейших ме­тодов снижения удельного расхода топлива на теп­ловых электростанциях. Поэтому в настоящее время в России около 50 % электроэнергии производится на ТЭЦ, т. е. на станциях, где осуществляется комби­нированная выработка теплоты и электроэнергии.