Методика расчета тепловой эффективности ТЭЦ с различными тепловыми двигателями Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

В Ы В О Д Ы

В результате выполненного исследования можно сделать следующие выводы:

1) термодинамическая эффективность цикла паротурбинной установки зависит от вида используемого топлива;

2) величина коэффициента использования энергии топлива при прочих равных условиях больше у низкокалорийных видов топлива;

3) при повышении термического КПД цикла паротурбинной установки влияние качества топлива увеличивается;

4) при приближении к использованию топливно-кислородного источника первичной энергии эффективность цикла паротурбинной установки возрастает.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. М е ж д у н а р о д н о е энергетическое агентство [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.iea.org/. - Дата доступа: 04.07.2010.

2. Агентство РИА-Новости [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ria.ru/atomtec/20120903/741744767.html. - Дата доступа: 05.10.2012.

3. Но в о с ти компании Siemens AG [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.siemens.by/brochures/PoF_Belarus_Autumn2008.pdf. - Дата доступа: 22.08.2009.

4. Х р у с т а л е в, Б. М. Техническая термодинамика: учеб.: в 2 ч. Ч. 1 / Б. М Хруста-лев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк. - Минск: Технопринт, 2003.

5. Х р у с т а л е в, Б. М. Техническая термодинамика: учеб.: в 2 ч. Ч. 2 / Б. М Хруста-лев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк. - Минск: Технопринт, 2004.

6. Р а в и ч, М. Б. Эффективность использования топлива / М. Б. Равич. - М.: Из-во «Наука», 1977.

Представлена кафедрой ПТЭ и Т Поступила 10.10.2012

УДК 621.003.019

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЭЦ С РАЗЛИЧНЫМИ ТЕПЛОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Доктора техн. наук, профессора ПИИР А. Э.1', КУНТЫШ В. Б.2', инж. ВЕРЕЩАГИН А. Ю.1'

1Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова, 2Белорусский государственный технологический университет

Совместное производство тепловой и электрической энергии на крупных паротурбинных ТЭЦ экономит до 30 % часового расхода топлива по сравнению с раздельной выработкой. При одинаковом топливе это позволяет ТЭЦ успешно конкурировать на рынке электроэнергии с мощными КЭС, имеющими более высокие начальные параметры пара. Термодинамическая теория, рассматривающая комбинированное производство как обратимый термотрансформатор, и вытекающая из нее методика расчета удельных расходов топлива на ТЭЦ представлены в [1-3].

Как известно, в зарубежной практике широкое распространение получили ТЭЦ небольшой мощности (мини-ТЭЦ), где в качестве теплового двигателя используют дизельные двигатели, паровую или газовую турбину. Эффективность этих установок оценивают тремя техническими показателями: электрическим, тепловым и общим КПД, вычисленными по расходу топлива B при номинальных электрической N и тепловой Q мощности [4]:

лэ = к/(вдр); лт = д/(вднр); л0 = (д+n)/(вднр), (1)

где др - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива.

Очевидно, что все эти показатели условны, никак не связаны с процессом комбинированной выработки, не позволяют установить действительный расход топлива на получение теплоты и электрической энергии или вычислить реальную себестоимость продукции.

Для решения вопроса о тепловой эффективности мини-ТЭЦ рассмотрим термодинамические закономерности совместного получения работы и теплоты низкого потенциала (НП) за счет теплоты высокого потенциала (ВП) в идеальном цикле Карно. Данный способ термодинамического анализа излагается впервые.

Идеальный цикл Карно 1-2-3-4 (рис. 1), действующий в интервале температур Ti и То, представим как комбинированный, т. е. состоящий из верхнего цикла Карно 1-2-5-6, действующего в интервале температур T1 и T2, и нижнего цикла Карно 6-5-3-4, действующего в интервале температур Т2 и То.

В верхнем цикле Карно за счет теплоты ВП qi получают работу 1в и теплоту НП q2, служащую для получения работы /н и бесполезной теплоты qo, отводимой в окружающую среду. При совместной выработке теплота q2 просто передается тепловому потребителю. Определим, какая часть теплоты ВП q1 расходуется на получение работы в верхнем цикле Карно и какая часть - на получение теплоты НП q2.

Запишем тепловые и энергетические балансы для комбинированного цикла Карно:

qi = lio + qo = qf + qf; (2)

lio = qi^io = 1в + lH; (3)

1в = qi^i2; q2 = qi(i - ni2); (4)

Лю = 1 -TjT; Л12 = 1 -T2/Tf- П20 = 1 -TJT2, (5)

где lio, 1в, 1н - работа в цикле Карно: общая, верхнего цикла, нижнего цикла; Лю, ^i2, Л2o - термический КПД комбинированного, верхнего и нижнего циклов.

Удельный расход теплоты ВП на получение как работы lio, так и составляющих ее частей 1в и 4 будет одинаковым [5] и равным

T \ qi

Ti \

i 2 1В

T2 6 q2 я 5

, 1н '

To

4 / qo 3

S

Рис. 1. Термодинамический цикл Карно комбинированной установки

Чр = 01 /¡10 = Ч1/(1в + 1н ) = 01 /(¡в + ех02) = 1Лю = Т0 /(Т1 " Т0) >1, (6)

где ех - эксергия.

Это означает, что при комбинированной выработке затрата теплоты ВП на получение работы в несколько раз больше количества полученной работы, а главное, удельный расход топлива не зависит от температурной границы Т2 > То. В качестве подтверждения этого теоретического вывода можно сослаться на итоги исследований, выполненных еще в 1989 г. [6, 7] и установивших, что в конденсационной и теплофикационных турбоуста-новках марок К-300-240, Т-250-240, ПТ-140/165-240 эффективность выработки электроэнергии одинакова и составляет 320-325 г у. т./(кВт-ч), чему соответствуют КПД Пэ = 0,38 и удельный расход теплоты ВП чэ = 2,6.

Расход теплоты ВП на получение работы в верхнем цикле Карно

9 = Уо = Ч1Л12/ %)• (7)

Остальное количество теплоты ВП в количестве

Ч? = Ч - = Ф - Л12 /Л10) (8)

трансформируется двигателем в теплоту НП 42, которая передается потребителю (или может быть использована в нижнем цикле Карно для получения работы /н). Это значит, что на получение работы /н или теплоты НП расходуется одинаковое количество теплоты ВП Ч\ .

Удельный расход теплоты ВП на получение теплоты НП в комбинированном цикле Карно составит

, _ = - = ^ Т_2-Т± < 1 (9)

92 1 -^12 Т2 Т1 - Т0

Как и следовало ожидать, количество полученной при обратимой трансформации теплоты НП в несколько раз больше количества затраченной теплоты ВП. Например, в комбинированном цикле Карно при Т1 = 1000 К; Т2 = 500 К и Т00 = 300 К удельные расходы теплоты ВП составят на получение работы Ч = 1,5; на получение теплоты НП чт = 0,6.

Мини-ТЭЦ работают на органическом топливе, а их тепловые двигатели действуют по различным термодинамическим циклам: Ренкина, Джоуля, Дизеля, где тепловыми двигателями служат паровая и газовая турбины, двигатель внутреннего сгорания.

Полученные формулы удельного расхода теплоты (6) и (9) применимы к ТЭЦ с двигателями любого типа, если в них реальные процессы отвода и подвода теплоты заменить на изотермические при средней термодинамической температуре. Кроме того, реальный термодинамический цикл установки следует рассматривать как верхний, дополнив его условным нижним циклом для получения работы /н за счет теплоты НП 42.

Таким образом, циклу противодавленческой паротурбинной установки 1-2-3-4-5 (рис. 2а) соответствует комбинированный цикл 7-1-2-3-4-5-6 конденсационной установки, циклу газотурбинной установки 1-2-3-4 (рис. 2б) - комбинированный цикл 1-2-3-4-5, циклу дизельной установки

1-2-3-4-5 (рис. 2в) 1-2-3-4-5-6.

комбинированный термодинамический цикл

б в

4

/V

/ \ 5

/ V

7 92 6

3

4

2

1 5

92

4

2 / 1 А / У\\ 5

1 6

92

Б

Б

Рис. 2. Комбинированные термодинамические циклы ТЭЦ: а, б, в - соответственно с паровым, газотурбинным и дизельным двигателем

Выразим термические КПД идеальных циклов через их среднетермоди-намические температуры и запишем выражения: • для исходного комбинированного цикла

Лк = 1 - То/Т1ср.т =(N + еха )/;

• для «верхнего» цикла теплового двигателя

Пд = 1 - Т2ср.т /Т^т = N01.

(10) (11)

По аналогии с комбинированным циклом Карно, удельные расходы теплоты ВП на получение работы и теплоты НП на мини-ТЭЦ с любым типом теплового двигателя составят:

% = 1 Лк = й/(N + ех0 );

Чт =(1 -Лд/ Лк У(1 -Лд ) =

ех02

N + ех02

1 -

N

\

а.

=ЛнЧр;

Лн = ех^/ 02 =1 - 2То/(Тв + То).

(12)

(13)

(14)

Для примера вычислим показатели тепловой эффективности дизельной мини-ТЭЦ по ее паспортным данным: электрическая мощность N = 2 МВт, тепловая мощность бт = 2,25 МВт, КПД по выработке электроэнергии и теплоты Пэ = 0,40 и Пт = 0,45, температура выхлопных газов Тв = 700 К.

1. Потребление теплоты ВП

б = ^/Пэ = бт/Пт = 2/0,4 = 5 МВт.

2. Термический КПД «нижнего» цикла

Л = 1 - 2Т0/(Тв + Т0 ) = 1 - 2 • 300/ (700 + 300) = 0,4.

3. Эксергия теплоты выхлопных газов двигателя

ех0 = 0 Л = 2,25 • 0,4 = 0,9 МВт.

а

Б

4. Удельный расход теплоты ВП на получение работы

Чр = й/(N + ех02 ) = 5 (2 + 0,9) = 1,724.

5. Удельный расход теплоты ВП на получение теплоты НП

9т = дрЦн = 1,724 • 0,4 = 0,689.

6. Удельный расход условного топлива на выработку электрической энергии

Ьэ = 0,123 9р = 0,123 • 1,724 = 0,212 кг/(кВгч).

7. Удельный расход условного топлива на выработку теплоты

Ьт = 143 Ч = 143 • 0,689 = 98,5 кг у. т./Гкал или 24 кг у. т./ГДж.

Вычисленные по «физическому» методу удельные расходы условного топлива для рассмотренной дизельной мини-ТЭЦ составляют: Ьэ = = 0,140 кг у. т./(кВт-ч) и Ьт = 168 кг у. т./Гкал = 40 кг у. т./ГДж. Они искажают реальные результаты преобразования энергии в комбинированных установках на -29 % и +61 % соответственно, а потому не пригодны для анализа тепловой эффективности или практического применения.

В Ы В О Д Ы

1. Термодинамические показатели комбинированной установки отражают физические закономерности превращения энергии топлива в теплоту и работу, а потому являются объективными критериями ее тепловой эффективности.

2. Предложенный термодинамический метод определения показателей универсален и применим к любым установкам с комбинированной выработкой.

3. Методика расчета удельных расходов топлива на ТЭЦ является, по существу, эксергетической, однако предельно проста и не требует специальных навыков для ее применения.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. П и и р, А. Э. Эффективность выработки тепла и электроэнергии на ТЭЦ / А. Э. Пи-ир, В. Б. Кунтыш // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). -1976. - № 12. - С. 127-131.

2. П и и р, А. Э. Термодинамические основы трансформации теплоты на ТЭЦ /

A. Э. Пиир, В. Б. Кунтыш // Энергетика. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2003. - № 1. - С. 65-73.

3. П и и р, А. Э. Определение показателей тепловой и экономической эффективности ТЭЦ без разделения расхода топлива и оборудования по видам продукции / А. Э. Пиир,

B. Б. Кунтыш // Теплоэнергетика. - 2006. - № 5. - С. 66-70.

4. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Оценка эффективности когенерационной установки с позиций адекватных показателей мини-ТЭЦ / Б. А. Байрашевский, Н. П. Борушко, М. И. Ша-вельзон // Энергия и менеджмент. - 2005. - № 4. - С. 14-17.

5. Г о х ш т е й н, Д. П. Современные методы термодинамического анализа энергетических установок / Д. П. Гохштейн. - М.: Энергия, 1964. - 368 с.

6. Г л а д у н ц о в, А. И. По поводу энергетического обеспечения действующего способа распределения топлива на ТЭЦ / А. И. Гладунцов, Ю. В. Пустовалов // Теплоэнергетика. - 1989. - № 2. - С. 52-53.

7. В у к а л о в и ч, М. П. Техническая термодинамика / М. П. Вукалович, И. И. Новиков. - М.: Машиностроение, 1972. - 670 с.

Представлена кафедрой энергосбережения, гидравлики

и теплотехники БГТУ Поступила 03.09.2012