CC BY
6
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
о возможных путях сохранения высоких к.п.д. кэс
при дешевом топливе
Всякий шаг к увеличению экономического к. п. д. КЭС приходится рассматривать с точки зрения дополнительных капиталовложении, причем эти новые дополнительные вложения дают возможность реализации все меньшего относительного повышения к. п. д. установки. В пределе это соответствует максимальному к. и. д, равному единице, реализация которого требует бесконечно больших средств. Понятно, что при полном отсутствии вложения средств в основные фонды, т. е. когда КЭС фактически отсутствует, к. п. д. будет, конечно, равным нулю. Если обозначить через Кк отчисления в рублях на амортизацию и текущий ремонт (капитализационный фактор), то схематически зависимость Кк=/(цк) можно изобразить в виде кривой па рис. 1, которую позволительно принять за гиперболу вида
Том 119
1963 г.
И. Н. БУТАКОВ
С г:
(1)
Рис. 1.
При /(т|к) = со к. п. д. цк — 1,05 т. е. асимптота, как на рис. 1. При - со вторую асимптоту определяем из условия Сх- С^/^ы) ^: О, 16
ад. .. |
Т.1» I М> £
т. е. Если -/1К = 0, то и = 0, как на рис. 1. Если
такова общая зависимость между к. и. д. г\к и кагтитализациониым фактором Ак, то для определения конкретного значения к. п. д. применительно к данным местным факторам, влияющим на надо исходить из условия получения минимального значения себестоимости квтч, которая может быть изображена так:
5 ^ 5К 5тоил И - (2)
где ¿>к — капитализационное слагаемое, 5ТОнл - • топливная составляющая, а — остальные слагаемые (зарплата персонала, прочие расходы). Выражение (2) можно представить в ином виде
__ ^ 1\(Ък) ) /?топл -860
8760-/• ИЛ^э т|к. Юв
/) (*'|к) , ^?топл
8760 •/•ИЛ'э 1160 • Т(К
(3)
Здесь ЯЮпл-—цена в рублях одной мккал в топливе; коэффициент загрузки станции / = ^^х ; — установленная мощность КЭС
в квт% а ^Л^ —рабочая мощность. Минимум себестоимости квтч получаем из
¿в = //(%)___#гопл _ 0
й(у\к) " 8760 -/- 1160(т)к)у
откуда
//Ы'Ы2 - 7,55-ЕЛ^-/-Я™, - (4)
Из' (1) определяем значение
/,Ы <:ч 1 1 ) = • —(о)
и первую производную
С, 1
//(V) =
С2 (1-7^)2
после чего выражение (4) преобразуется
/¡'('¡к)-V = ^ • —V ' ^ = 7,55-2^, •/•#„,„., . (6)
Отсюда получаем
1/Чк = 1 + I/ % • ттчг™—П5- • (7)
V С2 7Д>-ыУэ-у -Ктопл
При выбранной величине общей мощности КЭС и ее отдельных турбогенераторов с известными их начальными и конечными параметрами пара определяется и к. п. д. Известна также при этом стоимость мккал /?т0»л в топливе и задг.н коэффициент загрузки /. Тогда из (6) находим значение второй асимптоты
2. Зак. 4179.
г;, /■ i
/
7/ю-^К,-f(К)
Из (8) видно, что положение вертикальной асимптоты -1- гиперболы (1)
Go
с\;щественно зависит от А-юш, так что при дешевом топливе ——
С 2
будет заметно приближаться к оси ординат и. следовательно, гипербола (1) будет более круто подниматься к асимптоте % = 1,0, и, таким образом, значение Кк - f\{'(¡¡<) при известной величине % будет относительно малым, а значит, и допустимые капиталовложения могут оказаться недостаточными для возможности сооружения КЭС с высоким к. п. д. Известно, например, что при употреблении в качестве топлива природного газа стоимость КЭС удешевляется на 20—30 % из-за отсутствия на ТЭС обычного для угля топливного хозяйства. Удельная же стоимость сооружении КЭС, поданным Т311, 850 руб\квт для более высокосортных углей при агрегатах 200 мет и ----- 1200мет при параметрах пара 130 ama, 565 /565 С, так что при природном газе 850-0,75 — 640руб!квт '). Тогда допустимая удельная стоимость КЭС
откуда
I)— 7,55'/-/?тон.1 ( 1 ОЛЗ^Лч ~~ 0,13 Ь,к
, 640.0,13-7
_ i
j = 640, (9)
7,55-0,8-25
4,83
и, следовательно, — 0,207. Здесь приняты отчисления на амортизацию оборудования 10 % и на текущий ремонт 3 т. е. по совокупности 0,13. Отсюда видно, что при стоимости 1 т у. т. 25 руб. к- п. д. КЭС на природном газе не превышает к. п. д. КЭС среднего давления (30—35 ата). Еще хуже положение окажется при использовании дешевых углей бесшахтной добычи, когда, например, при Ирша-Бородинском разрезе Красноярского края стоимость тонны условного топлива не будет превышать 10—15 руб., а топливное хозяйство КЭС здесь будет более крупным, чем при высокосортных углях, так что удельную стоимость капиталовложений можно ожидать при этом даже выше, чем 850 руб\квт.
Столь значительное снижение к. п. д. обозначает увеличение удельного расхода условного топлива, что дает основание предполагать необходимость повышения температуры отходящих газов котельных агрегатов, порчу вакуума в турбинах, отказ от сверхвысоких параметров пара, от вторичного перегрева пара и т. д. Несомненно, ьто было бы регрессивной эволюцией в развитии теплосиловых установок. Туг должны быть найдены выходы, гармонирующие с достижениями передовой теплотехнической науки и техники.
Одним из таких выходов может быть удешевление оборудования, новая его конструкция, примерами чего в прошлом являлись водяные и воздушные экономайзеры, давшие более дешевые удельные поверхности нагрева, чем котельные. Этим обеспечивалась возможность сниже-
j) Удельные стоимости сооружения КЭС и цены 1 т v. т. дамы и денежных дтках до 1961 г.
ния температуры отходящих газов. Сюда же надо отнести отказ от многобарабанных котлов, внедрение экранов, создание прямоточных котлов и т. д. Никто не может утверждать, что творчество в направлении удешевления агрегатов исчерпалось. Несомненно, также большое значение имеет здесь и удешевление технологии изготовления агрегатов, их монтажа и строительства КЭС, а также работа металловедов и металлургов по удешевлению сортов металлов и в первую очередь изыскание новых путей для получения дешевых и более качественных сталей, а также изыскание химиками совершенно новых материалов типа полимеров. Таким путем мы подойдем к уменьшению капи-тализационного фактора Кк, размер которого определяется из гиперболы зависимости к. п. д. V от Кк, изображенной на рис. 1 настоящей статьи. Асимптота С1/С2 этой гиперболы окажется ближе от начала координат, если мы захотим сохранить к. п. д. 7/к таким, как при более дорогом топливе. Это же обусловит более энергичный подъем гиперболы и меньшее значение Кк, а значит, и меньшие допустимые капиталовложения. Итак, первый путь сохранения высоких к. п. д. 7|К лежит в творчестве по созданию новых более дешевых агрегатов, в удешевлении сооружения КЭС.
Можно говорить и о втором пути, способном вести к той же цели. Путь этот- использование тепловых отходов электростанций. С применением дешевого топлива, как указано выше, должна повышаться температура отходящих газов котельных агрегатов. Естественным надо считать при этом установку, например, утилизационных экономайзеров низкого давления для целей теплофикации и особенно аг-готеплофикации, обеспечивающей возможность использования тепла таких экономайзеров даже летом для обогрева открытого грунта, чтобы выращивать теплолюбивые растения Гдыни, арбузы, помидоры п др.)". Точно также при менее глубоких вакуумах (0,05—0,07 а та) может оказаться целесообразной в условиях нашего сурового климата, когда в течение 7—8 месяцев в году вода в водоемах держится при температуре 0—2°С, утилизация тепла отработавшей в главных турбинах циркуляционной воды в вакуумных турбинах, работающих по принципу Клода и Бушеро.
Понятно, что те или иные утилизационные установки должны быть оправданы экономически, условиями их собственной работы, исходя из того, что все потери тепла их остаются на счете главных агрегатов. Утилизационные же установки имеют на своем счете лишь ту часть тепла, которая ими действительно использована.
Утилизационные установки на отходящих газах котельных агрегатов получили у нас некоторое применение на практике и освещены в ряде напечатанных работ, например, статьи В. А. Комиссарова по экономайзерам низкого давления в журнале "Электрические станции", работы Д. А. Ермакова и Н. С. Васильева по котлам-утилизаторам на Каширской ГРЭС (Опыт эксплуатации Каширской ГРЭС, 3956, стр. 37 - 42). Хотя эти утилизационные установки трактовались вне связи с новым явлением—дешевизной в ряде случаев топлива, когда экономическое их обоснование будет выглядеть несколько иначе, тем не менее эти работы дают хороший материал для решения и последней задачи. Утилизационным же установкам по использованию тепла
-) При мощных КЭС крупные овощные комбинаты (20 100 га) должны находиться в ведении особых совхозов, нредназначаясь для обслуживания соседних городов и населенных мест свежими овощами круглый год. За счет этих совхозов и следует отнести как стоимость сооружения, так и расходы по эксплуатации экономайзеров низкого давления.
циркуляционной воды у нас уделялось внимания мало, если не считать статью проф. И. Н. Бутакова в „Известиях Томского политек-нического института", т. 63, 1944.
При вакууме в главных турбинах 0,05 ата дар суровой на-
шей природы (1°—2°) в водоемах для крупных КЭС порядка 1.2 млн кет дает возможность иметь мощность утилизационной установки, определяемую из следующих соображений. Примем удельный расхол пара мощных турбогенераторов в 200 мет при вакууме 0,035 ата и температуре охлаждающей воды 10°С порядка 2,8 кг\квтч. Применение дешевых сортов топлива вынуждает портить вакуум до 0,05
-0,06 ата, что обусловит или увеличение удельного расхода пара, или при сохранении части высокого давления турбин неизменной поведет к уменьшению мощности главных турбин при прежнем общем расходе пара. В последнем случае при кратности охлаждения 60, температуре охлаждающей волы 15°С, считая, что в конденсаторы будет попадать лишь 70 % от общего расхода пара, получим секундный расход воды, проходящий через конденсаторы главных турбин, ирг шести турбогенераторах
6-200-Ю3-2,8-60-0,7 ооппл -1- =39000 литров!сек.
3600
Используя формулу Шамбадаля [I], получим при трехступенчатом испарении при 7"0—Г2 — 25°—7°=18°С максимальную работу ъккал на один литр воды, нагретой в конденсаторах главных турбин,
- 181:867* = 0,425 ккал
0,877+3 1 л. воды '
так что мощность брутто утилизационной установки
39000 - 0,425 -427-0,6 .,
N брутто —- -- 41500 кет.
75-1,36
Полагая, что на собственные нужды этой установки (подача охлаждающей воды в смешивающий конденсатор, экстракция воздуха из последнего) будет затрачиваться около 30 % от мощности брутто, можно ожидать получить мощности нетто порядка 29000 кет, которые и надо обратить на удовлетворение собственных нужд основных агрегатов КЭС с расчетом покрыть около 1/3 их потребности в электроэнергии. Благодаря этому выдача электроэнергии в сеть главных турбогенераторов КЭС увеличится на эту величину.
Считая далее, что себестоимость киловатт-часа на крупной КЭС при дешевом топливе (25 руб. т у. т.), вакууме 0,05 ama будет порядка 2,1коп., найдем, что утилизационная установка при такой себестоимости киловатт-часа способна за год дать
2,1-29000-5000 0 1ПГ л —-=3,05-10° руб.
100
Как указано выше, на счет утилизационной установки следует отнести лишь тепло в топливе, которое она употребляет полезно. Общая стоимость последнего, следовательно,
29000-860-5000-25
~ 70и0- 1000 "0.445-10' руб/год,
т. е. на 1 квтч 0,31 кон. Прочие расходы для КЭС 130 ama, 5657565 С fia газе с 6 агрегатами по 200 мет составляют 0,15 коп) квтч, [2]. Так как утилизационная установка не имеет котельной с ее топливным хозяйством и, кроме того, у ней будет общая с машинным залом техническая администрация, то прочие расходы для нее можно оценить 0,1 кои/квтч, так что годовой расход по статье „Прочие расходыü составит 0,1 -29000*5000 — 0,145- 10е руб. На амортизацию, таким образом, остается 0,305• 10° - (0,445 + 0,145- 10a) - 2,46-106 руб., что дает возможность, исходя из десятилетней окупаемости, капитализировать сумму 24,6- 10е руб., и, следовательно, на один отпущенный квт утилизационной установки приходится
24,6-10ti/29'103 - 850 руб.
Это отвечает, как мы видели выше в настоящей статье, допустимой стоимости установленного квт на крупных КЭС, что надо считать достаточным, имея в виду отсутствие здесь котельной со всем топливным хозяйством ее. Произведенные в 1939 г. во Франции экономические расчеты для описанной ниже установки в Абиджане показали, что при полезной мощности установки 7000 квт стоимость самой установки, включая здание, определилась в 28,5-10G франков, т. е. 28,5-10^:7000^4220 франков//шя. Стоимость же установленного квт па КЭС составляла тогда во Франции j3J до 4000 франков ¡квт, т. е. и по этим данным получается тот же результат, как и выше.
Общеизвестны трудности конструирования последних ступеней сверхмощных турбин при глубоких вакуумах. Для борьбы с этими трудностями намечаются три пути, а именно: 1) увеличение числа выхлопов пара при ограниченной длине последних лопаток; 2) максимально возможное увеличение длины этих лопаток; 3) выполнение турбинных агрегатов в виде двухвальных с частью низкого давления, работающей на пониженном числе оборотов. Все эти пути удорожают сооружение турбоагрегатов. При наличии утилизационной установки все эти трудности отпадают. В турбинах сохраняется привычный вакуум 0,05 ama, а тепло отработавшей циркуляционной воды при температуре 25° С, если при входе в конденсаторы она имела 15° С, используется в утилизационной вакуумной турбине. Температура 15—18е С характерна для большинства рек нашей страны в период лишь летних месяцев, а также как среднегодовая в южной полосе СССР. В последнем случае иадобности в утилизационной установке нет, так как в летние месяцы, когда вода из водоемов должна непосредственно подаваться в конденсаторы главных турбин. Дополнительных выгод от применения вакуумных турбин, кроме того, ожидать надо из-за ослабления возможности переохлаждения конденсата в конденсаторах главных турбин, а также из-за уменьшения расхода пара на эжекторы их вследствие дегазации циркуляционной воды в утилизационной установке. Последнее должно уменьшить попадание воздуха через неплотности конденсаторов главных турбин. Если пойти на химочист-ку добавки для возмещения испарившейся части циркуляционной воды в утилизационной установке, то удастся сократить количество промывок и чисток конденсаторов главных турбин. Все это вместе должно обеспечить некоторую экономию топлива.
Наконец, так как утилизационная установка некоторую часть расхода топлива берет на себя, удельный расход топлива на самой КЭС на эту долю снижается, что удешевит себестоимость квтч. Себестоимость удешевится также из-за переноса части расхода электроэнергии на собственные нужды КЭС на утилизационную установку.
/
Возможность выдачи в сеть дополнительных 28000 китч тоже будет влиять на снижение себестоимости киловатт-часа. Кроме того, надо ожидать уменьшения расхода электроэнергии на перекачку циркуляционной воды главных турбин, так как уменьшенными окажутся нередко напор из-за уменьшения высоты и дальности ее подачи, а также и кратности охлаждения из-за менее глубокого вакуума в конденсаторах главных турбин.
Во французском проекте установки 7000 кет были выполнены расчеты удельных расходов главных потребных материалов в граммах на один годовой квтч по сравнению с гидростанциями, причем оказалось[4|:
Мл те риалы
I Установка | Гидростап-I 7000 кет !
НИИ
Цемент | 40 ! 110-220
Металлы желе.чипые 1 50 40--Ы)
.Металлы не железные 1 О,Г) 0,Г> 0,Х
Отсюда видно, что удельный расход главных материалов для установки 7000 квш оказался не выше, чем для гидростанций.
Сравнение но удельному расходу главных материалов было сделано с гидростанциями, так как компоновка вакуумной установки дли Абиджана напоминала как бы гидростанцию. На рис. 2 дана в разрезе установка в Абиджане. На рис. 2 надписями показаны отдельные части установки и направление движения теплой и холодной воды, пара из испарителя в смешивающий конденсатор, а также места фракционного удаления воздуха. Как видно из рис. 2, испарение теплой воды предусмотрено трехкратное. Слив неиспарившейся воды направляется в конденсатор главных турбин в качестве циркуляционной воды при температуре 15° С. Выгоды расположения, как на рис. следующие:
Хед
пасза
Рнс. 2.
1) упрощение пути пара, в результате чего сведены к- минимумх потери; 2) группировка и одном вместилище всех устройств, находящихся под вакуумом, что позволяет уменьшить трудности создания необходимого уплотнения; 3) удобное расположение по высоте испарителя и конденсатора. Внешний кожух установки железобетонный.
22
с покрытием снаружи для плотности особой смесью на базе гудрона, каучука и синтетической резины. Железный кожух был отвергнут, как менее экономичный и представляющий серьезное неудобство при вер тикальном расположении оси турбины из-за имеющихся вибраций. Отработавшая охлаждающая вода, нагревшаяся до V С после конденсации отработавшего пара вакуумной турбины, собирается внизу смешивающего конденсатора, откуда она спускается во внешний водоем самотеком, если конец спускной трубы разместить под уровень воды водоема, обеспечив тут действие сифона. Но вода эта, как деаэрированная, может быть с пользой направлена на соседние предприятия. Использование деаэрированной воды устраняет коррозию труб в водоводах, которая снижает пропускную способность последних, повышает расход энергии на перекачку, а также ведет к преждевременному ремонту водяной сети, связанному с трудными земляными работами. Во избежание этого в американской практике деаэрация холодной воды перед подачей ее в водопроводную сеть нашла применение и дала положительные результаты, несмотря на дополнительные затраты, связанные с сооружением специальных деаэ-рационных установок для этой цели [6]. Если это обстоятельство учесть при реализации утилизационных установок, то на счет предприятий, использующих сбросную воду конденсаторов, может быть отнесена часть денежных расходов на насосы и по сооружению напорного водовода охлаждающей воды для смешивающей конденсации пара после утилизационной установки, а также сюда же налает расход на сооружение сбросного водовода. Стоимость же насосов, забирающих деаэрированную воду после конденсаторов, должна быть, конечно, полностью отнесена на счет предприятий, ее утилизирующих.
Из всего сказанного о вакуумных утилизационных установках следует:
1) утилизационная установка типа Абиджана действительно может использовать часть тепла отработавшей циркуляционной волы главных турбин КЭС;
2) такая утилизация тепла дает возможность:
а) компенсировать в некоторой части тепловые потери от порчи вакуума в случае применения дешевых сортов топлива; б) сократить расход электроэнергии на собственные нужды главных агрегатов КЭС, высвободив тем дополнительную часть электроэнергии для внешних потребителей; в) уменьшить несколько удельный расход топлива и денежные расходы по топливной составляющей себестоимости квтч на КЭС; г) улучшить работу конденсаторов главных турбин; д) устранить обезличку в хвостовой части мощных турбин, проектируемых на внедрение глубоких вакуумов независимо от стоимости топлива и климатических условий с применением нескольких выхлопов отработавшего пара и двухвальных турбин с разным числом оборотов:
е) обеспечить водоснабжение соседних предприятий деаэрированно1к водой из смешивающих конденсаторов вакуумных утилизационных установок с устранением интенсивной коррозии труб водопроводов:
ж) иметь утилизационную установку при удельной стоимости квт не выше стоимости установленного квт на КЭС.
Указанные выше утилизационные установки в виде ЭНД и в виде вакуумных турбин для использования более нагретой отработавшей циркуляционной воды главных турбин при менее глубоких ва-куумах могут при дешевом топливе и не сооружаться, если неоправ-дываемые экономические расходы на хвостовые поверхности котлов и на получение глубокого вакуума компенсировать увеличением мощности электростанций. Это видно из формулы (7), из которой ясно, что при низких значениях/?топл соответственное увеличение может сохранить 7]к таким же. как при дорогом топливе и меньшей мощности ЕЛ'"-..
