Порівняння загальної витрати палива на ТЕЦ з витратою палива при роздільному постачанні споживачів теплотою і електроенергією

ЗМІСТ Вступ

1. Теплофікаційний цикл ТЕЦ

1.1 Опис принципової схеми циклу ТЕЦ

1.2 Визначення характеристик стану робочого тіла

1.3 Енергетичний аналіз циклу

2 Установка ТЕЦ

2.1 Опис принципової схеми

2.2 Енергобаланс установки ТЕЦ

3 Роздільне виробництво електроенергії і теплоти

3.1 Витрати палива при виробленні електроенергії на КЕС

3.2 Витрата палива при виробленні теплоти в районній котельній

3.3 Економія палива на ТЕЦ в порівнянні з роздільним виробленням електроенергії і теплоти Висновок Список використаної літератури

Вступ В даній роботі описується принцип роботи теплової електростанції (ТЕЦ). Проводиться розрахунок витрати палива на даній ТЕЦ із заданими параметрами, а саме: електричною потужністю, параметрами пари, витрати пари у відборах. Розраховується теплове навантаження ТЕЦ.

Метою роботи є зробити розрахунки та порівняти загальну витрату палива на ТЕЦ з витратою палива при роздільному постачанні споживачів теплотою і електроенергією. У випадку роздільного теплопостачання приймається, що теплова електростанція (КЕС) працює по циклу Ренкіна при тих же значеннях тисків, температури, ККД та електричної потужності, що і ТЕЦ, а теплове навантаження покривається станцією теплопостачання (котельною), ККД котлів якої рівний ТЕЦ.

Різниця між витратами палива при виробленні теплоти і електроенергії на ТЕЦ, та при роздільному їх виробленні, подана в кілограмах за секунду, та в процентах.

Умова розрахункового завдання паливо електроенергія теплота Теплоелектрична станція промислового району з електричною потужністю NЕ=500 МВт, обладнана паровою турбіною з двома відборами пари для теплопостачання. Параметри пари: тиск перед турбіною Р1=24 МПа; температура пари перед турбіною t1=560 oC; тиск пари після турбіни Р2=0,004 МПа; тиск пари в першому відборі Р01 =0,2 МПа; тиск пари в другому відборі Р02=0,06 МПа. Витрати пари у відборах: в першому відборі D01=645 т/год; в другому відборі D02=645 т/год.

Визначити теплове навантаження ТЕЦ, загальну витрату палива і порівняти його з витратою палива при роздільному постачанні споживачів теплотою і електроенергією. У випадку роздільного теплопостачання прийняти, що теплова електростанція (КЕС) працює по циклу Ренкіна при тих же значеннях Р1, t1, Р2, зПГ, зoi, зЕМ, NЕ, що і ТЕЦ, а теплове навантаження покривається станцією теплопостачання (котельною), ККД котлів якої зРК рівний зПГ ТЕЦ.

При проведенні розрахунків прийняти зПГ=зРК = 0,92; зoi = 0,85; зЕМ = 0,98; QpН = 33МДж/кг. Втратами в трубопроводах і роботою на привід живильних насосів знехтувати.

1. Теплофікаційний цикл ТЕЦ

1.1 Опис принципової схеми циклу ТЕЦ Частина теплоти, отриманої в результаті згорання палива, передається робочому тілу в парогенераторі (рис. 1.1). Перегріта пара, що утворюється в парогенераторі, поступає в турбіну, де відбувається її відбір: два теплофікаційних і один конденсаційний. Перший і другий відібрані потоки пари поступають тепловим споживачам (теплопостачання промислового вузла і комунально-побутове теплопостачання відповідно), які будемо вважати теплообмінниками поверхневого типу і в яких пар віддає теплоту і конденсується. В результаті розширення пари лопаткам турбіни передається механічна потужність Ni. Завдяки конденсаційному відбору можливо незалежне регулювання QT1, QT2, Ni шляхом зміни витрат D2, DO1, DO2 за допомогою автоматичних регуляторів. Конденсаційний відбір у вигляді вологої насиченої пари поступає в конденсатор, де в результаті відводу теплоти перетворюється в насичену рідину. Конденсат, що поступає від теплових споживачів та з конденсатора, передається в збірник конденсату — теплообмінник змішуючого типу. Живильна вода, що отримується в збірнику, подається в парогенератор.

Рис. 1.1. Принципова схема ТЕЦ

Елементи установки: ПГ — парогенератор, теплообмінник поверхневого типу;

Т — турбіна; О1 — перший теплофікаційний відбір пари (вузол теплопостачання промислового споживача); О2 — другий теплофікаційний відбір пари

(для комунально-побутового теплопостачання); 2−3 — конденсаційний потік пари;

К — конденсатор; ЗК — збірник конденсату

1.2 Визначення характеристик стану робочого тіла Зображення циклу ТЕЦ в h-s і T-s діаграмах води і водяної пари представлено на рис. 1.2 і рис. 1.3.

В даній курсовій роботі параметри робочого тіла визначаються за допомогою h-s діаграми водяної пари і по таблицях теплофізичних властивостей води і водяної пари, виходячи з умови, що процес в усіх теплообмінниках схеми ізобарний, а в турбіні - адіабатний незворотній.

По відомим параметрам точки 1 (P1, t1), тиск пари, що відбирається P01, P02, P2 в h-s діаграмі знаходимо теоретичні термодинамічні параметри в точках О1t, О2t, 2t. Параметри насиченої рідини в точках О1/, О2/ і 3 визначаємо по таблиці теплофізичних властивостей води і водяної пари виходячи з відповідних значень тиску P01, P02, P2.

Представлені на рис. 1.2 і рис. 1.3 парові цикли складаються тільки з внутрішніх зворотних процесів і їх називають ідеальними. В реальних, дійсних умовах їх здійснення всі процеси циклу є не тільки зовнішньо, але і внутрішньо незворотніми. Особливо різко позначається наявність втрат в живильному насосі, втрат на тертя і втрат від вологості в паровій турбіні. Все це призводить до росту ентропії і відхилення вправо адіабатних процесів стиснення і розширення (рис. 1.4).

Як видно з рисунка, при заданих впливах пари в точці 1 і конденсату в точці 3 в результаті вказаних втрат ентропія відпрацьованої пари збільшується на ДSТ, а ентропія води на виході мережі з насоса зростає на ДSН.

Згідно з умовою задачі робота насоса рівна нулю через її невелике значення в порівнянні з роботою турбіни. Тому визначимо істинні значення температур і живильних ентальпій тільки відібраної і відпрацьованої пари на виході турбіни.

Рис. 1.4. Реальний цикл Ренкіна, що враховує втрати в турбіні і насосі

З точки 1 — точки стану перегрітої пари (рис. 1.5) опускаємо ізоентропу (лінію S1=S2=const) до перетину з ізобарою Р2=const. Проекція точки 2 на вісь ординат дає теоретичне значення ентальпії h2t.

Рис. 1.5. До визначення дійсних ентальпій По формулі визначимо істинне значення ентальпії. Від точки 2 вертикально вверх відкладаємо відрізок величиною, що дорівнює. Через знайдену точку проводимо горизонтальну лінію (ізоентальпу h2i=const) до перетину з ізобарою Р2=const. Для знайденої точки визначаємо значення істинної температури t2i.

Істинні значення живильних ентальпій в точках О1i, О2i, 2i визначаються по формулах, що наведені нижче, з врахуванням внутрішніх незворотніх процесів в турбіні:

а), звідси

;

б), звідси

;

в), звідси

.

Значення знайдених параметрів робочого тіла в характерних точках циклу ТЕЦ представлені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Параметри робочого тіла в циклі ТЕЦ

1.3 Енергетичний аналіз циклу

1.3.1 Енергобаланс циклу На рис. 1.6 показана схема енергобалансу циклу ТЕЦ. Відповідно до цієї схеми рівняння енергобалансу має вигляд:

де QПГ — теплова потужність парогенератора; Ni — абсолютна внутрішня потужність турбіни; QT1 — теплова потужність промислового споживача;

QT2 — теплова потужність, що виробляється для побутового теплопостачання; QK — теплова потужність конденсатора.

Рис. 8.6. Енергобаланс теплофікаційного циклу Складемо енергобаланс основних складових циклу ТЕЦ.

1.3.2 Промисловий споживач Рис. 1.7. Перший теплофікаційний потік пари

Теплова потужність промислового вузла:

де — масова витрата пари, що направлена до промислового споживача.

1.3.3 Комунально-побутовий споживач Рис. 1.8 Другий теплофікаційний потік пари Теплова потужність, що виробляється для комунально-побутового споживача:

де — масова витрата пари, що направлена до комунально-побутового споживача.

Сумарна теплова потужність що витрачається на теплопостачання:

.

1.3.4 Адіабатна турбіна Адіабатна турбіна призначена для отримання корисної механічної роботи. В даній схемі циклу в турбіні здійснюється три відбори пари, тобто абсолютна потужність турбіни є сумою потужностей кожного з відборів пари.

Абсолютна внутрішня потужність турбіни:

.

Рис. 1.9. Турбіна Абсолютна внутрішня потужність турбіни Ni менше потужності, що відповідає випадку ізоентропного розширення внаслідок втрат роботи на тертя пари всередині адіабатної турбіни.

Для теплофікаційного і конденсаційного потоків пари застосуємо 1-й закон термодинаміки, відповідно до якого питома технічна робота (робота валу) будь-якої адіабатної машини визначається різницею ентальпій.

Абсолютна потужність, що генерується за рахунок пари, що поступає в перший теплофікаційний відбір:

або

.

Абсолютна потужність, що генерується за рахунок пари, що поступає в другий теплофікаційний відбір:

або

.

Абсолютна потужність, що генерується конденсаційним потоком пари з рівняння енергобалансу турбіни рівна:

.

З рівняння енергобалансу для конденсаційного потоку:

знайдемо масову витрату конденсаційного потоку:

або, звідки:

.

Загальну витрату пари, що поступає в турбіну, знаходимо з рівняння матеріального балансу турбіни:

.

1.3.5 Конденсатор Рис. 1.10. Конденсатор Теплова потужність конденсатора визначається з рівняння енергобалансу для конденсаційного потоку:

.

1.3.6 Збірник конденсату Рис. 1.11. Збірник конденсату З рівняння енергобалансу збірника конденсату знаходимо ентальпію живильної води:

З наближеної формули для ентальпії води:, можна оцінити температуру живильної води:

.

1.3.7 Парогенератор Рис. 1.12. Парогенератор З рівняння енергобалансу парогенератора, знаходимо теплову потужність, що підводиться до робочого тіла в парогенераторі:

.

1.3.8 Аналіз енергобалансу теплофікаційного циклу Відповідно до рис. 1.6 енергобаланс має вигляд:

де частина енергії, що надходить до циклу у вигляді теплоти рівна тепловій потужності парогенератора QПГ=1501МВт, а витратна частина — .

Звідси, нев’язка балансу складає величину:

.

Результати розрахунків зведені в таблицю 1.2.

Таблиця 1.2

Енергетичний баланс теплофікаційного циклу

2. Установка ТЕЦ

2.1 Опис принципової схеми Опис циклічної частини ТЕЦ приведено в п. 1.1. Опис окремих приладів, не вказаних при розгляді циклічної частини приведено нижче.

В парогенераторі теплота від продуктів горіння передається робочому тілу, однак деяка її частина втрачається в зовнішнє середовище у вигляді фізичних втрат QФВ. В турбогенераторі від робочого тіла лопаткам турбіни передається абсолютна внутрішня потужність Ni.

Враховуючи те, що в підшипниках є тертя, на вихідному валу турбіна має ефективну потужність Nеф. В електрогенераторі також втрачається деяка потужність і на виході генерується електрична потужність NЕ. Втрати в турбогенераторі рівні QЕМ.

Рис. 2.1. Принципова схема установки ТЕЦ

2.2 Енергобаланс установки ТЕЦ

2.2.1 Енергобаланс установки ТЕЦ Рис. 2.2. Енергобаланс установки Відповідно до схеми енергобалансу установки ТЕЦ (рис. 2.2), рівняння енергобалансу має вигляд:

де ВТЕЦ — витрата палива, кг/с; QpH — теплота згорання палива, кДж/кг; QT — теплота, що передається зовнішнім споживачам, МВт; Qвтрат — сумарні теплові втрати установки:

;

де QК — теплота, що відводиться в конденсаторі; QЕМ — електромеханічні втрати в електрогенераторі; QФВ — фізичні втрати в парогенераторі.

Знайдемо окремо кожну складову енергобалансу установки ТЕЦ.

2.2.2 Турбогенератор Рис. 2.3. Турбогенератор З рис. 2.3 рівняння енергобалансу турбогенератора має вигляд:

тоді електромеханічні втрати будуть рівні:

.

2.2.3 Парогенератор З рівняння енергобалансу парогенератора витрата палива на ТЕЦ рівна:

Рис. 2.4. Парогенератор

.

Фізичні втрати теплоти в парогенераторі:

.

2.2.4 Аналіз енергобалансу ТЕЦ Як було показано в пункті 2.2.1 рівняння енергобалансу має вигляд:

де частина енергії, що надходить у вигляді теплоти рівна:

а витратна:

Звідси, нев’язка енергетичного балансу установки ТЕЦ складає:

Результати розрахунків зведено в таблицю 2.1.

Таблиця 2.1

Енергетичний баланс установки ТЕЦ

Енергобаланс циклу ТЕЦ у вигляді смугового графіка приведено на рис. 2.5.

Рис. 2.5 Діаграма енергобалансу ТЕЦ

3. Роздільне виробництво електроенергії і теплоти

3.1 Витрати палива при виробленні електроенергії на КЕС На КЕС виробляється тільки електроенергія (в турбіні відсутні теплофікаційні відбори).

В даній курсовій роботі розглядається КЕС, що працює по циклу Ренкіна. Принципова схема КЕС представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Принципова схема установки КЕС.

Елементи установки: ПГ — парогенератор, теплообмінник поверхневого типу; К — конденсатор; Т — турбіна.

Теплота, що отримана в результаті згорання палива, передається робочому тілу в парогенераторі. В результаті адіабатного розширення робочого тіла, лопаткам передається механічна робота Ni. Потім пара поступає в конденсатор, де, конденсуючись, віддає теплоту QK в зовнішнє середовище. На виході з конденсатора виходить насичена рідина, яка насосом перекачується в парогенератор.

Зображення циклу КЕС в T-s і h-s діаграмах води і водяної пари вказані на рис. 1.2 і рис. 1.3 відповідно.

Параметри робочого тіла приведені в табл. 2.1.

3.1.1 Енергобаланс циклу КЕС З рис. 3.2, рівняння енергобалансу реального циклу КЕС має вигляд:

де — абсолютна потужність турбіни; QК — теплова потужність, що відводиться в конденсаторі; NН — потужність насоса (за умовою задачі енергією, що витрачається на привід насоса можна знехтувати) NН = 0.

Рис. 3.2. Енергобаланс реального циклу КЕС

3.1.2 Термічний ККД ідеального циклу КЕС

.

3.1.3 Визначення витрати палива на КЕС Абсолютна внутрішня потужність турбіни:

.

З рівняння енергобалансу робочого тіла, що проходить через турбіну, витрата робочого тіла дорівнює:

.

Теплова потужність парогенератора:

.

З рівняння енергобалансу парогенератора, загальні витрати палива на КЕС:

.

Питома витрата палива на КЕС:

.

3.2 Витрата палива при виробленні теплоти в районній котельній Районна котельна виробляє теплоту QT для теплопостачання. Теплота, отримана в результаті згорання палива, передається робочому тілу в котлі районної котельної. Нагріте робоче тіло (вода) по тепловим мережам поступає до теплових споживачів, де в результаті теплообміну охолоджується і за допомогою насоса мережі подається в котел.

Рис. 3.3. Принципова схема районної котельні

Елементи установки: РК — районна котельна; ТМ — теплові мережі; СП — теплові споживачі; Ннасос теплової мережі

В даній роботі нехтуємо тепловими втратами через ізоляцію теплових мереж. З врахуванням цього, енергобаланс районної котельні в стаціонарному режимі має вигляд:

або

З енергобалансу котла загальні витрати палива в районній котельній складають:

.

Питома витрата палива в районній котельні дорівнює:

.

3.3 Економія палива на ТЕЦ в порівнянні з роздільним виробленням електроенергії і теплоти Загальні витрати палива при роздільному виробленні електроенергії і теплоти споживачам складають:

.

Абсолютна економія палива на ТЕЦ в порівнянні з роздільним виробленням електроенергії і теплоти споживачам рівна:

.

Відносна економія палива на ТЕЦ в порівнянні з роздільним виробленням електроенергії і теплоти споживачам складає:

.

ВИСНОВКИ

1. В даній роботі виконані розрахунки двох альтернативних систем енергопостачання: від ТЕЦ з комбінованим виробленням електроенергії і теплоти і роздільної - відповідно від КЕС і районної котельні РК.

2. Встановлено, що при комплексному виробництві електроенергії і теплоти на ТЕЦ досягається економія палива в порівнянні з роздільним виробництвом тієї ж кількості електроенергії і теплоти. Ця економія визначається як різниця між витратою палива, яка була б при виробленні кількостей теплоти () і електроенергії () роздільним способом (на КЕС і в РК) і витратою палива на ТЕЦ:

.

Ця різниця в процентах складає: 25,97%.

3. Доцільність вибору тієї або іншої системи енергопостачання визначається техніко-економічним розрахунком.

Список літератури

1. Буляндра О. Ф. Технічна термодинаміка. — К.: Техніка, 2006. — 320 с.

2. Беляев Н. М. Термодинамика. — К.: Вища школа, 1987. — 344 с.

3. Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е., Техническая термодинамика, М.: Энергоатомиздат, 1983. — 416 с.

4. Андрющенко А. И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. — М.: Высшая школа, 1968. — 288 с.

5. Ривкин С. А., Александров А. А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник. — М.: Энергоатомиздат, — 1984. — 80 с.