УДК 62

МЕТОД РАСЧЕТА УДЕЛЬНЫХ РАСХОДОВ ТОПЛИВА НА РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ЭНЕРГИИ, ОТПУСКАЕМОЙ ТЭЦ

Зайцев Евгений Дмитриевич
место работы не указано
доктор технических наук

Аннотация
Разработан термодинамический метод расчета удельных расходов топлива на вырабатываемую электроэнергию и отпускаемую ТЭЦ теплоту, базирующийся на следствиях, вытекающих из первого и второго закона термодинамики. Предлагаемый метод не содержит никаких эмпирических коэффициентов.

Ключевые слова: теплота, термодинамический метод, топливо, ТЭЦ, удельный расход, электроэнергия


METHOD OF CALCULATION OF FUEL CONSUMPTION FOR DIFFERENT TYPES OF ENERGY WHICH IS ISSUED BY CENTRAL HEAT AND POWER PLANT

Zaytsev Evgeniy Dmitrievich
no company/university

Abstract
Author has developed a thermodynamic method for calculating fuel consumption for electricity generated by central heat and power plant and releases heat, which is based on the consequences of the first and the second law of thermodynamics. The proposed method does not contain any empirical coefficients.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Зайцев Е.Д. Метод расчета удельных расходов топлива на различные виды энергии, отпускаемой ТЭЦ // Современные научные исследования и инновации. 2012. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2012/09/16911 (дата обращения: 02.06.2017).

Научное определение показателей эффективности работы установок для совместного производства электроэнергии и теплоты остается нерешенной задачей до настоящего времени, что затрудняет технико-экономический анализ действующего и проектируемого оборудования. Решение этой задачи актуально для перспективного планирования энергетической стратегии страны, а также для расчета себестоимости производства электроэнергии и теплоты. Показатели эффективности важны для проектирования новых перспективных когенерационных установок, позволяющих так же, как и ТЭЦ, получать наряду с теплотой электроэнергию и таким образом полнее использовать работоспособность (эксергию) рабочего тела.

Коэффициенты эффективности работы ТЭЦ, используемые в настоящее время (термический КПД, КПД по производству электроэнергии, коэффициент использования теплоты топлива, удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении и др.), представляют собой отношение качественно неоднородных величин (работы и теплоты) [1,3,6,7], поэтому не имеют физического обоснования.

В литературе имеются два противоположных направления объяснения физической сущности экономии топлива при теплофикации и множество методик расчета удельных расходов топлива на различные виды энергии, отпускаемой от ТЭЦ, разработанных на их основе. Первое из этих направлений, опирающееся на первое начало термодинамики, объясняет положительный эффект от теплофикации отсутствием или снижением количества теплоты, передаваемой конденсатору [1,2]. Второе направление, базирующееся на расчете эксергии, относит потери преимущественно к топке [4,6,7]. Оба научных подхода к определению коэффициентов эффективности работы ТЭЦ несовершенны. Поэтому разработаны преимущественно с привлечением эмпирических данных методики расчета удельных расходов топлива на различные виды отпускаемой энергии, однако они также не удовлетворяют потребности практики и требуют пересмотра.

Остановимся кратко на характеристике основных методик расчета дифференцированных удельных расходов топлива на ТЭЦ.

Балансовый или физический метод был официальным в энергетике СССР и до 1996 года в России. Расход топлива на производство теплоты, отпускаемой тепловому потребителю, определяется как [1]


где – теплота, отпускаемая из отборов турбины, конденсатора, или острым паром для нужд теплового потребителя.

Расход топлива на производство электроэнергии

где Qэ – расход теплоты на производство электроэнергии, равный разности между теплотой, поданной в турбину Q0,
и суммарной теплотой, отпускаемой тепловым потребителям ∑Qтi;

низшая рабочая теплота сгорания топлива, КПД котельного агрегата.

Qэ = Q0 – ∑Qтi.

Удельный расход топлива на единицу отпущенной электроэнергии вэ и теплоты втi
определяется соответственно как вэ = Вэ/Nот и втi = В тi/∑Qтi ηтi,

где Nот – отпущенная потребителям электроэнергия; ηтi – КПД, учитывающий потери теплоты при передаче теплоты от одного теплоносителя к другому в сетевых подогревателях, бойлерах и т.д.

Несмотря на недостатки балансового метода (вся экономия топлива от теплофикации относится на электроэнергию, не учитывается потенциал пара, отбираемого для нужд тепловых потребителей, и т.д.), этот метод, базирующийся на первом начале термодинамики, может рассматриваться как предельный случай экономии топлива при производстве электроэнергии.

Попытки найти обобщённый критерий для различных форм энергии привела к использованию эксергии при расчете дифференцированных расходов топлива [4]. Эксергетический КПД ТЭЦ предлагается определить по зависимости


,

откуда находят общий расход условного топлива на выработку эксергии


,

где Евых, Евх, ЕQ – соответственно эксергия на выходе и входе в турбоустановку и эксергия теплоты, Nэ- электрическая мощность турбины.

Удельный расход топлива на выработку единицы эксергии -

    ве = Ве/(Nэ +EQ).

Общий расход топлива на вырабатываемую электроэнергию и теплоту:


Вэ = ве Nэ,


Вт = ве EQ.

Удельные расходы топлива на вырабатываемую электроэнергию и теплоту:


веэ = Вэ/Nэ = ве;


вет = Вт/∑Q тi = ве. ЕQ/∑Q тi.

С помощью эксергии можно рассчитать потери в отдельных элементах ПТУ, однако применение этого метода к топке не обосновано физически и логически. Приравнивание в этом методе эксергии рабочего тела в топке теплоте сгорания топлива и одновременно электроэнергии, вырабатываемой ТЭЦ, не доказано. Кроме того, при расчете тепловых потерь с уходящими газами и вследствие необратимости теплообмена между газами и водяным паром не учитывают зависимость эксергии от свойств рабочих тел. Без решения вопроса об эксергии топки применение этого метода является преждевременным, поэтому он не нашел широкого применения на практике. В методе эксергии вся экономия топлива от теплофикации относится к производству теплоты.

Метод пропорционального распределения экономии топлива, разработанный ОАО «Фирма ОРГРЭС», утвержден Минтопэнеро РФ в качестве официального при составлении отчетности по тепловой экономичности работы оборудования ТЭС [5]. Расход топлива на отпущенную электроэнергию теплофикационным блоком по этой методике определяется как

    Вэ = Кэ.В.(Nот/(N-Nэ сн)).

В – расход топлива энергетическим котлом; N, Nот , Nэ сн – расходы электроэнергии выработанной, отпущенной и затраченной на собственные нужды для производства электроэнергии;

Кэ – коэффициент, учитывающий распределение затрат топлива между электроэнергией и теплотой, отпущенной тепловому потребителю, при их раздельном производстве, определяемый по формуле


Кэ = (Qэ + Qт сн + ΔQэ)/ (Qэ + Qт сн + ΔQэ +∑Qтi).

Здесь Qт сн – расход теплоты на собственные нужды турбоагрегата;

ΔQэ - дополнительный расход теплоты на производство электроэнергии за счет отборов с учётом энергетической ценности пара:

ΔQэ = ∑Qтi(1-ξi),

где ξi – коэффициент ценности потоков пара, который определяется как

ξi = [(hi – hk)/(ho –hk)].[1+k(ho – hi)/(ho –hk)]ho, hi, hk – энтальпии острого пара, пара в месте отбора и в конденсаторе.

При наличии промперегрева учитывают прирост энтальпии в промежуточном пароперегревателе hпп.

Эмпирический коэффициент k, учитывающий регенеративный подогрев питательной воды, имеет значения 0,25; 0,30; 0,40; 0,42 для турбин, имеющих давление свежего пара соответственно 35, 90, 130, 240 кгс/см2, т.е. жестко закреплен для каждого вида турбин и при отклонении режимов работы турбин его необходимо пересчитывать.

Расход топлива на производство теплоты – Вт = В – Вэ, удельный расход топлива на отпущенную электроэнергию и теплоту определяют как


вэ = Вэ/Nот; вт = Вт/ ∑Qтi ηтi.

Чтобы определить расходы топлива по каждому виду регулируемого отбора, вначале определяется средний удельный расход топлива на отпущенную теплоту в раздельном производстве


вт р = вт. Кот р(к).

Здесь Кот р(к)
– коэффициент, характеризующий отношение полного расхода топлива при раздельном производстве к расходу топлива при комбинированном

    Кот р(к)= (Qэ + Qт сн + ΔQэ +∑Qтi)/ (Qэ + Qт сн + ∑Qтi).

После этого рассчитывают снижение удельного расхода топлива на отпущенную теплоту за счёт теплофикации


Δвт = вт р – вт.

Затем определяют средний коэффициент ценности пара, идущего на теплофикацию


ξср = ∑(Qтi. ξi)/ ∑Qтi.

Тогда для каждого регулируемого отбора теплоты уменьшение удельного расхода топлива по сравнению с раздельным производством равно

    Δвт i = Δвт . (1- ξi)/(1- ξср),

а действительное значение удельного расхода топлива для каждого потока теплоты будет



вт i = Δвт р – Δвт i.

Недостатки этого метода заключаются в наличии эмпирических коэффициентов, затрудняющих анализ и прогнозирование работы ТЭЦ, тепловые потенциалы отпускаемой потребителю теплоты учитываются частично, отсутствует эквивалентное сопоставление электрической энергии и теплоты.

Метод расчета удельных показателей по недовыработанной электроэнергии заключается в определении недовыработки в результате отвода пара на теплоснабжение или другие цели через отборы или противодавление турбоагрегатов. В этом методе учитывается неэквивалентность продуктов ТЭЦ – электроэнергии и теплоты, путем приведения их к единой форме энергии – электрической.

Для осуществления этого метода на типовой диаграмме режимов или нормативной энергетической характеристики турбоагрегата ПТ находят электрическую выработку Nпт. Затем закрывают регулируемые отборы пара и турбоагрегат переводят в конденсационный режим при сохранении постоянным расхода топлива на котле и расхода пара в голове турбины и по той же диаграмме режимов определяют выработку электроэнергии -Nк. Разность (Nк – Nпт) – это выработка электроэнергии потоками пара, отбираемого на технологические нужды и отопление, если эти потоки пара вместо потребителя будут направлены в проточную часть турбоагрегата. Далее при том же расходе пара в голову турбины закрывают технологический отбор, оставляя как в исходном режиме отбор на отопление, и получают по диаграмме режимов электрическую выработку для данного режима – Nп. При устранении отбора на отопление, при сохранении неизменным отбора на технологические нужды по той же диаграмме режимов имеем – Nт. Тогда разность (Nк - Nп) – выработка электроэнергии, которая могла бы быть совершена паром отопительных отборов, а (Nк - Nт) – выработка электроэнергии паром технологического отбора.

Затраты топлива на отпущенную электроэнергию – Вэ = В(Nпт – Nпт сн)/Nк.

Затраты топлива на отпущенную турбиной теплоту - Вт = В – Вэ.

Затраты топлива на теплоту технологического и отопительного отборов определяются из соотношения


Вт пт то = (Nк- Nт)/ (Nк-NЭп),

при условии, что Вт п + Вт тот.

Удельные расходы топлива рассчитываются обычным образом.

Сложность применения данного способа состоит в необходимости введения эмпирических поправок при отклонении режима работы турбины от параметров, при которых рассчитывалась диаграмма режимов, что снижает точность этого метода и требует дополнительной работы.

К данному методу примыкает балансовый конденсационный метод расчета расхода топлива на электроэнергию и теплоту [7], в котором сводят теплоту, отпущенную потребителям, к электрической энергии, кроме того не учитывают температурный потенциал этой теплоты.

В методе расчета, учитывающем тепловую ценность отборного пара, его теплота приводится к тепловому потенциалу пара на выходе из котла [6]. Это делается с помощью коэффициентов ценности пара, введенных ОАО «Фирма ОРГРЭС». Расход топлива на отпущенную электроэнергию определяют по зависимости

    Вэ = Кэ.В.(Nот/(N-Nэ сн),

где коэффициент пропорциональности Кэ рассчитывают по формуле


Кэ = (Qo – Qт сн – ∑Qтi . ξi)/ (Qо – Qт сн),

или аналогичной формуле, более удобной для составления отчетности электростанций, предложенной ОАО «Фирма ОРГРЭС»,

     Кэ = (Qэ + Qт сн + ΔQэ)/ (Qэ + Qт сн + ∑Qтi).

Расход топлива на отпуск теплоты определят как Вт = В – Вэ.

Удельный расход на отпущенную теплоту из отборов турбины находят по зависимости


вт = Вт/ Qт
где Qт = ∑Qтiηтi,

а удельные расходы топлива – отдельно по каждому отбору как втi = вт р . ξi,

здесь вт р – удельный расход топлива на отпущенную теплоту по раздельному циклу, который определяется по формуле вт р = Вт р/Qт;

Вт р - затраты топлива на производство отпущенной теплоты по раздельному циклу равны Вт р = Qт/ Qнр ηка.

Основная неточность этого метода связана с определением коэффициента ценности теплоты отборного пара.

Таким образом, на практике не используют единую меру качества вырабатываемых ТЭЦ продуктов – электроэнергии и отпускаемой потребителям теплоты, что не дает возможность точно определить дифференцированные расходы на них топлива.

Цель работы – разработка термодинамического метода расчета, позволяющего получить на основе единого эквивалента дифференцированные удельные расходы топлива на производство электроэнергии и теплоты с учетом её потенциала.

Термический коэффициент полезного действия цикла равен ηцt =l/q1, где l= q1 - q2соответственно удельная работа и теплота, подведенная и отведённая в цикле.

Недостаток термического коэффициента полезного действия различных циклов, рассчитываемого по уравнению теплового баланса, состоит в том, что он представляет собой отношение двух различных (неравноценных) величин работы и теплоты.

Для прямого обратимого цикла Карно термический коэффициент полезного действия

    

зависит от отношения одинаковых по физическому смыслу величин – температуры холодного Т2 и горячего Т1 источника. Таким образом, абсолютная температура для этого цикла является величиной, характеризующей как работу, так и теплоту.

Для прямого обратимого цикла Карно можно записать



а в общем виде, пригодном для расчёта циклов с непостоянным расходом и температурой рабочего тела в различных элементах отвода теплоты из цикла, или при рассмотрении отдельных потоков пара на различные элементы отвода теплоты из цикла



где Nк, Q1, Q2 – мощность, тепловая мощность подведённой и отведённой теплоты в цикле, Мτ – массовый расход рабочего тела, Тi Мτi – представляет собой величину, пропорциональную тепловой мощности с учетом температуры и расхода теплоносителя, а – величина, пропорциональная мощности цикла. Таким образом, и в этом случае термический коэффициент полезного действия прямого обратимого цикла Карно зависит от отношения одинаковых по смыслу физических величин Тi Мτi.

Термические коэффициенты полезного действия цикла Ренкина и цикла ПТУ, имеющего вторичный перегрев пара и регенеративный подогрев питательной воды, рассчитанные с использованием средне интегральных температур горячего и холодного источника и по общепринятой в термодинамике методике [3], отличаются на несколько десятых долей процента.

В предлагаемом нами методе реальный цикл ТЭЦ трансформируют в один или несколько обратимых циклов Карно, в которых теплота отводится в конденсаторе, регулируемых и нерегулируемых отборах. Баланс теплоты для каждого цикла Карно делят на соответствующее ему изменение удельной энтропии и получают уравнения вида (ТNiсрМτi)К=(Т1iср Мτi)К – (Т 2iсрМτi)К в которых учтены величины пропорциональные теплоте, затраченной на получение работы, подведённой и отведённой теплоте, температуры подвода и отвода теплоты, расход пара в этом цикле. Уменьшение температуры пара нижнего источника, а значит увеличение доли теплоты, пошедшее на работу (электроэнергию) в действительном цикле, по сравнению с обратимым циклом Карно учитывают делением Q2 на изменение удельной энтропии в действительном цикле. В результате имеют для i цикла
исходное уравнение, в котором учтены внутренние потери (ТNiсрМτi)д=(Т1iср Мτi) – (Т 2iсрМτi)д. На основе этого уравнения определяют расходы (удельные расходы) топлива на электроэнергию, подведённую и отведённую теплоту в i цикле. Суммирование последних уравнений для рассматриваемого цикла ТЭЦ с учётом того, что теплоту, подведенную в частных циклах, построенных на конденсаторе и нерегулируемых отборах, относят только на производство электроэнергии, даёт уравнение для определения дифференцированных удельных расходов топлива для ТЭЦ (ТNiсрМτNср)цд=(Т1ср Мτ0) – ∑ (Т 2iсрМτi)д. Последнее уравнение не содержит эмпирических коэффициентов, а метод расчёта удельных расходов топлива на ТЭЦ является не намного сложнее балансового метода. Распределение экономии топлива, получаемой на ТЭЦ, между электроэнергией и отпускаемой теплотой вытекает из аналитического решения поставленной задачи.

Проиллюстрируем предлагаемый нами метод примерами.

Вначале определим дифференцированные удельные расходы топлива на ТЭЦ с противодавлением электрической мощностью, Nэ =100 МВт и теплотой, переданной потребителю, Qт= 578 МВт, схема и цикл которой представлены на (Рис.1), и сравним полученные результаты с расчетами [7].

а)                                                                        б)

   

Рис. 1. Схема (а) и цикл в T-s диаграмме (б) ТЭЦ с противодавлением

Параметры рабочего тела определены по [8], [3] с использованием внутренних относительных КПД турбины ηтoi
=0,85 и насоса ηнoi
=0,9. По известным параметрам рабочего тела простейшей ПТУ с противодавлением в характерных точках, приведенных в таблице 1, найдем необходимые для расчета данные:

         Таблица 1

Параметры рабочего тела ПТУ с противодавлением

Параметры

рабочего тела

    Номера точек на Т,s – диаграмме (см. Рис.1)

1

1

2

2Д

3

4

4Д

р, Мпа

12,0

11,0

1,5

1,5

1,5

12,0

12,0

Т, К

823,15

813,15

515,08

551,18

373,15

373,88

374,18

t, oC

550

540

241,93

278,03

100

100,73

101,03

h, кДж/кг

3481,7

3466,4

2904,6

2988,9

420,1

431,2

432,4

s,кДж/(кгК)

6,6553

6,6738

6,6738

6,8320

1,3059

1,3059

1,3092

Секундный расход пара

Общий часовой расход пара Мτ0 = 3600.
D =810000 (кг/час) = 810 (т/час).

Общий расход топлива

,

где - низшая рабочая теплота сгорания и КПД котла.

Средняя температура подвода теплоты к рабочему телу в цикле ПТУ и конгруэнтном ему обратимом цикле Карно



После деления уравнения теплового баланса турбоустановки Qэ =Q0- Qт на одинаковое изменение удельной энтропии верхнего и нижнего источника теплоты конгруэнтного цикла Карно, соответствующего рассматриваемому циклу ПТУ, Qэ/(s2- s) = Q0/(s2- s) – Qт/(s2- s) (1)

получим

    NсрМτ0)К = (Т1ср Мτ0)К – (ТТсрМτ0)К. (2)

Здесь 1срМτ0)К
– величина, пропорциональная тепловой мощности, подведённой от верхнего источника;

ТсрМτ0)К – величина, пропорциональная тепловой мощности, переданной нижнему источнику;

NсрМτ0)К – представляет собой величину, пропорциональную мощности цикла.

Можно рассчитать Т1ср Мτ0 как произведение известной средней температуры подведённой теплоты на постоянный расход рабочего тела:


1ср Мτ0)К =565,6.810= 458136 (К.т/час).


ТсрМτ0)К = Qт/(s1 - s) = 578 . 3,6. 103/(6,6738 – 1,3092) =387876 (К.т/час).

Тогда из уравнения (2) имеем


NсрМτ0)К=(Т1ср Мτ0)К – (ТТсрМτ0)К =458136 – 387876= 70260 (К.т/час).

Для учёта уменьшения температуры отводимого пара в действительном цикле, по сравнению с обратимым циклом Карно, разделим Qт на изменение удельной энтропии в действительном цикле (s – s3), получим

ТсрМτ0]д =Qт/[(s- s3)] = 578 . 3,6. 103/(6,8320 – 1,3059)=376540 (К.т/час).

Тогда величина пропорциональная мощности цикла в действительном цикле, равна

NсрМτ0]д = Т1ср Мτ0 – [ТТсрМτ0]д= 458136 – 376540 = 81596 (К.т/час).

Определим удельный расход топлива на единицу Т1ср Мτ0


в = В/ Т1срМτ0 = 91144/458136=0,199(кг усл. топл./час)/ (К.т/час).

Расход топлива на выработку электроэнергии равен

Вэ = в.NсрМτ0)д = 0,199. 81596 =16237 (кг усл. топл./час).

Расход топлива на выработку теплоты равен

ВТ = в.ТсрМτ0)д =0,199.376540 =74931 (кг усл. топл/час).

Удельный расход топлива на выработку электроэнергии равен

вэ = Вэ/ Nэ.3,6. 106 = 16237/360.106 = 45 (кг/ ГДж ) = 0,162 (кг/кВт.час.)

Удельный расход топлива на выработку теплоты равен

вт = Вт/Nт.3,6. 10= 74931/2080,8 = 36 (кг/ГДж) = 0,13 (кг/кВт.час.)

Сравнение полученных энергетических показателей ПТУ с

противодавлением с данными работы [7] представлено в таблице 2.



Подобный подход можно использовать для определения расхода топлива на производство электроэнергии и отпуск теплоты любой теплофикационной турбоустановкой. В качестве примера работоспособности термодинамического метода проведем расчет затрат топлива на производство электроэнергии и теплоты для блока с турбиной ПТ 136/165 – 130 (Рис. 2) и сравним полученные результаты с известными литературными данными [6], полученными другими, наиболее распространенными методиками. Исходные данные для расчета приведены в таблице 3.

 

Таблица 2

Энергетические показатели ПТУ, рассчитанные различными методами

Метод

Nэ,МВт

Nт,МВт

вэ,кг/(кВт.час)

вт.,кг/ГДж

Балансовый

(физический)

100

578

0,144

37,22

Балансовый

конденсационный

100

578

0,376

26,39

Эксергетический

100

578

0,289

29,98

Термодинамический

100

578

0.162

36


Рис. 2. Расчётная тепловая схема блока с турбиной ПТ 136/165 – 130

 

Исходные данные для расчета:

Тепловая нагрузка регулируемых отборов – Qто=335 ГДж/час, в том числе верхнего – Qтв =125,7 ГДж/час, нижнего – Qтн =209,3 ГДж/час.

Выработано электроэнергии Nэ = 80 МВт.час, отпущено электроэнергии

Nот= 77 МВт.час.

Таблица 3

Продолжение  исходных данных для расчета 

Рабочеетело Мτ,т/час Р,кгс/кг h,кДЖ/кг hsв,кДж/кг hв, кдж/кг t, 0C s,кДж/кг х
Пар
  Острыйпар 512 130 3484 - - - - -
  П-отбора 200 15 3015 - - 300 6,89 -
  Т-отбораверхнего 57,7 1,2 2613 435 - 104 7,12 0,97
  Т-отборанижнего 96,2 0,69 2546 373 89 7,16 0,95
  Конденсатор 50 0,064 2387 155 37 0,93
Конденсатпара
    П-отбора 200 - - - 419 100 1,30 -
     Т-отбораверхнего 57,7 435 104 1,36 -
    Т-отборанижнего 96,2 373 89 1,18 -
Питательнаявода 512 - - - 959 229 - -
Сетевая вода 1618
     прямаяпосле ПВК 1618 - - - 544 130 - -
     прямаяпосле ПСГ-2 1618 427 102 - -
     прямаяпосле ПСГ-1 1618 - - - 350 83,5 - -
Обратная 1618 - - - 222 53 - -

 

 

Расчет тепловой схемы по энергетической характеристике ТХ – 34-70-004-83 [6]:

Отпущенная теплота внешнему потребителю от П-отбора

Qп от =Qпτп(hп –hв) =200. 103 (3015- 419) = 519,2.106 (кДж/час).

Тепловая нагрузка технологического и отопительного отборов

Qт = Qп + Qто = 519,2 + 335,0 = 854,2 (ГДж/час).

Теплота, сообщенная сетевой воде

Qсв от = Qто от + Qпвк отτпв (hпс –hос)=1618.103(544-222)=521.106 (кДж/час),

в том числе от ПВК

Qпвк от τсв(hпс-hвс) = 1618.103(544-427)= 189,3. 106 (кДж/час);

в том числе от Т-отборов

Qто от = Qот св – Qпвк от =521,0. 106 – 189,3. 106 =331,7. 10 (кДж/час);

из них от верхнего Т-отбора

Qтв от = Мτпв (hвс – hнс) =1618. 103 (427 – 350) =124,6. 106 (кДж/час);

из них от нижнего Т – отбора

Qтн от = Мτпв (hнс – hос) =1618. 103 (350 – 222) = 207,1. 106 (кДж/час).

Теплота, отпущенная тепловому потребителю за счёт отборов пара из турбины

Qтэ от=Qп от+Qто от=Qп от+Qтв от+Qтн от=519,2+124,6+207,1 = 850,9 (ГДж/час).

Всего теплоты, отпущенной тепловому потребителю,

Qот= Qтэ от+Qпвк от= Qп от+Qтв от+Qтн от+Qпвк от=519,2+124,6+207,1+189,3 =

=1040,2 (ГДж/час).

Выработка теплоты брутто энергетическим котлом

Qка = Мτпв (hка – hпв) = 512,0 . 103 (3484 -959) = 1292,8. 106 (кДж/час).

Расход условного топлива энергетическим котлом, КПД которого принят равным 0,92,


В= Qка/Qнр ηка = 1292,8. 106 /29310 . 0,92 =47943,3 (кг усл. топл./час).

Расход теплоты на входе в турбину

Q0 = Qка ηтп = 1292,8 . 106 . 0,99 =1279,9 . 106 (кДж/час).

Расход условного топлива ПВК, для него КПД принят равным энергетическому котлу

Впвк = Qпвк от/ Qнр η пвк = 189,3 . 106 /29310 . 0,92 =7020,1 (кг усл. топл./час).

Найдём среднюю температуру подвода теплоты в рассматриваемом цикле


Т0ср =(h1 – hпв )/(s1 – sпв= (3484 – 987,4)/(6,6245-2,58)= 617,3 К.

Тогда произведение средней температуры подвода теплоты и расхода пара на входе в турбину будет равно Т0ср. Мτ0 = 617,3. 512 = 316048 (Кт/час).

Это произведение средней температуры подвода теплоты и расхода пара на входе в турбину можно определить как

Т0срМτ0 = Q0/(s1–sпв).103 =1279,9. 106/4,0445 .103= 316454 (Кт/час), где h1, s1 , hпвsпв – соответственно энтальпия, энтропия пара на входе в турбину и питательной воды.

Невязка определения Т0ср. Мτ0 составляет 0,1 %.

Разобьём рассматриваемый цикл, у которого примем постоянной температуру подвода теплоты равную Т0ср, на несколько обратимых циклов Карно, связанных с выработкой электроэнергии на регулируемых и нерегулируемых отборах, а также с паром, поступающим в конденсатор.

Определим удельный расход топлива на один Кт/час, общий для подвода теплоты в рассматриваемом цикле и частных циклах Карно

в = В/ Т0срМτ0 = 47943,3 /316048 = 0,1517 (кг усл. топл./час)/(Кт/час).

Положим среднюю температуру подвода теплоты в рассматриваемом цикле и частных циклах Карно равными.

а) Цикл Карно на основе П-отбора


Qп под 
= Мτп Tпсрпод (s1–sпк) = Мτп T0ср (s1–sпк). (3)

Здесь Qп под – подведённая тепловая мощность.

Qп отв = Tпср отв.Mτп (s1 –sпк), (4)


где Qп отв - отведенная тепловая мощность (переданная производственному отбору);

QNп Qп под - Qп отв , (5)


где 
QNп – расход теплоты на производство электроэнергии, получаемой на производственном отборе.

Подставим (3) и (4) в (5) и разделим (5) на (s1–sпк),
получим (TNсрп. Mτп )К=Т0ср

Mτп – (Tпсрот.Mτп)К, (6)

где Tпср под.Mτп= Т0ср. Mτп = 617,3 . 200 = 123460 (Кт/час).

(Tпср отв.Mτп)К=Qп отв/(s1–sпк).103=519,2.106/(6,6245–1,3).103=97,5.103(Кт/час).

Учтём действительную температуру пара П-отбора, для чего разделим Qп отв на действительное изменение его энтропии (sпн –sпк ), получим

(Tпсротв.Mτп)д=Qпотв/(sпн–sпк).103=519,2.106/(6,89– 1,3).103=92,88.103(Кт/час), (7)

где sпн,, sпкэнтропии пара П- отбора на входе и выходе.

Nсрп Mτп)д Tпср под.Mτп - (Tпсротв.Mτп)д = 123,46. 103 – 92,88. .10330,58. 103 (Кт/час). (8)

ВпТ = в(Tпсротв.Mτпср)д = 0,1517. 92,88. 103 = 14090 (кг усл. топл./час).

в пт = ВпТ/ Qп отв = 14090/519,2 = 27,13 (кг усл.топл./ГДж).

б) Цикл Карно на верхнем тепловом отборе

Qтв под= Т0ср (s1–sтвк)Мτтв подведенная тепловая мощность;

Qтв отв = Tтвср отв.Mτтв (s1 –sтвк) – отведенная тепловая мощность;

QNтв Qтв под - Qтв отв расход теплоты на производство электроэнергии, получаемой на верхнем тепловом отборе.


Tтвср под.Mτтв= 617,3. 57,7 = 35,37 103 (Кт/час);

Выполнив преобразования, аналогичные для частного цикла Карно на П-отборе, получим:

(Tтвсротв.Mτтв)д=Qтвотв/(sтвн–sтвк).103=125,7.106/(7,12-1,36).103=21,8.103 (Кт/час);

Nсртв.Mτтв)д=Tтвср под.Mτтв – (Tтвср отв.Mτт в)д= 35,37. 103 -21,8.103=13,57. 103 (Кт/час). (9)

Втв т= в. (Tтвсротв.Mτтв)д = 0,1517. 21,8. 103= 3307 (кг усл. т/час).

в тв т = Втв т / Qт в =3307/125,7. 106 =26,3 (кг усл.топл./ГДж).

в) Цикл Карно на нижнем тепловом отборе

Qтн под= Т0ср
Мτтн (s1–sтнк
подведенная тепловая мощность;

Qтн отв = Tтнср отв.Mτтн (s1 –sтнк) – отведенная тепловая мощность;

QNтн Qтн под - Qтн отв мощность турбины, получаемая на нижнем тепловом отборе.


Tтнср п од.Mτтн= 617,3. 96,2 =59,38.103 (Кт/час);

Выполнив преобразования аналогичные для цикла Карно, построенного на производственном отборе, получим:

(Tтнср отв.Mτтн)д=Qтн отв /(sтнн– sтнк ).103=209,3.106/(7,16-1,18).10335,0.103 (Кт/час),

где sтнн , sтнк – изменение энтропии пара на входе и выходе из нижнего теплового отбора.

Nсртн Mτтн)д Tтнср под.Mτтн–(Tтнср отв.Mτтн)д =59,38.103 – 35,0.103 =24,38.103 (Кт/час). (10)

Втн т= в.(Tт нср отв.Mτт н)д =0,1517. 35,0. 103= 5309,5 (кг усл. т/час).


в тн т = Втн т / Q от н =5309/209,3. 109 =25,36 (кг усл.топл./ГДж).

г) Частные циклы Карно на теплоте, отводимой в конденсаторе и в регенеративные теплообменники.

Очевидно, что теплоту, подводимую в этих частных циклах Карно, необходимо полностью отнести на производство электроэнергии. Тогда

∑ТNсрi рег. Mτ регNср кон Mτкон =∑Tср iрег. под.Mτ рег. под+Tср кон. под.Mτ кон.  Т0ср (∑Мτiрег + Мτкон )(11)


Расход топлива, пошедшего на электроэнергию для рассматриваемого цикла

Вэ= В – ВпТ – Втв т – Втн т=47943 – 14090 – 3307- 5309,5 = 25236,5 (кг/час).

Удельный расход топлива на единицу отпущенной ТЭЦ электроэнергии:

вэ = Вэ/Nот=25236,5/77.103=327,7 (г/кВт.час).

Термодинамический метод расчета дифференцированных затрат топлива может быть применён непосредственно к циклу рассчитываемой ТЭЦ.

Суммирование уравнений для частных циклов Карно (8), (9), (10) и (11), в которых учтены внутренние потери, даёт:

(ТNсрп Mτпср )д+ (ТNсрт в Mτсрт в)д + (ТNсрт н Mτсрт н )д+ (∑ТNср iрег. Mτ i рег )д+

Nср кон Mτкон )д = Tпср под.Mτп + Tтвср под.Mτт в +Tтнср под.Mτт н + ∑Tiрег српол .Mτ iрег +Tср кон. под.Mτ кон.  (Tпср отв.Mτп)дTтвср от в.M τт в Tтнср отв.M τт н,


где (TNср.MτNср)Цд =(ТNсрп Mτпср)д + (ТNсрт в Mτсрт в)д + (ТNсрт н Mτсрт н)д
(∑ТNср iрег. Mτ i рег )д + (ТNср кон Mτкон)д;

Tпср под.Mτп + Tтвср под.Mτтв+Tтнср под.Mτт н + ∑Tiрег српол .Mτi рег +Tср кон. под.Mτ кон. 0ср(Mτп + Mτт в + Mτт нр+ ∑Mτi рег. + Mτ кон )= Т0ср.Мτ0,

где Tпср под = Tтвср под= Tтнср под= ∑Tсрi рег. под = Tср кон. под0ср;

Mτпср + Mτт в+ Mτт н + ∑Mτi рег. + Mτ кон = Мτ0.

(TNср.MτNср)Цд0срМτ0–(Tпсротв.Mτп)д–(Tтвсротв.Mτтв)д–(Tтнсротв.Mτтн)д, (12)

Расчет дифференцированных расходов топлива на ТЭЦ с применением конечной зависимости (12) термодинамического метода становится весьма простым:

Как и ранее, определяем Т0ср. Мτ0 = 617,3. 512 = 316048 (Кт/час) или


Т0срМτ0 = Q0/(s1–sпв).103 =1279,9. 106/4,0445 .103= 316454 (Кт/час),

в = В/ Т0срМτ0 = 47943,3 /316048 = 0,1517 (кг усл. топл./час)/(Кт/час),

(Tпс р отв.Mτп)д=Qп отв/(sпн–sпк).103=519,2.106/(6,89–1,3).103 = 92,88.10( Кт/час).

(Tтвсротв.Mτтв)д=Qтв отв/(sтвн–sтвк).103=125,7.106/(7,12-1,36).103=21,8.103 (Кт/час),

(Tтнср отв.Mτтн)д=Qтн отв/(sтнн– sтнк).103=209,3.106/(7,16-1,18).103=35,0.103 (Кт/час).

Подстановка полученных значений в (12) дает

(TNср.MτNср)цд = 316048 – 92880 – 21800 – 35000 = 166368 (Кт/час).

Расход топлива на производство электроэнергии -

Вэ = в.(TNср.MτNср)цд = 0,1517. 166368 =25327 (кг усл. топл./час).

Расход топлива на производство технологической теплоты -

Вп = в . (Tпср отв.Mτп )д= 0,1517. 92880 =14090 (кг усл. топл./час).

Расход топлива на производство теплоты верхнего Т-отбора -

Втв . (Tтвср отв.Mτтв)д = 0,1517. 21880 = 3319,2 (кг усл. топл./час).

Расход топлива на производство теплоты нижнего Т-отбора -

Втн = в .(Tтнср отв.Mτтн )д= 0,1517 . 35000 =5309,5 (кг усл. топл./час).

Удельный расход условного топлива на отпущенную электроэнергию -

вэ = Вэ/Nот. 103 = 25327/77. 103 = 0,3289 (кг усл. топл./кВт. час).

Удельный расход условного топлива на производство единицы тепла П- отбора -

вп = Вп/Qп отв = 14090/519,2 =27,1 (кг усл. топл./ГДж).

Удельный расход условного топлива на производство единицы тепла верхнего Т-отбора -

втв = Втв/ Qтв отв = 3319,2/125,7 =26,4 (кг усл. топл./ГДж).

Удельный расход условного топлива на производство единицы тепла нижнего Т-отбора -

втн = Втн/ Qтн отв = 5309,5/209,3 =25,37 (кг усл. топл./ГДж).

Удельный расход условного топлива на производство единицы тепла Т-отбора -

вто = (Втв + Втн)/Qто = (3319,2 +5309,5)/335 = 25,76 (кг усл. топл./ГДж).

Удельный расход условного топлива на единицу теплоты на производство П- и Т- отборов -

вто+ п =(Втв+ Втнп)/(Qто+Qп=(3319,2 +5309,5 +14090)/(335+519,2) = 26,6 (кг усл. топл./ГДж).

Удельный расход условного топлива на единицу теплоты, переданной внешнему потребителю от П-отбора,- вп п / ηпп =27,1/0,99=27,4 (кг усл. топл./ГДж).

Удельный расход условного топлива на единицу теплоты, переданной внешнему потребителю от Т-отбора,-

вто = (втв + втн)/2 ηто п = (26,4 +25,37)/2.0,99 = 26,3 (кг усл. топл./ГДж).

Удельный расход условного топлива на единицу теплоты, переданной внешнему потребителю от П- и Т-отборов,-

вто+п =( вто+п )/ηто п=26,6.0,99 = 26,9 (кг усл. топл./ГДж).

Расход условного топлива на теплоту, отпущенную внешнему потребителю, включая ПВК,-

Вт = Вп + Втв + Втн + Впвк = 14090 + 3319,2 + 5309,5+ 7020,1 = =29738,8 (кг усл. топл./час).

Удельный расход условного топлива на теплоту, отпущенную внешнему потребителю, включая ПВК,-

вт = Вт/Qот = 29738,8/1041,1 = 28,6 (кг усл. топл./ГДж).

Таблица 4

Сравнение расчета показателей эффективности ТЭЦ по различным методикам

Показатель и его обозначение      1     2    3   4   5   6
Удельный расход условного топлива на отпущенный  кВт.час,        г у. т/кВт.час вэ 207,0 309,0 329,8 345,0 423,0 329
Удельный расход условного топлива напроизводство единицы теплоты П-отбора,                                 кг у. т./ГДж вл 37,5 31,6 32,2 29,7 24,2 27,1
Удельный расход условного топлива напроизводство единицы теплоты Т-отбора,                             кг у. т./ГДж вто 37,5 17,9 17,8 8,3 25,76
Удельный расход условного топлива наединицу теплоты, переданной внешнемупотребителю от П-отбора,     кг у. т./ГДж втэ п 37,5 31,6 33,7 29,7 24,5 27,4
Удельный расход условного топлива наединицу теплоты, переданной внешнемупотребителю от Т-отбора,     кг у. т./ГДж втэ то 37,8 23,4 15,0 18,0 8,3 26,3
Удельный расход условного топлива напроизводство единицы теплоты П- и Т- отбора,                             кг у. т./ГДж вл то 37,5 28,5 26,6 25,0 18,0 26,6
Удельный расход условного топлива наединицу теплоты, переданной внешнемупотребителю от П-и Т-отборов,

кг у. т./ГДж

втэ 37,6 28,6 26,4 25,1 18,0 26,9
Удельный расход условного топлива наединицу теплоты, переданной внешнемупотребителюот П-и Т-отборов, включая ПВК,                                       кг у. т./ГДж вт 37,5 30,0 28,4 27,3 21,5 28,6

Примечание:

В таблице обозначено: 1- балансовый метод; 2 – метод ОАО «Фирма ОРГРЭС», 3 – эксергетический метод; 4 – метод расчета по недоотпущенной электроэнергии; 5 – метод расчета, позволяющий учитывать тепловую ценность отборного пара; 6 – термодинамический метод.

Оценим экономию расхода условного топлива на производство теплоты и электроэнергии на ТЭЦ по сравнению с их раздельным производством. Удельный расход топлива в котельных на производство количества теплоты Qi, равного соответствующему отбору теплоты на ТЭЦ, определяемый по зависимости ,где расход топлива , составляет 37 кг у.т./ГДж. Тогда экономия топлива соответственно для производственного отбора, верхнего и нижнего теплового отбора равна 9,9; 10,6 и 11,6 кг у.т./ГДж. Удельный расход условного топлива на производство кВт. час электроэнергии на конденсационной станции, рассчитываемый по формуле , где =0,36 – эффективный КПД для конденсационных станций, равен 0,342 кг усл. топл./кВт. час. Тогда экономия топлива при производстве электроэнергии на ТЭЦ составит 13 г усл. топл./кВт. час

Из приведённых материалов видно, что экономия топлива, связанная с эффектом теплофикации в термодинамическом методе, относится как к производству электроэнергии, так и теплоты, в соответствии с качеством (температурой) затраченной теплоты. Распределение между электроэнергией и теплом, получаемой на ТЭЦ экономии топлива, осуществляется непосредственно из решения задачи и не требует введения эмпирических коэффициентов.

Выводы

Предложен простой и эффективный термодинамический метод расчета удельного расхода топлива на выработку электроэнергии и теплоты, отпускаемой потребителю с учетом её температурного потенциала, при их комбинированном производстве.


Библиографический список
  1. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М.: Энергия, 1976.
  2. Соколов Е. Я. О способах распределения расходов топлива на ТЭЦ.//Теплоэнергетика. 1992. №9, С. 55-59.
  3. Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1983, 1974.
  4. Бродянский В. М. Обобщённые показатели в энергетике// Теплоэнергетика. 1989, №2, С.63-66.
  5. Методические указания по составлению отчета электостанции и акционерного общества энергетики и электрофикации о тепловой экономичности оборудования. РД 34.08.552-95. СПО ОРГРЭС М.:1995
  6. Киселев Г.П. Варианты расчета удельных показателей эффективности работы ТЭЦ. Методическое пособие. МЭИ. М.: 2003.
  7. Филатов Н.Я., Соколов Е.Ю. Термодинамический анализ коэффициентов эффективности паротурбинных установок при раздельном и комбинированном производстве теплоты и электроэнергии// Вестник МЭИ. 2006, № 5, С.141-147.
  8. Александров А. А. Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара.- М.: Издательство МЭИ, 2003.-164 с.


Все статьи автора «edzaytsev»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Один комментарий к “Метод расчета удельных расходов топлива на различные виды энергии, отпускаемой ТЭЦ”

  1. 03.04.2015 в 12:50

    Хотелось бы понять, почему деление Q на изменение энтропии даёт произведение МТ. Каков физический смысл этого деления ? Или в каком первоисточнике это описывается ?

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: