3. Выработка тепла в виде пара и горячей воды на тэц [5, 6].

Тепловые электрические станции на органическом топливе классифицируются по виду отпускаемой энергии:

• конденсационные электростанции (КЭС), которые также называются государственными районными электростанциями (ГРЭС) – вырабатывают только электрическую энергию;

• теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) – вырабатывают тепловую и электрическую энергию.

В основе работы ТЭС лежит принцип работы паросиловой установки (ПСУ), состоящей из парового котла (парогенератора), паровой турбины, конденсатора и питательного насоса (рис.4).

В ПСУ осуществляется круговой процесс, в котором рабочее тело (пар, вода), последовательно проходя через промежуточные состояния, снова возвращается первоначальное. Этот круговой процесс называется циклом.

Рисунок 5 - Принципиальная схема паросиловой установки

ПГ – парогенератор, ПЕ – пароперегреватель, ПТ – паровая турбина,

ЭГ – электрогенератор, К – конденсатор, НК и НП – конденсатный

И питательный насосы, пб – питательный бак

В ПСУ, работающей на перегретом паре, этот цикл называется циклом Ренкина.

Полученный в парогенераторе (ПГ) перегретый пар с параметрами Р_о (90-240 бар) и t_o (350-530^оС) по паропроводу поступает в паровую турбину (ПТ), где расширяется до конечного давления Р_к (рис.6а).

1 – сопло, 2 – лопатка турбины, 3 – диск, 4 – корпус турбины, 5 – вал

Рисунок 6 – Одноступенчатая паровая турбина (а) и ступень (в)

В процессе расширения пар ускоряется при прохождении через сопловую насадку, в которой потенциальная энергия давления пара преобразуется в кинетическую энергию его движения (рис.6в).

Высокоскоростной поток пара обтекает лопатки турбины и передает ей часть энергии. Лопатки закреплены на диске, установленном на валу турбины, который начинает вращаться.

Один ряд сопловой насадки и один ряд лопаток турбины образуют ступень. В каждой ступени срабатывается только часть давления, поэтому для расширения пара от Р_о до Р_к турбины выполняются многоступенчатыми. На одном валу с турбиной закреплен электрогенератор (ЭГ), в котором и вырабатывается электрическая энергия.

Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор (К), охлаждаемый циркуляционной водой. Пар отдает воде скрытую теплоту парообразования и конденсируется. Объем рабочего тела при конденсации уменьшается на три порядка, в результате чего в конденсаторе устанавливается глубокий вакуум (0,03-0,05 бар). Полученный конденсат питательным насосом (НП) снова подается в парогенератор. Цикл замкнулся.

Процессы, протекающие в ПСУ, работающей по циклу Ренкина, представляют собой термодинамические процессы (рис.7):

- получения пара в ПГ – изобарный процесс «Е-О» (при постоянном давлении);

- расширения пара в турбине – адиабатный (изоэнтропийный) процесс «О-К» (без теплообмена с окружающей среды, протекающий при постоянной энтропии S);

- конденсации отработавшего пара в конденсаторе – изобарно-изотермический процесс К-К';

- процесс повышения давления вода в насосе перед ПГ – изохорно-адиабатный процесс «К'-Е».

Рисунок 7. Цикл Ренкина в диаграммах

Коэффициент полезного действия паросиловой установки, представляющий отношение полезно использованного тепла к теплу затраченному, определяется по формуле:

(3.1)

где - тепло подведенное к рабочему телу в парогенераторе;

– тепло отведенное от рабочего тела в конденсаторе;

– полезно использованное тепло, преобразованное в электроэнергию;

– энтальпия (теплосодержание) свежего пара,

– энтальпия отработавшего пара;

- физическое тепло конденсата на выходе из конденсатора.

К.п.д. паросиловой установки составляет 25-35%, т.е. только 25-35% исходного тепла топлива преобразуется в электрическую энергию. Остальное количество тепла теряется в конденсаторе с охлаждающей циркуляционной водой, которая отнимает у отработавшего пара скрытую теплоту парообразования. При этом отработавший пар конденсируется при низких температурах (примерно при 30^оС). Объем рабочего тела уменьшается на 3 порядка (в тысячу раз) и в конденсаторе возникает глубокий вакуум (0,03-0,04 бара).

Поэтому основной задачей в теплоэнергетике является уменьшение потерь тепла в конденсаторе, что возможно только уменьшением пропуска пара через него. Следует отметить, что избежать этих потерь принципиально невозможно, так как согласно II закону термодинамики для осуществления кругового процесса необходимо иметь не менее двух источников тепла различной температуры: теплоотдатчика (парогенератора) и теплоприемника (конденсатора или холодильника).

Одним из способов повышения к.п.д. ПСУ является отбор пара из промежуточных ступеней турбины, который в дальнейшем используется для целей теплоснабжения. ТЭС, вырабатывающая одновременно электрическую и тепловую энергию, получила название ТЭЦ и является мощным источником тепла для системы теплоснабжения (рис.8)

1 – парогенератор, 2 – редукционно-охладительная установка (РОУ),

3 – турбина, 4 – электрогенератор, 5 – тепловой потребитель,

6 – питательный бак, 7 – насос обратного конденсата,

8 и 9 – питательный и конденсатный насосы, 10 - конденсатор

Рисунок 8. Тепловая схема ТЭЦ с турбиной типа «Т»

Отбор пара из промежуточных ступеней турбины называется нерегулируемым, так как величина определяется потребностью теплового потребителя. В зависимости от типа потребителя отбор называется промышленным (если пар используется в теплотехнологическом процессе) или теплофикационным (если используется для коммунальных нужд). Тепловой потребитель использует физическое тепло пара, включая скрытую теплоту парообразования. Пар конденсируется, и конденсат насосом обратного конденсата возвращается на ТЭЦ.

На ТЭЦ в результате отбора пара из промежуточных ступеней турбины пропуск пара через конденсатор уменьшается, что ведет к уменьшению потерь тепла и к повышению к.п.д. станции.