Сопло, 2 – лопатка турбины, 3 – диск, 4 – корпус турбины, 5 – вал

И питательный насосы, ПБ – питательный бак

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

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

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

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

Ø 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.

ПГ

ПЕ

ПБ

ПТ

ЭГ

К

НК

O

K

К'

Е

НП

Рисунок 5 - Принципиальная схема паросиловой установки

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

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).

Ступень

a)

в)

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».

P

T

S

S

h

Е

О

К

К'

К'

К

К

К'

Е

О

О

Е

Рисунок 7. Цикл Ренкина в диаграммах

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

- 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.

4. Характеристики промышленных потребителей тепла [7, 8]

Основными потребителями тепла на промышленных предприятиях являются:

а) силовые агрегаты, использующие в качестве рабочего тела пар определенных параметров (паровые молоты, прессы, ковочные машины, насосы, турбокомпрессоры и т.д.). В качестве привода используются паровые машины (0,8÷1,0 МПа, 200÷250°С) или турбины (1,8÷3,5 МПа, 350÷450°С);

б) технологические аппараты и устройства, в которых тепло используется для осуществления технологических процессов (подогреватели, выпарные и ректификационные установки, сушилки, реакторы химической промышленности). В качестве рабочего тела используется насыщенный и перегретый пар (от 0,3÷0,8 до 9 МПа) и вода (с температурой °С);

в) системы отопления и вентиляции производственных, культурно-бытовых и жилых помещений, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха. В качестве рабочего тела используется пар (до 0,6 МПа) и вода (с температурой °С).

Несмотря на разнообразие потребителей тепла, по характеру теплового потребления их можно разделить на две группы:

· сезонные потребители;

· круглогодичные потребители.

К сезонным потребителям тепла относятся системы:

- отопления;

- вентиляции (с обогревом воздуха в калориферах);

- кондиционирования воздуха (получение воздуха определенного качества, чистоты, температуры и влажности).

Величина сезонной нагрузки зависит от климатических условий района: температуры наружного воздуха, направления и скорости ветра, солнечного излучения, влажности и др. Причем на величину сезонной нагрузки главным образом влияет температура наружного воздуха (рис.9)

Рисунок 9 – Изменение отопительной нагрузки в течение года

Расход тепла в течение суток у сезонного потребителя меняется относительно мало (небольшие суточные изменения), но зато в течение года изменяется значительно, как это имеет место, например, для системы отопления: от максимума в самые холодные месяцы года до нуля – в летние месяцы. В летний период тепло частично может использоваться для выработки холода в холодильных установках.

К круглогодичной нагрузке относится технологическая тепловая нагрузка и горячее водоснабжение (так называемая бытовая тепловая нагрузка).

График технологической тепловой нагрузки зависит от профиля промышленного предприятия и режима его работы. Так, на предприятии с циклически действующими агрегатами (например, автоклавами) тепловая нагрузка носит резко переменный характер.

Технологическая и бытовая нагрузки практически не зависят от температуры наружного воздуха. Вместе с тем они могут меняться как в течение суток (рис.10), так и в течение недели (например, банно-прачечные дни и остановка части предприятий в субботу и воскресенье).

Рисунок 10 – График потребления горячей воды во второй половине дня

По температурному уровню тепловая нагрузка разделяется на:

- низкотемпературную (t≤150˚С) – отопительная, вентиляционная и бытовая – используется пар и горячая вода;

- среднетемпературную (от150 до 350˚С) – технологическая и силовая нагрузка – используется перегретый пар;

- высокотемпературную (до 1700^оС) – технологическая и силовая (промышленные печи, газовые турбины) – используются продукты сгорания топлива.

В теплотехнологических установках в качестве теплоносителей в основном используется насыщенный и перегретый пар и горячая вода.

Пар как теплоноситель используется на промышленных предприятиях, у которых преобладают среднетемпературные тепловые потребители или когда по технологии требуется подача пара (минимальная температура пара равна температуре насыщения).

К преимуществам пара относится более простое регулирование отпуска тепла, меньшие поверхности теплообменных аппаратов (меньшая металлоемкость) из-за высокого коэффициента теплоотдачи. При конденсации пара выделяется скрытая теплота парообразования, во много раз превышающая его физическое тепло.

Вода как теплоноситель имеет следующие преимущества:

· обеспечивает теплом коммунального (бытового) потребителя;

· обеспечивает большую аккумулирующую способность системы (высокая теплоемкость).

К недостаткам воды, как теплоносителя относятся:

· значительные расходы электроэнергии на перекачку (подачу) теплоносителя к потребителю;

· повышенные весовые нагрузки на трубопроводы и теплообменные аппараты (большой вес теплоносителя);

· более низкая температура теплоносителя по сравнению с паром (из-за опасности его испарения);

· большая вероятность аварийного режима работы системы.

Выбор теплоносителя производится, исходя из характера технологического процесса. Если же по условиям технологии безразличен вид теплоносителя, то выбирается теплоноситель с более низким потенциалом, что обуславливает большую экономию топлива на источнике тепла.

Немаловажное значение для выбора вида теплоносителя играет расстояние, на которое может транспортироваться тепло. Горячую воду может транспортировать на расстояние до 15 км и более, в то время как пар подается на расстояние не более 10 км (за счет потерь тепла происходит конденсация пара). На выбор теплоносителя оказывает влияние возможность его загрязнения в технологическом процессе, потери теплоносителя при транспортировке его к потребителю или в технологическом аппарате.

4.1 Расчет потребности в тепле промышленных и коммунальных потребителей тепла [4, 7]

Тепловая нагрузка промышленных потребителей определяется нормами расхода тепла на технологические нужды. В качестве источников тепла для технологии выступают продукты горения топлива, пар и горячая вода.

Для целей отопления, вентиляции, кондиционирования и горячего водоснабжения промышленных зданий и жилых помещений используется тепло в виде пара и горячей воды.

4.1.1 Расход тепла на отопление

Одной из основных задач системы теплоснабжения является отопление зданий различного назначения с целью поддержания температуры внутри помещения на заданном уровне. Для этого необходимо компенсировать тепловые потери здания в окружающую среду, которые тем больше, чем ниже температура окружающего (атмосферного) воздуха.

Часовой расход тепла на отопление отдельного здания определяется из уравнения теплового баланса здания

(4.1)

где - суммарные тепловые потери (теплопотери) здания;

- потери тепла теплопередачей через ограждающие поверхности (с точки зрения теплотехники здание является теплообменным аппаратом);

- потери тепла с инфильтрирующим воздухом через неплотности наружных ограждений;

- тепло, подводимое в здание системой отопления;

- тепловыделение внутри здания.

Источниками внутреннего тепловыделения в жилых зданиях являются люди, бытовые и осветительные приборы, электронная техника. В производственных помещениях источниками тепловыделения являются различные технологические аппараты и процессы, работающие на принципах использования тепловой и электрической энергии.

Теплопотери через ограждающие поверхности определяются по уравнению теплопередачи

, Вт (4.2)

где - площадь поверхности наружного ограждения;

- разность температур воздуха с внутренней и наружной сторон ограждающих поверхностей.

Для практических целей величина теплопотерь здания может определяться по формуле

(4.3)

где - удельные теплопотери здания, Вт/м³ К;

- объем здания по наружному обмеру, м³;

- усредненная температура внутреннего воздуха;

- температура наружного воздуха.

Удельная отопительная характеристика здания представляет собой потери тепла 1 м³ здания в единицу времени при разности температур внутреннего и наружного воздуха в 1°С.

Расчетная температура воздуха внутри помещения в зимний период для производственных зданий приводится в СНиП – строительных нормах и правилах:

· с незначительным тепловыделением – 12 ÷ 16°С;

· со значительным тепловыделением – 5 ÷ 10°С;

· со значительным влаговыделением – 12 ÷ 18°С.

Для жилых помещений должна быть равна 18°С.

Для определения максимальной величины тепловой нагрузки используется формула расчетной отопительной нагрузки

(4.4)

где - расчетная температура наружного воздуха, равная средней температуре наиболее холодных 5-дневок из 8 самых холодных зим за последние 50 лет.

При расчете теплового режима помещений необходимо учитывать ряд дополнительных факторов: тепловые потери с инфильтрирующим воздухом, поступление тепла извне от солнечной радиации через окна и кровлю, внутреннее тепловыделение в производственных помещениях:

Для конкретного здания (жилого, производственного) расход тепла на отопление меняется только в зависимости от температуры наружного воздуха

. (4.5)

Уравнение 4.5 представляет собой уравнение прямой линии (рис.11).

Рисунок 11 – Зависимость отопительной нагрузки

от температуры наружного воздуха

Отопительная нагрузка отключается при °С. При этой же температуре происходит и включение отопительной нагрузки. Это обусловлено тем, что при температуре тепловыделение внутри помещения примерно равно тепловым потерям здания (имеет место компенсация тепловых потерь), и необходимость работы отопительной системы отсутствует (в интервале температур наружного воздуха от до °С).

Температура наружного воздуха меняется в течение года и, следовательно, меняется отопительная тепловая нагрузка.

С учетом продолжительности стояния наружной температуры в период ее снижения (осень-зима) и повышения (зима-весна), которая определяется по справочной литературе, можно рассчитать годовую отопительную нагрузку (рис.12).

Площадь под правой кривой представляет собой годовую тепловую нагрузку источника тепла за отопительный период, в то время как характеризует тепловую мощность источника. Правая кривая строится по точкам пересечения тепловой нагрузки, соответствующей текущей температуре наружного воздуха, и продолжительности стояния этой
температуры (и ниже ее) в течение года.

Рисунок 12 – График годовой отопительной нагрузки

4.1.2 Расход тепла на вентиляцию

Вентиляция предназначена для обеспечения гигиенических условий внутри помещений и заключается в удалении из помещения загрязненного воздуха и замене его чистым (без загрязнений) атмосферным воздухом.

Воздухообмен в помещении осуществляется в течение всего года, однако в зимний период воздух, подаваемый на вентиляцию, необходимо подогревать для поддержания температуры в помещении на заданном уровне

Расход тепла на вентиляцию можно определить по величине воздухообмена

(4.6)

где m - кратность воздухообмена;

- внутренний объем вентилируемого помещения;

- теплоемкость воздуха, равная 1,26 кДж/м³ К;

- температура приточного (подаваемого в помещение) воздуха;

- производительность вентилятора.

Для практических расчетов расхода тепла на вентиляцию используется формула

(4.7)

где - удельный расход тепла на вентиляцию 1 м³ здания по наружному обмеру при разности температур наружного и внутреннего воздуха в 1°С.

Максимальная (расчетная) тепловая нагрузка на вентиляцию определяется по расчетной температуре наружного воздуха

. (4.8)

Текущая тепловая нагрузка при температуре наружного воздуха (отличной от расчетной) определяется по расчетной нагрузке

. (4.9)

Зависимость вентиляционной тепловой нагрузки от температуры наружного воздуха для помещений различного назначения и различным уровнем загрязнения (газо- или влаговыделения) представлена на рисунке 13.

При значительном газовыделении в помещении должен осуществляться полный воздухообмен (линия a-d-в). За расчетную температуру наружного воздуха для системы вентиляции в этом случае принимается расчетная температура наружного воздуха для системы отопления.

Рисунок 13 – Зависимость вентиляционной тепловой нагрузки

Дата добавления: 2014-01-04