Для иллюстрации сравнения ТЭЦ и КЭС рассмотрим пример, в котором сопоставляются две системы энергообеспечения:
1) раздельная генерация: электроэнергии на КЭС, тепловой энергии — в котельной;
2) комбинированная генерация на паротурбинной ТЭЦ
Потребителю доставляется одно и то же количество тепловой энергии и электроэнергии.
Рассмотрим ТЭЦ. Итак, потребителю требуется поток электроэнергии мощностью 10 МВт.
Надо отметить, что в случае паротурбинной теплофикации имеет место сильная зависимость эффективности ее реализации от начальных параметров пара и от температуры отпускаемого теплового потока. Одним из важнейших показателей является электрический КПД. В таблице 1 приведены данные об изменении этой энергетической характеристики в зависимости от начальных и конечных параметров. Для примера можно опустить регенерацию и будем считать, что в схему возвращается насыщенный конденсат.
Прочие характеристики таковы:
— относительный внутренний КПД 70%;
— КПД механический 99%;
— КПД генератора 99%.
Принимаем рассеяние энергии в паропроводах 1%.
Рассеяние энергии в КА и прочее принимаем равным 10%
Таблица 1 — Абсолютный эффективный (электрический) КПД паросиловой установки
Конечные параметры | Начальные параметры пара, ат/оС | ||||
130/550 | 90/550 | 40/450 | 20/350 | 14/250 | |
14 ата | 14,3% | 12,5% | 7,3% | 2,5% | — |
2,5 ата | 19,3% | 18,2% | 14,4% | 10,8% | 8,5% |
1,2 ата | 21,1% | 20,1% | 16,6% | 13,2% | 11,1% |
0,6 ата | 22,5% | 21,7% | 18,4% | 15,1% | 13,2% |
0,04 ата | 27,0% | 26,3% | 23,6% | 21,1% | 19,5% |
Соответствующий данным таблицы 1 удельный расход топлива приведен в таблице 2
Таблица 2 — Удельный расход топлива турбогенераторной установки, г/кВт·ч
Конечные параметры | Начальные параметры пара | ||||
130/550 | 90/550 | 40/450 | 20/350 | 14/250 | |
14 ата | 863 | 986 | 1684 | 4930 | — |
2,5 ата | 636 | 677 | 852 | 1141 | 1453 |
1,2 ата | 582 | 611 | 742 | 933 | 1104 |
0,6 ата | 546 | 568 | 670 | 812 | 933 |
0,04 ата | 456 | 468 | 521 | 582 | 630 |
Очевидно, что с подобными энергетическими показателями сегодня паротурбинная генерация электроэнергии в чистом виде не конкурирует и не отвечает требованиям потребителей.
Рассчитаем количество тепловой энергии, отводимое от потока пара из отборов, при этом, из теплофикационного отбора возвращается в схему конденсат насыщенный, из промышленного отбора — при температуре 60 оС в полном объеме. Данные приведены в таблице 3.
Таблица 3 — Удельная теплота процесса конденсации пара и охлаждения конденсата, кДж/кг
Конечные параметры | Начальные параметры пара | ||||
130/550 | 90/550 | 40/450 | 20/350 | 14/250 | |
14 ата | 2791 | 2877 | 2870 | 2820 | — |
2,5 ата | 2288 | 2357 | 2337 | 2284 | 2163 |
1,2 ата | 2302 | 2369 | 2346 | 2293 | 2175 |
0,6 ата | 2311 | 2374 | 2350 | 2297 | 2182 |
Удельная работа потока пара отборов приведена в таблице 4.
Таблица 4 — Удельная работа процесса расширения пара отборов, кДж/кг
Конечные параметры | Начальные параметры пара | ||||
130/550 | 90/550 | 40/450 | 20/350 | 14/250 | |
14 ата | 431 | 384 | 210 | 665 | — |
2,5 ата | 654 | 624 | 462 | 322 | 233 |
1,2 ата | 735 | 708 | 549 | 408 | 317 |
0,6 ата | 806 | 782 | 624 | 483 | 389 |
В таблице 5 приведено соотношение потоков электроэнергии и теплоты, полученное на паре соответствующего отбора.
Таблица 5 — Удельная выработка электроэнергии на единицу тепловой энергии пара отбора, кВт·ч/Гкал.
Конечные параметры | Начальные параметры пара | ||||
130/550 | 90/550 | 40/450 | 20/350 | 14/250 | |
14 ата | 180 | 155 | 85 | 274 | — |
2,5 ата | 332 | 308 | 230 | 164 | 125 |
1,2 ата | 371 | 348 | 272 | 207 | 170 |
0,6 ата | 406 | 383 | 309 | 245 | 207 |
Итак, для ТЭЦ высоких начальных параметров 130/550 для генерации потока электроэнергии, мощностью 10 МВт требуется из отбора «П» поток тепловой энергии с расходом равным 55,7 Гкал/ч, для чего требуется поток пара 83,5 т/ч. Соответственно, из отбора «Т» – 26,9 Гкал/ч и 49,3 т/ч.
Теплота процесса горения топлива, требуемого для генерации соответствующего количества пара, равна (в первом приближении):
— для потока пара из отбор «П» расходом 83,5 т/ч – 64,3 Гкал/ч (в условном топливе 9,2 т/ч);
— для потока пара из отбора «Т» расходом 49,3 т/ч – 34,6 Гкал/ч (в условном топливе 4,9 т/ч);
При раздельной выработке на КЭС с теми же начальными параметрами для доставки потребителю того же количества электроэнергии (10 МВт·ч) с учетом 5% рассеяния в сетях требуется генерировать 10,5 МВт·ч, для чего потребуется поток пара расходом 36,4 т/ч. Теплота процесса горения топлива для генерации данного потока пара равна 29,2 Гкал/ч, что соответствует в условном топливе расходу 4,2 т/ч. От котельной потребуется отпустить тепловой энергии меньше в соответствии с более низким рассеянием тепловой энергии в сетях на величину 20%, чему соответствует из отбора «П» 44,5 Гкал/ч, из отбора «Т» 21,5 Гкал/ч. Удельный расход условного топлива на генерацию 1 Гкал ТЭ равен:
— пара из отбора «П» 160 кг/Гкал;
— пара из отбора «Т» 185 кг/Гкал
Это позволяет определить расход топлива в котельной, соответственно 7,1 т/ч и 4,0 т/ч.
Таким образом, при раздельной генерации получаем расход топлива11,3 т/ч при генерации 10 МВт·ч электроэнергии и пара давлением 14 ата в количестве 83,5 т/ч. На ТЭЦ расход топлива составляет 9,2 т/ч. Экономия 2,1 т/ч или 18,7%. При отпуске тепловой энергии из отбора «Т» получаем расход топлива в раздельном варианте 8,2 т/ч. На ТЭЦ требуется топлива 4,9 т/ч. Экономия 3,2 т/ч или 39,3%.
Итак, несмотря на существенное снижение КПД непосредственно генерации электроэнергии в цикле, реализуемом на ТЭЦ, в сравнении с циклом КЭС, вызванном увеличением конечного давления с 4 кПа до 14 ата и 1,2 ата и небольшими прочими потерями из-за совместной генерации ЭЭ и ТЭ, имеет место экономия топлива. Но с падением начального давления и ростом давления отборов экономия резко падает, и потому давление в отборах не превышает 13-22 ата, поскольку далее экономия топлива незначительна. По этой же причине ТЭЦ с начальными параметрами пара ниже 40 ата теряют энергосберегающий потенциал.
ТЭЦ на базе газообразного рабочего тела (ГТУ и ГПА) имеют КПД генерации ЭЭ, не зависящее от параметров отпускаемого потока тепловой энергии, да и КПДэ у них выше, чем у паротурбинной ТЭЦ на 10-20 %, что и обуславливает преимущества, несмотря на сниженную надежность и продолжительность жизненного цикла.
Профессор, д.т.н. В.Н. Романюк