ТЕПЛОФИКАЦИОННЫЕ ЦИКЛЫ

В процессе выработки электроэнергии на тепло­электростанциях большое количество теплоты передается холодному источнику — охлаждающей конденсатор воде и, таким образом, беспо­лезно теряется. Количество теплоты, отдаваемой холодному источнику (q₂), можно уменьшить за счет увеличения термического КПД цикла, однако полностью устранить нельзя, так как в соответствии со вторым законом термодинамики передача определенного количества теплоты холодному источнику является неизбежной.

Если устранить передачу теплоты холодному источнику в принципе невозможно, то нельзя ли использовать эту теплоту? Как известно, для производственных и бытовых нужд потребляется значительное коли­чество теплоты в виде горячей воды и пара в разного рода технологи­ческих процессах, для отопления зданий и горячего водоснабжения.

В обычных конденсаторных паротурбинных теплосиловых установ­ках давление в конденсаторе поддерживается равным примерно 4 кПа (0,04 кгс/см₂), т.е. конденсация пара происходит при температуре око­ло 28—29 °С. Теплота, отдаваемая охлаждающей воде в таком конден­саторе, имеет низкий температурный потенциал и не может быть ис­пользована для производственных или бытовых нужд; для технологи­ческих целей, как правило, используется насыщенный водяной пар с давлением от 250 до 2000—3000 кПа (т. е. примерно от 2,3 до 20— 30 кгс/см₂), а для отопления — насыщенный водяной пар с давлением 150—260 кПа (1,5—2,6 кгс/см₂) или горячая вода с температурой, дос­тигающей в некоторых установках 180 °С.

Для того чтобы иметь возможность использовать теплоту, отдавае­мую конденсирующимся паром, нужно увеличить давление в конденса-

* Несколько ртутно-водяных бинарных установок единичной мощностью от 1800 до 20 000 кВт было сооружено в 20-х —30-х годах.

торе, т. е. увеличить температуру, при которой конденсируется этот пар. Повышение нижней температуры цикла приведет к некоторому умень­шению термического КПД и, следовательно, к уменьшению выработки электроэнергии при тех же, что и раньше, затратах топлива. Поэтому с точки зрения экономичности собственно цикла такая операция является невыгодной. Однако возможность получения больших количеств теп­лоты для технологических и бытовых нужд за счет некоторого сокращения выработки электро­энергии оказывается весьма выгодной (избавляет от необходимости со­оружать специальные отопительные котельные, как правило, неболь­шие, имеющие сравнительно невысокий КПД и поэтому требующие по­вышенного расхода топлива, а также нерационально использующие теплоту высокого температурного потенциала при сжигании топлива для нагрева низкотемпературного рабочего тела, что невыгодно из-за уменьшения работоспособности системы).

Комбинированную выработку на электростанциях электроэнергии и теплоты называют теплофикацией, а турбины, применяемые на та­ких электростанциях, — теплофикационными. Наибольшее развитие по сравнению с другими странами теплофикация получила в нашей стране, в условиях планового социалистического хозяйства, поз­воляющего осуществлять комплексные экономические мероприятия.

Тепловые электростанции, осуществляющие комбинированную вы­работку электроэнергии и теплоты, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ) в отличие от чисто конденсационных электростанций (КЭС), производящих только электроэнергию.

Цикл теплофикационной паросиловой установки изображен в Т, s-диаграмме на рис. 11.33. В этой диаграмме работа цикла, как обычно, изображается площадью 1-2-3-5-4-6-1, а площадь А-3-2-В-А представ­ляет собой теплоту q₂, отданную внешнему потребителю.

Поскольку, как отмечено выше, для производственных и бытовых нужд требуется пар или вода в относительно широком диапазоне тем­ператур и давлений, на ТЭЦ применяются теплофикационные трубины различных типов в зависимости от характера потребления теплоты.

На рис. 11.34 представлена схема ТЭЦ с так называемыми турби-

нами с ухудшенным вакуумом. Давление в конденсаторе такой турби­ны поддерживается таким, чтобы температура насыщения пара была достаточно высокой для нужного нагрева охлаждающей воды в кон­денсаторе. Вода, нагретая в конденсаторе до необходимой температуры, направляется потребителю для отопления.

На рис. 11.35 изображена схема ТЭЦ, в которой применены так на­зываемые турбины с противодавлением. В установках этого типа кон­денсатор отсутствует, а отработавший пар из турбины направляется по паропроводу на производство, где он отдает теплоту и конденсируется; конденсат с производства возвращается для питания котлов. Давление пара на выходе из турбины определяется потребностями производства.

На рис. 11.36 показана схема ТЭЦ с турбинами с отбором пара. В этой схеме часть пара достаточно высоких параметров отбирается из промежуточных ступеней турбины (с этой точки зрения эта схема на­поминает схему установки с регенеративными подогревателями). Ото­бранный пар может быть либо направлен на производство (так назы­ваемый производственный отбор), откуда в установку возвращается конденсат (рис. 11.36, а), либо в специальные подогреватели-теплооб­менники (ПТ), в которых этот пар нагревает воду, используемую для отопительных целей (так называемый теплофикационный отбор, рис. 11.36, б). Следует заметить, что на современных ТЭЦ наиболее рас­пространены турбины с отбором пара.

Для характеристики экономичности работы ТЭЦ применяется так называемый коэффициент использования тепла К, определяемый как отношение суммы полезной работы, произведенной в цикле, 1_Э, и тепло­ты q₂, отданной внешнему потребителю, к количеству теплоты q₁, выде­лившейся при сгорании топлива:

(11.92)

или, что то же самое,

(11.93)

где N — электрическая мощность установки; В — часовой расход топ­лива; — теплота сгорания топлива; Q — количество теплоты, отдан­ной внешнему потребителю.

Значение К тем ближе к единице, чем совершеннее установка, т. е. чем меньше потери теплоты в котлоагрегате и паропроводе, механи­ческие потери в турбине, механические, и электрические потери в элек­трогенераторе.