К оценке эффективности использования органических топлив в цикле паросиловых установок Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

т е п л о э н е р г е т и к а

УДК 621.311.22

К ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ТОПЛИВ В ЦИКЛЕ ПАРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК*

Докт. техн. наук, проф. НЕСЕНЧУК А. П., асп. БЕГЛЯК А. В., канд. техн. наук РЫЖОВА Т. В., инженеры ШКЛОВЧИК Д. И., ЯРМОЛЬЧИК М. А., КАЧАР Л. И.

Белорусский национальный технический университет

В настоящее время преимущества получения электрической энергии на атомных электростанциях являются неоспоримыми. По прогнозам, сделанным в 2009-2010 гг. Международным энергетическим агентством [1], доля атомных электростанций в общемировой выработке электрической энергии к 2035 г. может составить более 70 %. После аварии на японской АЭС «Фукусима-1» такие страны, как Япония и Германия, заявили о своем намерении снижения выработки электроэнергии на атомных электростанциях. Япония сейчас рассматривает возможность полного отказа от атомной энергетики при выполнении следующих условий: срок существующих электростанций достигнет 40 лет, а также не будет производиться строительство новых электростанций [2]. Альтернативными источниками энергии могут стать возобновляемые (биомасса, ветер, солнце и т. д.) и полезные ископаемые (уголь, нефть, природный газ). Недостатком возобновляемой энергетики (за исключением биоэнергетики) является периодическое отсутствие источников (солнца, ветра и т. д.). Это означает, что в базовом режиме все равно необходимо будет иметь или атомные электростанции, или электростанции на ископаемых видах топлива (для стран, которые планируют снизить долю атомной энергетики).

В связи с этим уже сегодня необходим достаточный анализ оценочных данных, касающихся эффективности использования различных органических топлив при их использовании в силовых установках (паросиловых, газотурбинных и т. д.). В оценочном плане наибольший интерес представляют низкокалорийные топлива.

В статье на основе термодинамического анализа паротурбинной технологии сравниваются электростанции, использующие различные виды топлива. Для этих целей введен коэффициент использования энергии топлива, учитывающий вид последнего. Интерес к паротурбинным технологиям

* Публикуется в порядке обсуждения.

объясняется еще и тем, что в настоящее время разрабатываются паровые турбины с температурой пара на входе 700 °С и электрическим КПД не менее 50 % [3].

На паротурбинной электростанции в качестве теплоисточника выступают продукты сгорания топлива, а в качестве теплоприемника - окружающая среда. Рабочим телом является водяной пар, также могут использоваться другие вещества, например термомасло. Цикл паротурбинной установки представляет собой изобару (процесс подвода теплоты), изотерму (процесс отвода теплоты) и две адиабаты. Идеальный термодинамический цикл для выбранного диапазона температур представлен на рис. 1.

Максимально возможное количество полезной работы на 1 м3 рабочего тела (продуктов сгорания органического топлива) будет определяться по формуле (рис. 1)

¡о = Чг -Ч2 = сР(Т1 -Т2)-ТкД^,

(1)

где с'р - удельная объемная изобарная теплоемкость продуктов сгорания. Термический КПД данного цикла может быть определен согласно [4]

П = 1 - ^ = 1 .

Чг с'РТ -Т)

(2)

На практике в силу необратимости протекающих процессов величина полезной работы и термического КПД будет значительно ниже. Это вызвано тем, что энтропия системы возрастает: подводимое количество теплоты уменьшается из-за необратимости процесса получения пара в котельной установке, а отводимое количество теплоты увеличивается из-за необратимости процесса получения работы в паротурбинной установке. Реальный цикл паросиловой установки приведен на рис. 2.

Т, К

Т, К

5, Дж

Рис. 1. Изображение идеального цикла теплового двигателя с изобарным подводом и изотермическим отводом теплоты в Т-5-диаграмме: Т1 - температура выхлопных газов; Т2 - теоретическая температура сгорания топлива; Тк - температура теплоприемника

5, Дж

Рис. 2. Изображение реального цикла паротурбинной установки в Т-5-диаграмме

Полезная работа, получаемая 1 кг рабочего тела (пара) в цикле паротурбинной установки, запишется (рис. 2)

1 = 4 - 4 = Ср (Т1 - Т2)г1 ку " ТкА2 =

Ъ._!± - т д

Пк

(3)

где Пку - коэффициент полезного действия котельной установки; /7, /4 - энтальпия в конечной и начальной точках нагрева рабочего тела (пара).

Для сравнения идеального и реального циклов теплового двигателя с изобарным подводом и изотермическим отводом теплоты введем коэффициент использования энергии топлива

Пи.э.т 1 '

гС\

(4)

Величина работы в (4) является удельной, отнесенной к 1 кг топлива. Поэтому вводим следующие коэффициенты пропорциональности: 6т, кгп/кгт (количество полученного рабочего тела (пара) при сжигании 1 кг топлива); , м„с /кгт (количество продуктов сгорания, получаемое при

сжигании 1 кг топлива).

Формула (4) может быть преобразована к виду

Ъ

П и.э.т

ъг

^ - тк д.2

V Пку

1о£V (с'р(Т2 - Т) - ТкА^V

(5)

Количество рабочего тела (пара), полученное при сжигании 1 кг топлива, будет равно

Ор п

^ _ А^н 1ку

(6)

Подставив (6) в (5), получим

арп

"Л и.э.т

^ - Тк А.2

V Пку

ен

(л ТкА.2Пк

1-

17 У

(е'р (Т2 - Т ) - Тк Д1)£V (е'р(Т2 -Т) - ТкАз,)£V'

(7)

V т Тк ^Пку

Учитывая, что ЦгЦы = 1--, где п0,- - относительный внутренний

КПД турбины, запишем следующее выражение:

"Л и.э.т

О П/ По,

(с'р(Т2 - Т) - ТкА.1)£г1'

(8)

Разделим числитель и знаменатель на величину Ор, а также раскроем скобки в знаменателе. Тогда (8) запишется

__11/ 11о,_

иэт •

Ор Ор

Учитывая, что Ор = с'р (Т2 - Т)п^ XV, получим

ППс, _ ^оЛу

П и.э.т

1 X V X V

--^^ Т Ду 1 -^Л. Т д п

п ОР к 1 0 р к 1 1к

1ку ¿^н ¿^н

Т

Кроме того, согласно [5], Д^ = с'р 1п —, тогда в окончательном виде

Т

п и.э.т =-^77-у-— • (9)

1 -XV

0р ТПкус;1п ^

Таким образом, при использовании различных видов топлива за счет изменения количества продуктов сгорания при сжигании, низшей теплоты сгорания и теоретической температуры сгорания топлива могут быть получены различные значения коэффициента использования энергии топлива. В зависимости от мощности котельной установки при использовании различных видов топлива могут быть получены неодинаковые Лку. Однако при большой мощности котельного агрегата его КПД будет близок к 95 %. Поэтому в рассматриваемом случае этим изменением можно пренебречь.

В качестве примера для отображения полученных результатов были использованы бурый уголь (эстонский), фрезерный торф, древесная щепа, горючий сланец и природный газ (Березовское месторождение). Свойства этих топлив приведены в [6].

Результаты проведенного исследования показаны на рис. 3. Исходные данные для расчета указаны в табл. 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчета ^и.э.т по формуле (8)

Наименование Величина

Температура теплоприемника Тк 300 К

Температура выхлопных газов Т1 400 К

Термический КПД п 0,50

Относительный внутренний КПД турбины По; 0,85

42,80

Л и.э.т, %

Сорт топлива

Рис. 3. Зависимость коэффициента использования энергии топлива от вида топлива: 1 - бурый уголь; 2 - древесная щепа; 3 - фрезерный торф; 4 - горючие сланцы; 5 - мазут М-100; 6 - природный газ

В Ы В О Д Ы

В результате выполненного исследования можно сделать следующие выводы:

1) термодинамическая эффективность цикла паротурбинной установки зависит от вида используемого топлива;

2) величина коэффициента использования энергии топлива при прочих равных условиях больше у низкокалорийных видов топлива;

3) при повышении термического КПД цикла паротурбинной установки влияние качества топлива увеличивается;

4) при приближении к использованию топливно-кислородного источника первичной энергии эффективность цикла паротурбинной установки возрастает.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. М е ж д у н а р о д н о е энергетическое агентство [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.iea.org/. - Дата доступа: 04.07.2010.

2. Агентство РИА-Новости [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ria.ru/atomtec/20120903/741744767.html. - Дата доступа: 05.10.2012.

3. Но в о с ти компании Siemens AG [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.siemens.by/brochures/PoF_Belarus_Autumn2008.pdf. - Дата доступа: 22.08.2009.

4. Х р у с т а л е в, Б. М. Техническая термодинамика: учеб.: в 2 ч. Ч. 1 / Б. М Хруста-лев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк. - Минск: Технопринт, 2003.

5. Х р у с т а л е в, Б. М. Техническая термодинамика: учеб.: в 2 ч. Ч. 2 / Б. М Хруста-лев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк. - Минск: Технопринт, 2004.

6. Р а в и ч, М. Б. Эффективность использования топлива / М. Б. Равич. - М.: Из-во «Наука», 1977.

Представлена кафедрой ПТЭ и Т Поступила 10.10.2012

УДК 621.003.019

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЭЦ С РАЗЛИЧНЫМИ ТЕПЛОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Доктора техн. наук, профессора ПИИР А. Э.1', КУНТЫШ В. Б.2', инж. ВЕРЕЩАГИН А. Ю.1'

1Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова, 2Белорусский государственный технологический университет

Совместное производство тепловой и электрической энергии на крупных паротурбинных ТЭЦ экономит до 30 % часового расхода топлива по сравнению с раздельной выработкой. При одинаковом топливе это позволяет ТЭЦ успешно конкурировать на рынке электроэнергии с мощными КЭС, имеющими более высокие начальные параметры пара. Термодинамическая теория, рассматривающая комбинированное производство как обратимый термотрансформатор, и вытекающая из нее методика расчета удельных расходов топлива на ТЭЦ представлены в [1-3].