CC BY
17
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА Том 89 1957 г.
К ВОПРОСУ ОБ ОБЛАСТЯХ ПРИМЕНЕНИЯ ПАРОВОГО ПРИВОДА ДЛЯ РАБОЧИХ МАШИН
И. К. ЛЕБЕДЕВ
В 1952 году проф. Л. А. Мелентьев сделал попытку дать общую методику определения рациональных областей применения парового привода для рабочих машин [1]. В качестве критерия сравнения энергетических схем с паровым и электрическим приводом им введена некоторая величина Э, которую он выражает как
№ П
ып'Пр
где №Пр. квт-я.—расход электроэнергии на электрический привод рабочей машины;
&ппр кг'час — расход пара на паровой привод той же машины.
Позднее изложение этой методики было им повторено в его книге [2] лишь с тем изменением, что величина Э была обозначена
Нам кажется, что введение этого критерия является излишним. Как будет показано ниже, расчеты, связанные с определением рациональных областей применения парового привода, могут быть упрощены, если не вводить критерий э (или <и), а пользоваться общеизвестными коэффициентами полезного действия теплосиловых установок. В своих рассуждениях мы будем ориентироваться на те же три энергетические схемы, которые приняты и у проф. Мелентьева.
1. Энергоснабжение привода рабочих машин производится от ТЭЦ при наличии на предприятии или группе предприятий тепловых нагрузок, покрытие которых может осуществляться либо за счет использования тепла отработавшего пара паровых приводов (рис. 1, схема I), либо за счет отбора пара от теплофикационных турбин ТЭЦ при электрическом приводе рабочих машин (рис. 1, схема II).
я
Р+ 1
с С в "о
V/
I----Г
45)
р и
К
V/
I----------^
РЛг
—й
Схема I. Паровой привод.
Схема II. Электрический привод.
Рис. 1
2. Энергоснабжение привода рабочих машин осуществляется от ТЭЦ, но на данном предприятии нет тепловых потребителей, могущих использовать тепло отработавшего пара паровых приводов. В этом случае отработавший пар при наличии парового привода используется для получения электроэнергии в турбине мятого пара или в последних ступенях турбины ТЭЦ (рис. 2, схема I). При наличии же электрического привода пар от начальных до конечных параметров срабатывается в паровой турбине, а снабжение электроэнергией привода рабочих машин идет от электрической сети (рис. 2, схема II).
V/
б
1
4 Р.1
Схема I. Паровой привод.
Схема II. Электрический привод.
Рис. 2
3. Теплоснабжение предприятия осуществляется от заводской котельной, а электроснабжение—от районной электроэнергетической системы.
В этом случае возможно применение парового привода с использованием отработавшего пара для нужд теплоснабжения (рис. 3, схема I), или применение электрического привода и теплоснабжения от заводской промышленной котельной (рис. 3, схема II).
Схема I. Паровой привод.
От зле/г триче с кой ___системы
Схема II. Электрический привод.
Рис. 3
Для простоты исследования наличием отборов пара на регенерацию от турбин ТЭЦ пренебрегаем, как это делает и проф. Мелентьев.
1-й с л у ч а й:
Теплоснабжение и электроснабжение осуществляется от зав одс к ой Т Э Ц. Отработавший пар используется для нужд теплоснабжения (рис. 1).
При заданной выработке Ш Квт-я электроэнергии часовой расход пара Ох кг'яас на ТЭЦ, снабжающей паром приводы рабочих машин (схема 1), может быть представлен обычным энергетическим уравнением турбины
их = Окэ-\-у! Оп кг/час, 0)
где ПК9 кг/час — расход пара на выработку электрической энергии при чисто конденсационном режиме; Оп кг!час — расход пара на паровой привод рабочих машин;
У\—коэффициент недовыработки пара, отобранного на привод рабочих машин.
Как известно,
П 860 № I <о\
Окэ =-кг/час, (2)
(/о — 1к) Чт
а коэффициент недовыработки
'— 1к\
У! - . (3)
I о - 1ц
где /0 — ¿к ккал кг—теоретический тепловой перепад в турбине ТЭЦ;
(1 — 1к\ ккал;кг — теоретический тепловой перепад от отбора до конденсатора;
т)т> г\г— внутреннний относительный, механический к. п. д. и к. п. д. генератора.
Расход пара на привод рабочей машины можно записать в следующем виде:
г» 860 >
Оп = —-п Кг1Ч(ХС> (4)
где '№пквт-ч* — полезная работа рабочей машины;
— и к кал ¡кг — теоретический тепловой перепад от отбора до выхлопа привода рабочей машины; —к-п.д. потока тепла от турбины до рабочей машины; Пт—внутренний относительный и механический к.п.д. парового привода рабочей машины; Ър — к.п.д. рабочей машины при работе на данном режиме.
Подставив 0К9 , и Оп из уравнений (2), (3; и (4) в уравнение (1), получим
860 IV
А =
Оо ¿к) ТЮ1 ^т ^г
+ -Г «гЫас. (5)
^ (10~1К) (г, —
Часовой расход пара П2 при этих же условиях, но при электрическом приводе рабочих машин (схема II), будет
п 860 , п
и2—---—----!--1--кг час, (6)
(¿о — Ц^оМт^г
где п квт-ч — количество электроэнергии, выработанное турбиной для использования в приводе рабочей машины; Ом кг!час— отбор пара на нужды теплоснабжения;
у2 — коэффициент недовыработки пара, отобранного для нужд, теплоснабжения.
Коэффициент недовыработки в данном случае будет
у, = , (7)
где 1М—1К.3 —теоретический тепловой перепад от отбора на теплоснабже ние до конденсатора
Учитывая то, что теплофикационная установка (бойлерная) может находиться вблизи паротурбинной установки, как это имеет место на современных ТЭЦ, потерями пара от отбора до теплофикационной установки, а также тепловыми потерями на этом участке можно пренебречь. Нетрудно видеть, что
ху/
-- п- квт-ч, (8)
'Чтр Уэм Т1о
■где — к.п.д. трансформатора и электросети;
г\эм — электромеханический к. п. д. электропривода.
Подставим в уравнение (6) значение ЭД"п' из уравнения (8) и значение у2 из уравнения (7). При этом будем иметь
п 860 №
и2 ---
* ¿о ¿к) 1}о1 Чт 'Чг 860 Л кг.ч^ (9)
¿к) ГШ у\т ^г 'Чтр ^эм 'Чр ¿о
Экономия условного топлива при применении электрического привода может быть выражена <
Д В=Ь(01—02)=Ь
860 и — I
К\
Но — н-н
кгяас, (10)
860 __
им
(¿0 ¿к) У]01 у\т У\г ТШр У\эм 7\р ¿0 1К
где Ь кг ¡кг — удельный расход условного топлива на выработку 1 кг пара в котельной ТЭЦ.
Теоретические и действительные тепловые перепады в турбине ТЭЦ от начальных параметров до давления отбора на паровой привод, до давления отбора на нужды теплоснабжения, а также теоретические и действительные тепловые перепады в паровом приводе, построенные в диаграмме ¿5, даны на рис. 4. Кроме этого, на этом рисунке показаны теоретические тепловые перепады (¿1 — 1К,)9 (¿м — Ь,С1 ) и (¿2^ — 43).
При одинаковом тепловом потреблении в обеих схемах и при полном использовании отработавшего пара паровых приводов на нужды теплоснабжения можно написать
Dм(iм-tм) = Dn(itg-ti\ (И)
а отсюда
■ = я„-^-^т-. (12)
Км ^м
где нкал1кг — энтальпия пара, отработавшего в паровом приводе;
С — температура конденсата из бойлеров при их обогреве отборным паром; ¿2 °С—то же при обогреве бойлеров отработавшим паром паровых приводов.
Ска
Рис. 4
Принимаем, что в обоих случаях переохлаждение конденсата либо отсутствует, либо имеет одинаковую величину. При этом, принимая во внимание то, что Рм — ,
(13)
Подставим в уравнение (12) значение Оп из уравнения (4), учитывая в то же время равенство (13). При этом получим
А* =
860 Ж,
(¿х-г'г)«;7!^ 'iм-t 2
кг ¡час.
(И)
Заменяя в уравнении (10) Ом его значением из уравнения (14), будем иметь
А£?_ 860.& У?п (¿0 ¿К)
1
(11 г«1 __¿2 Ки 1%к \
11 - Н 1м — Ч — Н '
кг/час. (15)
-Чр
1
^т 'Чг Утр "ЧэмУр
Из диаграммы ¿Б (рис. 4) видно, что
1м = Н—(Ь — Ь)-По1 (16)
^ = (17)
Произведя несложные алгебраические преобразования в круглых скобках первого члена уравнения (15), стоящего внутри квадратных скобок, с учетом уравнений (16) и (17) получим
д В= 860
1о — I
К г'о; 'Пт Ъ Т1у "По! -Чпг "Чг %пр Ъм Чр
* ' кг'час, (18)
где -Цу =---г-—---• (19)
2
м
Удельный расход условного топлива на выработанный /¿г пара в котельной можно выразить
Ь = кг!кгу (20)
7000 у\ку
где ¿к °С — температура питательной воды в котельной; у\ку — к.п.д. котельной установки.
При этом уравнение (18) можно переписать в следующем виде
7000 %у %
1 1 1
—----! кг ¡час, (21)
г1пп Чы г1}п ЧР Чу г1т Чг г1тр Чэм Чр ]
где % —термический к.п.д. установки, который выражается
ги = . (22)
¿0 — ^
В случае неполного использования отработавшего пара на нужды теплоснабжения, выразим, как и Мелентьев, долю использования этого пара
8 = Васп . (23)
А,
Тогда количество отборного пара из промежуточных ступеней турбины ТЭЦ для нужд теплоснабжения при применении электрического привода рабочих машин составит
Ом = Эисп = 8 Д, кг\яас. (24)
С учетом этого уравнение (19) примет вид
т-= Т^еж^Е^ - ^ -ы*' (25)
- ¿2 ^ *2
Для объяснения физической сущности коэффициента ^ укажем на следующее. При отборе пара на паровой привод увеличивается коэффи-
циент недовыработки у\ по сравнению с коэффициентом у2, как это видно из сравнения уравнений (3) и (7). Этот фактор вызывает увеличение расхода пара на турбины ТЭЦ. Но при электрическом приводе увеличивается выработка электроэнергии турбинами на величину потребляемой энергии электрическими приводами, что ведет к увеличению расхода пара турбинами. Вместе с этим за счет уменьшения у2 по сравнению с уг расход пара на турбины уменьшается. Влияние этих факторов, взятых вместе, учитывается коэффициентом ?], который мы условно называем коэффициентом уравнивания.
2-й случай:
.Электроснабжение осуществляет с-я от заводской ТЭЦ-Отработавший пар приводов машин используется в турбине мятого пара или в последних ступенях турбин ТЭЦ (рис. 2) и з-з а отсутствия тепловых потребителей.
При заданной выработке электроэнергии W квт-ч расход пара на турбину при паровом приводе рабочих машин (схема 1) при полном использовании отработавшего пара приводов в последних ступенях турбины Еыразится
Д= —---- кг'час, (25)
(¿о — Ъа 'Чт Уг 'о h ¿к
где i2g — Ч ккал'кг — теоретический тепловой перепад от выхлопа парового привода до конденсатора.
Принимая во внимание уравнения (4) и (17), уравнение (26) после простейших алгебраических преобразований примет следующий вид
п 860 W , 860 Wn /0-ч л ------— —-кг час, (27)
(h - iK) Г1 01 Г1т Г}г (h - 1к) К Xl yinm IV
где
^ =-. (28)
¿КЗ ьк\
V-4
lot I
¿1 — 12
Часовой расход пара при электрическом приводе рабочих машин будет
Д* =- ^ п-кэ]час. (29)
(ч - 1к) ч\01 ч\т Чг
С учетом уравнения (8) уравнение (29) можно переписать в следующем
виде
п 860 № . 860 ^п
£)<> — ---[----кг¡час, (30)
(¿0 — Т\<Н Ут Уг (¿0 — '*) гк» Ут Уг Утр Уэм Ур
а экономия условного топлива от применения электрического привода
будет
мз= 860 w*
7000 т^у
1 1
Уп Voi Ут rip Уу y\0i у\т Ч\г Утр Узм У}
кг\%ас. (31)
При неполном использовании отработавшего пара паровых приводов, если выразим
й Оцеп (32)
~ А, '
6. Изв. ТПИ, т. 89 81
уравнение для коэффициента уравнивания примет вид
1____
¿1 (1—8)+(8/«3 — М)
^ ~ (Л — /•„ ^ *
Н
3-й случай:
Электроснабжение осуществляется от районной электрической сети, а теплоснабжение от заводской котельной (рис. 3^).
Расход пара турбинами районной системы на выработку заданного количества электроэнергии Ш квт-ч при паровом приводе рабочих машин (схема 1) выразится
™ 860 Ш , ,01.
ПРХ =- кг/час. (34)
(¿0 — 1к) *Цо1 Чт Ъ
Выработка пара в заводской котельной составит
Ак = т--• 860Л" „-кг ¡час. (35)
Суммарный расход топлива в .районной системе и в заводской котельной будет
(Ч ~ 1к) "Чсн -Пт %
860 ЯГ , /ол
+ Ь* и -I Ь"*" „ - кг1час> (36)
1м)%401 ЧтЧр
где Ьр кг\кг — удельный расход условного топлива на выработанный килограмм пара в котельных районной системы;
Ьк кг/кг — то же в заводской котельной.
Удельный расход условного топлива на 1 кг пара в котельных районной системы может быть выражен уравнением (20). Что касается заводской котельной, то будем предполагать, что отпуск тепла осуществляется в виде горячей воды, подогреваемой в бойлерах. Конденсат же греющего пара возвращается в котельную с температурой tм и используется как питательная вода. При этом удельный расход топлива в заводской котельной может быть представлен как
Ък = кг'кг' (37)
Подставляя вместо Ьр и Ьк их значения из уравнений (20) и (37), будем иметь
п__860 Ш____860 ^
1 - 7000 ъ ^ ъ, Чг + 7000 ^ ^ "С ^ ^ ^ КтаС>
12 ■ X,
где =—-:--термический к, п. д. цикла парового привода рабочей
Н $м машины по выработке механической энергии. При этом установка рассматривается как противодавленческая.
В случае применения электрического привода рабочих машин выработка электроэнергии в районной системе должна увеличиться на величину
отпуска энергии для приводов рабочих машин. Выработка пара в котельных районной системы при этом будет
г* 860 W . 860 Wn
Dp2 = —----h 7:—----кг/час. (39)
(h — Ik) У01 Ут Уг (h — Ik) y0i Ут Уг Утр Уэм УР
а расход условного топлива
860 W . 860 Wn , ...ч
ВРг =--1----кг\яас. (40)
7000%у 7), У01 Ут Уг 7000 Г\Ку % 7]0/ 7)да 7]г У1тр Г]эм Г1р
В случае применения электрического привода рабочих машин заводская котельная будет вырабатывать пар только для нужд теплоснабжения; для этого необходимое количество тепла примем равным количеству тепла, отпускаемого с отработавшим паром паровых приводов при полном его использовании. При этом
Dom i}om ^от) — Df (iM (41)
где Dom кг/час — количество пара, вырабатываемого заводской котельной
для нужд теплоснабжения;
iomytomKKaJljKZ — энтальпия пара, вырабатываемого заводской котельной
и конденсата этого пара, возвращаемого из бойлеров. Из уравнения (41)
Ани кг\час. (42)
¿от 1от
Подставим в последнее уравнение значение из уравнения (35); при этом будем иметь
Г)__860 Wn__К7 w (4Ъ
UX 1м)УпУ0'1Ут fit> tom—lom
Если принять удельный расход условного топлива в заводской котельной
b lom — tom , (44)
7000 Гку
то расход условного топлива в заводской котельной будет
В* -ЩЖп--кг!час^ (45)
7000 h-iM
Прибавим к числителю последнего сомножителя уравнения (45) и вычтем из него одинаковую величину ¿г. После этого несложные преобразования дают
вк = 860 Wn____860 Wn
7000 Xiy ^ ^ г, «. rC rlp 7000 ifKy r\nn Tfoi 7)^ 7\p ■ 1 7
Суммарный расход условного топлива в районной системе и заводской котельной получим
В, = ВРа + Вя'= _^_- +__+
7000 7], 7]0.7]т 7]г 7000 Ч\ку t\f fl0l 7Jm У]тр У1ЭМ 7]р
—!--„—-----860 -кг1час. (47)
7000 7]» lft Tj*. 7|» rip 7000 г?ку Г* 7j« rfm Ур '
Экономия условного топлива при применении электрического привода-будет
ав=Вх-В2 = 860
7000
1
ь чпкучппчпо1чптЧр
г\ку Ч ч\01 -Чт Чг Чтр Чвм
кг\яас. (48):
При неполном использовании отработавшего пара паровых приводов для нужд теплоснабжения
Оот = 3 Я* кг/час, (49>
^от *от
дв 860 ^
7000 1
Чку Ч( Чо1 Чт Чг Утр Чэм *Чр
кг ¡час, (50)*
где
Чу- (1 + * ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Из приведенного анализа видно, что для определения выгодности электрического или парового привода в тех или иных энергетических схемах нет нужды вводить какие-то новые понятия вроде того, как это делает проф. Мелентьев, которые, кстати, не облегчают, а затрудняют понимание сущности рассматриваемого вопроса, а обходиться широко известными коэффициентами полезного действия теплосиловых установок.
Электрическй привод, как видно из уравнений (21), (31) и (50), будет выгоднее парового, если:
для энергетической схемы по рис. 1 и 2
X Чт Чр Чу < Чо1 Ут Чг ЧтР Ч эм Ур, (52}
для энергетической схемы по рис. 3
ЧпКу Чп Ч? Чы К Чр Чу < Ч«у Ч( 401 Чг Чшр Чэм Ъ . (53)
ЛИТЕРАТУРА
1. Мелентьев Л. А.— Об областях применения парового привода для рабочих* машин, „За экономию топлива" № 2, 1952 г.
2. Мелентьев Л. А.—Основные вопросы промышленной теплоэнергетики. ГЭИ, М.— Л., 1954.
