DOI https://doi.org/10.46845/2541-8254-2022-3(35)-11-11
УДК 621.01
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК
А. А. Канев, оператор котельной; Калининградская дирекция по эксплуатации зданий и сооружений КЖД, Калининград e-mail: greyface228@gmail.com
С. В. Кункевич, канд. техн. наук, доцент. ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет» e-mail: SKunkevich@mail.ru
Проведено сравнение двух вариантов снабжения паром потребителя: через редукционно-охладительную установку и через паровую турбину с противодавлением. Посредством эксергетического анализа обоснована возможность повышения эффективности энергетической установки за счет выработки электрической энергии на тепловом потреблении.
Ключевые слова: когенерация, теплофикация, когенерационные установки, теплоэнергетика
ВВЕДЕНИЕ
С появлением новых технологий и непрерывным движением технологического прогресса потребности человека в электрической энергии увеличиваются с каждым днем.
Традиционные варианты производства, такие как конденсационные электростанции, не являются эффективным вариантом ввиду больших потерь энергии. Кроме того, привычное нам ископаемое топливо невозобновляемо, и в целях его экономии перед нами стоит вопрос о повышении эффективности методов выработки энергии и внедрении новых способов генерации.
Один из вариантов увеличения эффективности производства энергии -комбинированное производство тепловой и электрической энергии (когенерация). При грамотном использовании такой способ генерации позволит существенно поднять экономическую эффективность и в некоторых случаях принести определенную выгоду. Мини-ТЭС такого типа состоят из нескольких элементов: теплового двигателя, электрогенератора, системы утилизации тепла, автоматики контроля и управления. В нашем случае в роли двигателя будет рассмотрена паровая турбина, питаемая котлом, но возможно также использовать газовые турбины, поршневые двигатели и комбинации паровых и газовых турбин.
Когенерационные установки имеют ряд существенных преимуществ, перечислим несколько:
- при доставке энергии до потребителя потери при когенерационном методе значительно меньше, чем при централизованном;
- независимость от центральной электросети, возможность продажи излишков электроэнергии;
- повышение эффективности котельной в связи с комбинированной выработкой;
- надежность теплоснабжения гораздо выше;
- цена электрической и тепловой энергии меньше, чем на рынке.
В настоящее время многие крупные предприятия в Российской Федерации все чаще отказываются от внешних источников электроэнергии в пользу собственных. Такой подход позволяет не только сделать свое производство независимым от местной электросети, но и сэкономить значительную часть финансовых средств. Когенерационные установки представляют собой различные комбинации паровых котлов и паротурбинных установок различной мощности. Турбины противодавленческого типа выступают в качестве редуцирующего устройства для понижения избыточных параметров пара, которое предприятия вырабатывает для собственных нужд или поставляет потребителю. Данное техническое решение позволяет в наивысшей степени использовать эксергию пара с целью получения сразу двух видов энергии: электрической и тепловой [3, с. 562]. При этом с установкой турбины линия редукционно-охладительной установки (РОУ) остается в качестве резервной на период планового ремонта турбоагрегата или на случай аварийного останова. При когенерации общие затраты топлива заметно выше по сравнению с «традиционным» методом получения пара нужных параметров, но в данном случае попутно получаем и электроэнергию. Однако возникают дополнительные потери в турбине (через концевые уплотнения), редукторе, генераторе (механические и электрические потери).
1. ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОГЕНЕРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
При отсутствии турбогенератора котельная вырабатывает тепловую энергию с расходом топлива, который определяется исходя из количества тепла, отпускаемого потребителю, потерь в котле и питающем паропроводе и РОУ, рисунок 1. На тепловых электростанциях отпуск пара через РОУ применяется в дополнение к отбору из турбины при большом потреблении пара или выходе из строя турбины с отбором пара [2, с.82].
Для котельных промышленных предприятий схема снабжения технологического процесса паром от РОУ получила наибольшее распространение [4, с. 6-8]. Эффективность замены процесса снижения параметров в РОУ заключается в срабатывании адекватного потенциала в противодавленческой турбине, являющейся, по существу, РОУ с вращающимся ротором.
Рисунок 1 - Схема паропроводов предприятия
Рассмотрим одно из предприятий, требующее для технологических нужд пар давлением 0,2-0,3 МПа и температурой около 200-250°С. Вместо РОУ направим пар на паротурбинную установку для производства электроэнергии, рисунок 1. Технические параметры турбогенераторов различной мощности, которые могут применяться для таких параметров, представлены в таблице 1. Для определенности установим за котлом противодавленческую турбину мощностью 1,25 МВт с электрогенератором такой же мощности.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Они сформированы исходя из наличия парового котла среднего давления, противодавленческой турбины 1,25 МВт:
- давление и температура пара за котлом и, соответственно, на входе в турбину и РОУ: р =1,3МПа; г =250°С;
с п _ вх ' ' п _ вх '
- давление и температура пара на выходе РОУ: рп вЬ1Х= 230кПа; ^ вьш= 125°С;
- давление и температура конденсата на впрыск РОУ: рк =0,1МПа; ^ =70°С;
- расход пара на потребителя и конденсата на РОУ: О =20 т/ч; О =0,6 т/ч;
- относительный внутренний КПД турбины: Т] =0,75;
- температура окружающей среды: Т =293К.
Таблица 1 - Технические параметры турбогенераторов
Показатели ТГ 0,5А/0,4 Р13/3,7 ТГ 0,6А/0,4 Р12/3,7 ТГ 0,75А/0,4 Р13/2 ТГ 1,25А/0,4 Р13/2,5
Номинальная мощность, кВт 500 600 750 1250
Частота вращения, об/мин:
- ротора турбины 8000 8000 8000 10500
- ротора генератора 1500 1500 1500 1500
Номинальные параметры перед турбиной (рабочий диапазон):
- абсолютное давление, МПа 1,3 (1,0-1,4) 1,2 (1,0-1,4) 1,3 (1,0-1,4) 1,3 (1,2-1,4)
- температура, °С 250 250 250 180-320
Номинальное абсолютное давление пара за турбиной (рабочий диапазон), кПа 370 (300-500) 370 (300-500) 200 (150-300) 250 (150-350)
Номинальный расход пара, т/ч 13,2 16,5 14,4 22,0
Рассмотрим два варианта отпуска теплоты на технологические нужды: от РОУ и противодавленческой турбины, составив для каждого варианта балансы эксергии.
1.1. ОТПУСК ТЕПЛОТЫ ОТ РОУ
Уравнение баланса эксергии при отпуске теплоты от РОУ
e + e = e + e
вх к еых пот
(1.1)
где е - эксергия потока пара на входе РОУ; е - эксергия конденсата на впрыск; е - эксергия потока пара на выходе; е - потери эксергии при дросселировании.
Раскрывая составляющие уравнения баланса, имеем удельные эксергии:
е = (И - И - Т (з - 3)), (12)
вх V п_вх 0 ич п_вх и//' V '
ек = (Ик - И - Т0(3к - 30)) , (13)
евых = (Ип_вых - И0 - Т0(3п_вых - 30)) , (1.4)
е = е + е - е , (1.5)
пот вх к вых
где к = 2931,8 кДж/кг, £ = 6,79 кДж/(кг-К) - энтальпия и энтропия пара на входе РОУ;
к = 2713,3 кДж/кг, £ = 7,1 кДж/(кг-К) - энтальпия и энтропия пара на выходе
РОУ;
к = 293,8 кДж/кг, £ = 0,96 кДж/(кг-К), к = 84 кДж/кг, £ = 0,29 кДж/(кг-К) -соответственно, энтальпия и энтропия конденсата при температурах К и То •
Подставляя полученные в соответствии с исходными данными параметры в уравнения (1.2-1.5), получаем: е = 944,6 кДж/кг; е = 16,9 кДж/кг; евьи. = 640 кДж/кг;
епот = 321,3 кДж/кг.
Разделив потери эксергии на ее располагаемую величину, имеем относительные необратимые потери эксергии при дросселировании, которые составляют порядка 30 %.
1.2. ОТПУСК ТЕПЛОТЫ ОТ ПРОТИВОДАВЛЕНЧЕСКОЙ ТУРБИНЫ
Для определения работы, совершаемой паром в турбине, необходимо вычислить параметры пара при теоретическом и действительном (с учетом потерь в турбине) процессах. Параметры пара перед турбиной одинаковы с вычисленными параметрами перед РОУ, а параметры за турбиной находим из следующих соображений.
На выходе турбины нужно обеспечить энтальпию пара кт д поэтому можно записать:
К_д = кп вых = 2713,35кДж/кг. Тогда действительный теплоперепад в турбине
Нд = кп вх - кт д = 218,42 кДж/кг.
Теоретический теплоперепад найдем через действительный Н с учетом относительного внутреннего КПД турбины Т]с :
Но = Нд 1г1о1 = 291,22 кДж/кг.
Энтальпия на выходе турбины в теоретическом процессе
К_а = кп вх - Н0 = 2640,54 кДж/кг.
Энтропия при адиабатном (теоретическом) процессе расширения пара в турбине есть функция начальных параметров
£т_а = /(Рп вх, К вх) =6,79 кДж/(кг-К). Теперь можно найти давление на выходе турбины
Рт ы = /(кт_ а, _ а ) = 0,297 МПя.
Давление на выходе турбины несколько выше значения давления за РОУ (р = 0,230МПа), поэтому пар нужно будет немного редуцировать для получения
сопоставимых результатов.
Имея энтальпию и давление за турбиной в действительном процессе, можно найти соответствующую энтропию, которая понадобится при составлении баланса эксергии
£т_д = /(Рт Ы, кт д) = 6,968 кДж/кг*).
Теперь определяем действительную мощность турбины
= ^п • Нд, (1.6)
где N = 1249,8 кВт при расходе пара О = 20 т/ч.
Уравнение баланса эксергии при отпуске теплоты от противодавленческой турбины:
4
е — е \ е \ е
вх вых пол пот М 7)
где е - эксергия пара на входе турбину; е - эксергия пара на выхлопе турбины; е - полезно используемая энергия (превращение в работу); е - потери эксергии при преобразовании энергии в турбине. Раскрывая составляющие уравнения баланса, имеем удельные эксергии:
(18)
s ^ т_а/ ' (1.9)
(110)
— е . _ д пот (111)
евх п _ вх "О епот — "т _ д — "т _ а — Т0^,
е — " — " — Т (s
въгх т _ д ТО )
е — " — " — Т (s
пол п _ вх т _ д 0\ п _ вх _
Расшифровка параметров, входящих в уравнения, приведена выше. Подставляя соответствующие данные в уравнения (1.8 -1.11), получаем:
евх = 944,6 кДж/кг; епот = 20,28 кДж/кг; евьа = 673,61 кДж/кг; е^ = 250,67 кДж/кг.
Разделив потери эксергии на ее располагаемую величину, получаем относительные необратимые потери эксергии в турбине, которые составляют чуть более 2 %.
Как указывалось ранее, давление за турбиной несколько выше конечного за РОУ на величину рт еьш — рп еьа = 0,067 МПа, поэтому проведем расчет эксергии для
редукционного клапана, который должен снизить давление за турбиной до
Рп въх = 0,23 МПа.
Уравнение баланса эксергии при дросселировании пара после противодавленческой турбины:
е — е + е , (1.12)
вх вых пот
где е , е , е - эксергия, соответственно, на входе, выходе дроссельного клапана и потери в нем.
Раскрывая составляющие уравнения баланса, имеем:
е —" А— " - вх т д 0 ~То(•т д — •0) ' (1.13)
е —" —" вых п вых 40 — Т0(•п вых — •0) ' (114)
е —" Л—" пот т д п вых — Т0^т д — •п вых) . (115)
Полученные с помощью уравнений (1.13 -1.15) численные значения выглядят следующим образом:
евх = 673,61 кДж/кг; евы* = 640,16 кДж/кг; еп0т = 33,45 кДж/кг.
Относительные потери эксергии на дросселирование составляют почти 5 %. Относительные совокупные потери эксергии при использовании противодавленческой турбины (с учетом конечного дросселирования) составляют 3,3 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Проведенный анализ потоков эксергии при различных способах отпуска тепла потребителю показывает, что наиболее эффективным, с точки зрения использования потенциала пара, является отпуск тепла от турбины с противодавлением. Относительные необратимые потери эксергии на дросселирование при отпуске тепла от РОУ составили порядка 30 %, а при использовании турбины с противодавлением потери - 3,3 %.
2. При применении турбин с противодавлением практически нет потерь в холодном источнике, поэтому коэффициент использования топлива максимален для этих установок. Недостатком таких схем является прямая зависимость объема выработки электроэнергии от потребления тепла, поэтому сфера их применения ограничена в основном промышленной энергетикой для компенсации затрат электроэнергии на собственные нужды.
3. Тема развития когенерации на промышленных предприятиях является актуальной и соответствует Энергетической стратегии России на период до 2035 года [1, с.57-58], которая предусматривает существенное повышение доли теплофикационной (когенерационной) выработки тепловой и электрической энергии в общем их производстве, в том числе в рамках распределенной когенерации, а также развитие малой (в зоне децентрализованного энергоснабжения) и распределенной генерации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Энергетическая стратегия Российской Федерации в период до 2035 год -2020 год. -
93 с.
2. Елизаров, Д.П. Теплоэнергетические установки электростанций: учеб. для вузов. -Москва: Энергоиздат, 1982. - 264 с.
3. Теплотехнический справочник/ под ред. В.Н. Юренева, П.Д. Лебедева. - Москва: Энергия, 1975. - 744 с.
4. Лебедев, В.М. Технико-экономическая эффективность ТЭЦ малой мощности/ В.М. Лебедев, Ю.А. Усманов // Промышленная энергетика. - 2000. - №1. - С.6-8
CURRENT STATUS AND PROSPECTS FOR THE CREATION OF COGENERATION PLANTS
Kanev A.A., boiler room operator Kaliningrad Directorate for the Operation of Buildings and Structures, Kaliningrad, e-mail: greyface228@gmail.com
Kunkevich S.V., PhD, Kaliningrad State Technical University, e-mail: SKunkevich@mail.ru
A comparison was made of two options for supplying steam to the consumer: through a reduction-cooling unit and through a steam turbine with back pressure. By means of exergy analysis, the possibility of increasing the efficiency of a power plant by generating electrical energy on heat consumption is substantiated.
Keywords: cogeneration, heating, cogeneration plants, thermal power engineering