Использование избытков пара производственных отборов турбин ТЭЦ

М. Е. Орлов, аспирант,

В. И. Шарапов, профессор, д. т.н. (Ульяновский государственный технический университет)

На ТЭЦ основная тепловая нагрузка обеспечивается за счет высокоэкономичных теплофикационных отборов пара турбин на основные сетевые подогреватели. Остальная часть тепловой нагрузки (сверхбазовая или пиковая) отпускается от источников пиковой тепловой мощности. Отношение максимальной тепловой мощности  Qот, МВт, обеспечивае-мой отборным паром турбин,

к максимальной тепловой нагрузке ТЭЦ

Qтм, МВт, называется коэффициентом теплофикации

 ТЭЦ

  Qот

Qтм. (1)

Чем больше значение имеет

 ТЭЦ, тем больше

комбинированная выработка электроэнергии на тепловом потреблении, поэтому значительное влияние на эффективность теплофикации оказывает выбор способа обеспечения пиковой тепловой мощности ТЭЦ. В качестве пиковых источников теплоты в нашей стране наибольшее распространение получили водогрейные котлы, как относительно простые и дешевые по капитальным затратам. Предполагается, что при обычно рекомендуемом

коэффициенте теплофикации

 ТЭЦ =0,50,7 время работы

водогрейных котлов не должно ощутимо превышать 1000 часов в год, а отпуск теплоты от них – 10% от общего отпуска теплоты, поэтому ущерб от пониженной экономичности этих котлов для ТЭЦ невелик.

На практике широко распространено ошибочное мнение о том, что при наличии на ТЭЦ пиковых водогрейных котлов нет необходимости в других пиковых источниках тепла, например, в пиковых сетевых подогревателях. Опыт эксплуатации показывает, что продолжительность работы пиковых водогрейных котлов превосходит проектные величины, а доля вырабатываемой этими котлами теплоты достигает 4050%. Нами доказано, что установка на ТЭЦ пиковых сетевых подогревателей с пиковыми водогрейными котлами может дать существенный экономический эффект.

Эффективность теплофикации оценивается прежде всего величиной экономии условного топлива В, т, при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии

h – число часов использования отбора; bэ – разность удельных расходов условного топлива на выработку электроэнергии по конденсационному и теплофика-ционному циклам, г/кВтч.

Величина экономии топлива за счет получения дополнительной электрической мощности на тепловом потреблении зависит от всей совокупности тепловых потоков разного потенциала, отпускаемых от ТЭЦ, как для целей отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, так и для обеспечения тепловой технологической нагрузки промышленных предприятий. Именно совместное комбинированное использование различных тепловых потоков позволяет получить максимальную выгоду от теплофикации.

Технологическая нагрузка промышленно-отопительных ТЭЦ имеет существенную суточную, недельную и годовую неравномерность. Производственные отборы теплофикационных турбин ТЭЦ как в течение года, так и в течение суток имеют такие режимы работы, когда их нагрузка значительно снижается [1]. Наш анализ показал, что потребление пара, отпускаемого от Ульяновской ТЭЦ-1 для технологических нужд промышленных предприятий, также имеет значительную суточную неравномерность.

Изменение структуры покрытия тепловых нагрузок на ТЭЦ в сторону увеличения использования избытков пара с давлением 0,6-1,3 МПа для покрытия отопительной нагрузки приводит к рационали-зации режимов работы энергетических паровых котлов, вытеснению неэкономичных и ненадежно работающих пиковых водогрейных котлов, увеличению выработки электроэнергии на тепловом потреблении.

Выполненный авторами анализ суточной технологической нагрузки Ульяновской ТЭЦ-1 показал, что имеется возможность использования технологического пара для целей теплофикации, для чего целесообразно наряду с пиковыми водогрейными котлами иметь на ТЭЦ специальные пиковые сетевые подогреватели (рис. 1).

Для анализа возможности использования технологического пара в целях обеспечения отопительной нагрузки нами применен графо-аналитический метод, сущность и новизна которого заключаются в наложении графиков коммунально-бытовой и технологической нагрузок ТЭЦ. На рис. 2 изображены графики коммунально-бытовой (вверху) и технологической (внизу) нагрузок по продолжительности для случая, когда максимальная присоединенная производственная нагрузка Qпрм равна величине суммарной мощности производственных отборов Qпо.

6

11

5

12 12

9 7

Рис. 1. Схема ТЭЦ с пиковыми сетевыми подогревателями, подключенными к производственному отбору турбины, и пиковыми водогрейными котлами: 1 пиковый водогрейный котел; 2, 3 подающий и обратный трубопроводы теплосети; 4 сетевой насос; 5 энергетический котел; 6 теплофикационная турбина; 7 отопительные отборы пара; 8 сетевые подогреватели; 9 деаэратор повышенного давления;

10 пиковый сетевой подогреватель; 11 трубопровод технологического пара; 12 регенеративные подогреватели

Совместный анализ этих графиков показывает, что за счет суточной и сезонной неравномерности технологической нагрузки определенное количество теплоты, которое в течение отопительного сезона (около 5000 часов) могло быть отпущено потребителю, остается полностью неиспользованным. Количество неиспользованной теплоты на рис. 2 (внизу) выражено площадью 1-2-3, где линия 1-2 соответствует максимальной присоединенной производственной нагрузке, а линия 2-3 соответствует началу отопительного сезона. При наложении площади 1-2-3 на график коммунальнобытовой нагрузки (вверху) видно, что часть неиспользованного тепла Qпб может быть использована для целей теплофикации. На рис. 2 (вверху) доля используемой теплоты технологического пара на теплофикационные нужды при  ТЭЦ =0,5 соответствует площади 1-4-5 с двойной штриховкой.

1,0

3

5

0,5 2

1 4

тэц=0,5

0

0

Qпр

1,0

1

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 8760

2

3

n, ч

0,5

0

Рис. 2. Графики коммунально-бытовой и технологической нагрузок по продолжительности при условии Qпрм= Qпо

Величина Qпб определяется целым рядом факторов, основные из которых:

— число часов использования максимума nм присоединенной производственой нагрузки Qпр;

— отношение между максимальной присоединенной теплофикацион-ной нагрузкой Qтм и максимальной присоединенной технологичес-кой нагрузкой Qпрм;

— соотношение между суммарной мощностью производственных отборов Qпо и величиной

Qпр;

— проектный коэффициент теплофикации  ТЭЦ ;

— продолжительность отопительного сезона.

По данным докризисного периода для Ульяновской ТЭЦ-1 число часов использования максимума присоединенной нагрузки nм = 5644 ч/год, максимальная присоединенная технологическая нагрузка Qпрм = 178,4 МВт (153,4 Гкал/ч), а максимальная присоединенная теплофикационная нагрузка Qтм = 976,9 МВт (840 Гкал/ч). Отношение этих величин Qпрм/Qтм = 0,183. Продолжительность отопительного периода для климатических условий г. Ульяновска составляет 5112 ч (213 суток) [2].

Будем считать, что максимальная присоединенная технологическая нагрузка Qпрм равна суммарной мощности производственных отборов за вычетом теплоты на собственные нужды, т. е. Qпрм = Qпо – Qсн.

По формуле (1) определяем коэффициент теплофикации тэц, для реальных условий эксплуатации ТЭЦ-1 Qот= 525,7 МВт (452 Гкал/ч), соответственно коэффициент теплофикации  ТЭЦ = 0,538. При изменении величины  ТЭЦ изменяется и доля используемого тепла Qпб. Используя графики технологической и коммунально-бытовой нагрузок по продолжительности, аналогичные рис. 2, но построенные в масштабе для реальных условий работы Ульяновской ТЭЦ-1, определяем графоаналитическим методом долю тепла из производственных отборов для целей теплофикации при различных значениях коэффициента  ТЭЦ. В результате расчетов получена зависимость  = f(  ТЭЦ ), которая показана на рис. 4. Относительная тепловая нагрузка пикового сетевого подогревателя  представляет собой отношение действительной нагрузки Qпб к количеству теплоты Qгод, отпущенному

на коммунально-бытовые нужды за весь год  =Qпб/Qгод. Для Ульяновской ТЭЦ-1 Qгод= 839,1104 ГДж

(200,4104 Гкал).

áтэц

 

оэфф

 

ã

 


от к ициента теплофикации

 

из произЭводсФтвенного отбоОра на пикоРвый сетевЭой подогреватель,

 

Рис. 3. ГраТфик зависимости относительногоколи1чества теплоты, отпускаемого

Полученная зависимость  = f(  ТЭЦ ) аппроксимирована с коэффи-циентом достоверности 0,99

ТЭЦ

 

ТЭЦ

 

следующим полиномом:

По графику или по формуле (3) определяем, что при коэффициенте теплофикации  ТЭЦ =0,538 доля технологического пара в покрытии теплофикационной нагрузки  = 0,0178, при этом тепловая нагрузка, переданная с пиковых водогрейных котлов на энергетические котлы и пиковый сетевой подогреватель, составит Qпб= 149360 ГДж (35670 Гкал). Передавая нагрузку с пиковых

водогрейных котлов на пиковый сетевой подогреватель, мы тем самым увеличиваем комбинированную

выработку электроэнергии на тепловом потреблении и уменьшаем выработку конденсационным способом, что и обеспечивает экономию топлива. Величину экономии топлива можно оценить по формуле (2), подставив в нее значение D, кг/с, расхода пара производственного отбора на пиковый сетевой подогреватель

D

 

Qпб

где Qпб – нагрузка пикового сетевого подогревателя, кДж; iк – энтальпия конденсата после пикового сетевого подогревателя, кДж/кг.

Для рассматриваемого примера i0=3496, iотб=2972, iк=758 кДж/кг, h=1800 ч, расход пара на пиковый подогреватель, определенный по формуле (4), D = 10,41 кг/с. Принимая разность удельных расходов топлива на выработку электроэнергии по кондесационному и теплофикационному циклам bэ = 250 г/кВтч, по формуле (3) определим экономию условного топлива В = 2790 т в год. При стоимости условного топлива 2000 руб./т экономия денежных средств на ТЭЦ составит 5580 тыс. рублей в год.

Расчет был произведен по докризисным данным работы ТЭЦ. В условиях экономического кризиса из-за спада или перепрофилирования производства использование технологического пара на большинстве производственных предприятий значительно уменьшилось. В связи с этим при Qпрм<Qпо возможность использовать технологический пар увеличивается (рис. 4).

На графике технологической нагрузки (рис. 4, внизу) площадь 1-2-3, соответствует такой же площади на рис. 2, линия 6-7, обозначающая максимальную мощность производственных отборов, проходит выше линии 1-2, поэтому площадь 1-3-7-6 больше, чем площадь 1-2-3. Наложение площади 13-7-6 на график коммунально-бытовой нагрузки (вверху) наглядно показывает, что в пиковый сетевой подогреватель можно подать большее количество теплоты Qпб, которое соответствует площади 1-5-4-6 с двойной штриховкой. При наличии достаточного количества технологического пара на ТЭЦ вся пиковая тепловая нагрузка может быть обеспечена в пиковых сетевых подогревателях, что позволит полностью отказаться от применения неэкономичных и ненадежных в эксплуатации водогрейных котлов.

Qот

1,0

3

5

1 2

0,5

тэц=0,5

6 4 7

0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 8760

n, ч

Qпр 6

1,0

Qпо 7

1 2

3

0,5

Рис. 4. Графики коммунально-бытовой и технологической нагрузок по продолжительности при условии Qпрм < Qпо

Передача 149360 ГДж коммунально-бытовой нагрузки с пиковых водогрейных котлов на пиковые сетевые подогреватели, использующие избыток пара производственных отборов турбин, приводит к вытеснению неэкономичных и ненадежно работающих пиковых водогрейных котлов и позволяет сэкономить до 2790 т условного топлива в год за счет увеличения выработки электроэнергии на тепловом потреблении. Следовательно, установка пиковых сетевых подогревателей является эффективным и малозатратным мероприятием, которое существенно повышает надежность и экономичность ТЭЦ.

ВЫВОДЫ

1. С целью определения возможности использования избытков технологического пара для покрытия пиковой тепловой нагрузки систем теплоснабжения предложен графо-аналитический метод совместного анализа графиков коммунально-бытовой и производственной нагрузок промышленноотопительных ТЭЦ.

2. Применение графо-аналитического метода позволило доказать, что на ТЭЦ целесообразно наряду с пиковыми водогрейными котлами иметь специальный пиковый сетевой подогреватель для использования в нем избытка технологического пара, возникающего из-за неравномерности графиков тепловых нагрузок.

3. В условиях экономического кризиса доля пара производственного отбора на пиковый сетевой подогреватель может быть увеличена, а при наличии достаточного количества технологического пара нужно полностью отказаться от применения неэкономичных и ненадежных водогрейных котлов и всю пиковую тепловую нагрузку обеспечивать в пиковых сетевых подогревателях.

4. В результате анализа графиков нагрузок Ульяновской ТЭЦ-1 получена математическая зависимость, позволяющая определить в относительных единицах количество технологического пара, направляемого на пиковый сетевой подогреватель, в зависимости от значения коэффициента теплофикации.

5. Применение пиковых сетевых подогревателей, использующих излишки пара производственных отборов турбин, для обеспечения пиковой тепловой нагрузки позволяет сэкономить около 0,02 т/ГДж (0,08 т/Гкал) условного топлива за счет увеличения выработки электроэнергии на тепловом потреблении.

(Материал взят из книги Научнотехнический калейдоскоп Серия «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» — Шарапов В. И.)