Раздельная и комбинированная выработка электроэнергии и тепла. Термодинамическое преимущество комбинированной выработки.

Если для некоторого потребителя, например города требуется в некоторый момент количество электроэнергии N_э (в единицу времени) и количество тепла Q _т, то технически проще всего получить их раздельно.

Для этого можно построить конденсационную ПТУ электрической мощностью N_э с глубоким вакуумом, создаваемым конденсатором, который охлаждается водой.

При ее температуре t_охл.в = 15—20 °С можно получить давление в конденсаторе р_к = 0,04—0,06 ат (3—4 кПа), а температура конденсирующегося пара будет составлять в соответствии с рис. 1.2 t_к = 30—35 °С. Кроме того, для производства тепла Q_т можно построить РТС, в водогрейном котле которой циркулирующая сетевая вода будет нагреваться, например, от 70 до 110 °С. При раздельном производстве Q_т тепла и N_э электроэнергии общая затрата тепла, которая будет получена из топлива, составит

Q_разд = Q_т + N_э(η_кη_пту)

где _к — КПД котла, составляющий 90—94 % (см. рис. 1.1); _ПТУ — КПД конденсационной ПТУ, равный примерно 45 %.

Ту же задачу производства электроэнергии и тепла можно решить по-другому . Вместо конденсатора на КЭС можно установить сетевой подогреватель, от которого получать количество теплоты Q_т. Ко­нечно, поскольку нагретая сетевая вода должна иметь, скажем, 110 °С, то давление в сетевом подогревателе (и за паровой турбиной) должно быть не 0,05 ат (как в конденсаторе турбины КЭС), а на уровне 1,2 ат. При этом давлении образующийся из конденсирующего пара конденсат будет иметь температуру примерно 120 °С, что и обеспечит нагрев сетевой воды до 110 °С.

Таким образом, в одной энергетической установке вырабатывается одновременно электрическая энергия и тепло в требуемых количествах. По­этому такое производство тепла и электроэнергии называют комбинированным. Термины «комбинированное производство» и «теплофикация» — синонимы. Установка является не чем иным как простейшей ТЭЦ с турбиной с противодавлением (так как давление за ней, как правило, выше атмосферного).

Расход тепла при комбинированной выработке при тех же N_э и Q_т составит:

Q_комб = Q_т + N_э/η_к

В этой формуле, получаемой из при _ПТУ = 1, учтено, что тепло, выходящее с паром из турбины, не отдается бесполезно охлаждающей воде в конденсаторе, а полностью отдается в сетевом подогревателе теп­ловому потребителю. При этом не сжигается дополнительное топливо в водогрейном котле.

Разность количеств тепла, затраченного на получение электрической мощности N_э и тепла Q_т при раздельной и комбинированной их выработке

ΔQ = Q_разд – Q_комб = ((1/η_пту)-1)(1/η)XQ_т

где  = N_э/Q_т — очень важная характеристика, называемая выработкой электроэнергии на тепловом потреблении.

Так как Q = B_тQ_сг где B_т — экономия топлива, а Q_сг — его теплота сгорания, то экономия топлива при комбинированной выработке тепла и электроэнергии по сравнению с раздельной составит

ΔB_т = (1/Q_сг)((1/η_пту)-1)(1/η_к)XQ_т

Так как _ПТУ < 1, то всегда B_т > 0, т.е. при теплофикации всегда возникает экономия топлива. Физическая причина экономии топлива очевидна: теплота конденсации пара, покидающего паровую турбину, отдается не охлаждающей воде конденсатора, а тепловому потребителю.

Из (3.4) видно, что чем хуже конденсационная паротурбинная установка, т.е. меньше _ПТУ, тем эффективнее теплофикация, так как большее количество тепла, передававшееся охлаждающей воде при раздельной выработке, теперь передается сетевой воде.

Экономия B_т зависит от соотношения электрической и тепловой мощности  = N_э/Q_т. Чем больше N_э при фиксированной Q_т, тем большая конденсационная мощность замещается экономичной теплофикационной.

Простейшая теплофикационная ПТУ позволяет легко понять преимущество комбинированной выработки. Однако она имеет существенный недостаток: с ее помощью нельзя произвольно изменять соотношение между электрической N_э и тепловой мощностью Q_т. Изменение любой из них приводит к автоматическому изменению другой и не всегда в соответствии с требованиями потребителей. Чаще всего ПТУ такого типа используют там, где требуется изменение по определенному графику только одного параметра, обычно тепловой нагрузки Q_т, а второй параметр — мощность, будет такой, «какой получится».

Для того, чтобы исключить этот недостаток, теплофикационную турбину выполняют с регулируемым отбором пара нужных параметров и с конденсацией пара в конце процесса расширения.

С помощью регулирующих клапанов РК-1 и РК-2 соответственно перед ЦВД и ЦНД можно в широких пределах изменять независимо электрическую мощность и отпуск тепла. Если клапан РК-2 закрыть полностью и направить весь поступивший в турбину пар в сетевой подогреватель, то турбина будет работать как турбина с противодавлением и выгода от теплофикации будет максимальной. Так обычно работают теплофикационные турбины зимой, когда требуется много тепла. Если, наоборот, открыть полностью РК-2 и закрыть проток сетевой воды через сетевой подогреватель, турбина будет работать как конденсационная с максимальной потерей тепла в конденсаторе. Так обычно работают теплофикационные турбины летом.

Ясно, что экономичность работы турбоустановки с теплофикационной турбиной зависит от соотношения расходов пара в сетевой подогреватель и конденсатор: чем оно больше, тем больше экономия топлива.

Таким образом, теплофикация всегда приводит к экономии топлива, которая в масштабах всей России оценивается примерно в 15 %. Однако при этом следует помнить, что пар, идущий в сетевой подогреватель, вырабатывается энергетическим, а не простым водогрейным котлом. Для транспортировки пара нужны паропроводы большего диаметра на высокие, иногда сверхкритические параметры пара. Теплофикационная турбина и ее эксплуатация существенно сложнее, чем конденсационная. В конденсационном режиме теплофикационная турбина работает менее экономично, чем конденсационная.

Это приводит к тому, что экономически целесообразным оказывается иметь в системе электро- и централизованного теплоснабжения и ТЭЦ, и котельные, и конденсационные электростанции. При этом надо иметь в виду, что часть структуры этих систем складывается исторически, с предварительным вводом котельных, которые в дальнейшем играют роль резервных источников тепла.