Простосайт

ТЭЦ

Теплофикация — это действительно централизованное теплоснабжение потребителей теплом, но не от любого источника, а именно от ТЭЦ. При этом на ТЭЦ это тепло получают при конденсации пара, взятого из паровой турбины после того, когда он прошел часть турбины и выработал электрическую мощность.

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

 Если для некоторого потребителя, например г

орода 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 (рис. 3.9, а) электрической мощностью N_э с глубоким вакуумом, создаваемым конденсатором, который охлаждается водой.

При ее температуре t_охл.в = 15—20 °С можн

о 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.

Ту же задачу производства электроэнергии и тепла можно решить по-другому (рис. 3.9, б). 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 (см. рис. 1.2). При этом давлении образующийся из конденсирующе

го 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. Изображенная на рис. 3.9, б установка является не чем иным как простейшей ТЭЦ с турбиной с противодавлением (так как давление за ней, как правило, выше атмосферного).

Приведенная на рис. 3.9, б 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 (рис. 3.10).

 

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 п

ар, 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.

Отметим еще одну важную, по существу, финансовую проблему, возникающую для ТЭЦ. ТЭЦ продает потребителям два вида энергии различной энергетической ценности: тепловую и электрическую, причем их потребители в общем случае — разные. Объективно существующая экономия топлива при комбинированной выработке электроэнергии и тепла должна быть разделена и учтена в себестоимости и цене на эти два вида энергии. Однако сделать это технически невозможно: и тепло, и электроэнергия вырабатываются общими котлом, турбиной и другим оборудованием ТЭЦ; далее, с одной стороны, без отпуска тепла из отборов турбины нет экономии топлива, с другой стороны она отсутствует и без выработки электроэнергии на тепловом потреблении.
Проблеме как разделить объективно существующую экономию топлива между электроэнергией и теплом, посвящены десятки (если не сотни) работ и единственным их окончательным результатом стало понимание того, что этого сделать нельзя.

Отметим еще одну важную, по существу, финансовую проблему, возникающую для ТЭЦ. ТЭЦ продает потребителям два вида энергии различной энергетической ценности: тепловую и электрическую, причем их потребители в общем случае — разные. Объективно существующая экономия топлива при комбинированной выработке электроэнергии и тепла должна быть разделена и учтена в себестоимости и цене на эти два вида энергии. Однако сделать это технически невозможно: и тепло, и электроэнергия вырабатываются общими котлом, турбиной и другим оборудованием ТЭЦ; далее, с одной стороны, без отпуска тепла из отборов турбины нет экономии топлива, с другой стороны она отсутствует и без выработки электроэнергии на тепловом потреблении.

Проблеме как разделить объективно существующую экономию топлива между электроэнергией и теплом, посвящены десятки (если не сотни) работ и единственным их окончательным результатом стало понимание того, что этого сделать нельзя.

Устройство ТЭЦ и технологический процесс получения горячей сетевой воды на ТЭЦ

 Когда ТЭЦ не отпускает тепла (например, летом или сразу же после ввода в эксплуатацию, когда тепловые сети еще не готовы), она работает просто как конденсационная ТЭС.
Главное отличие ТЭЦ от ТЭС состоит в наличии на ТЭЦ водонагревательной (теплофикационной) сетевой установки. Остывшая в теплопри­емниках тепловой сети обратная сетевая вода поступает к сетевым насосам I подъема СН-I (рис. 3.13). Насосы повышают давление сетевой воды, исключая ее закипание при нагреве в сетевых подогревателях и обеспечивая ее прокачку через сетевые подогреватели. Из сетевого насоса СН-I сетевая вода последовательно проходит через трубную систему сетевых подогревателей СП-1 и СП-2. Нагрев сетевой воды в них осуществляется теплотой конденсации пара, отбираемого из двух отборов паровой турбины. Отбор пара осуществляется при таких давлениях, чтобы температура его конденсации в сетевом подогревателе была достаточной для нагрева сетевой воды (см. рис. 1.2).
Нагретая в СП-1 и СП-2 сетевая вода поступает к сетевым насосам II подъема, которые подают ее в пиковый водогрейный котел ПВК и обеспечивают ее прокачку через всю или часть (до теплонасосной станции) тепловой сети. Для нагрева сетевой воды в ПВК в него от ГРП подается газ, а от дутьевого вентилятора — воздух. Нагретая до требуемой темпе­ратуры сетевая вода (прямая) подается в магистраль прямой сетевой воды и из него — тепловым потребителям. 
Второе существенное отличие турбоустановки отопительной ТЭЦ от ТЭС состоит в использовании не конденсационной, а теплофикационной паровой турбины — турбины, позволяющей выполнять большие регулируемые отборы пара на сетевые подогреватели, регулируя их давление (т.е. нагрев сетевой воды и ее расход).

УСТРОЙСТВО ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ МОЩНОЙ ТЭЦ
4.1. Схема водоподогревательной установки ТЭЦ

Одной из главных задач ТЭЦ является нагрев

 требуемого количества обратной сетевой воды W_с.вс температурой t_o.c до температуры прямой сетевой воды t_п.с. Таким образом, режим работы ТЭЦ по отпуску тепла с сетевой водой диктуется потребителем тепла — тепловой сетью — и должен в неукоснительном порядке выполняться ТЭЦ.
Нагрев сетевой воды на ТЭЦ до одной и той же температуры t_п.c можно осуществить разными способами.
Самый простой, но и самый неэкономичный способ — это нагрев воды с помощью редукционно-охладительных установок (РОУ). Обратная сетевая вода поступает к РОУ, питаемой от паропровода свежего пара. Часть свежего пара, поступающего к каждой паровой турбине, редуцируется и направляется в сетевой подогреватель (СП), где, конденсируясь, передает теплоту конденсации сетевой воде. По существу, в этом случае на ТЭЦ параллельно с паровой конденсационной турбиной как бы установлена котельная с дорогостоящим энергетическим паровым котлом на высокие параметры пара, иногда сверхкритического давления, с

 дорогостоящей РОУ, арматурой и теплообменником. Поэтому такой способ нагрева сетевой воды должен использоваться только в случае крайней необходимости, например, при выводе из работы паровой турбины и необходимости выработки тепла.
Другим способом является использование теплоты конденсации пара низкого давления, отбираемого из турбины после того, как он прошел большую ее часть и выработал механическую энергию. Однако и при этом необходимо отбирать пар достаточно высокого давления, особенно для получения необходимой температуры прямой сетевой воды. Поэтому в большинстве случаев для нагрева сетевой воды на ТЭЦ используются водоподогревателъные установки, принципиальная тепловая схема которой в условных обозначениях показана на рис. 4.1. В состав водоподогревательной установки входят:

·         сетевые подогреватели;

·         система насосов, обеспечивающая циркуляцию сетевой воды через водоподогревательную установку и теплосеть (или ее часть);

·         паропроводы отопительных отборов, снабжающие сетевые подогреватели паром из турбины;

·         система эвакуации конденсата греющего пара из сетевых подогревателей;

·         система удаления неконденсирующихся газов и

з сетевых подогревателей, препятствующих хорошей передаче теплоты от конденсирующегося пара к сетевой воде.

На современных ТЭЦ для нагрева сетевой воды обычно используются два сетевых подогревателя, через которые нагреваемая сетевая вода проходит последовательно. Сначала она поступает в «нижний» подогреватель СП-1, в который поступает пар «ниже по течению» в турбине, т.е. при меньшем давлении, а затем в «верхний» сетевой подогреватель СП-2, в который поступает пар с большим давлением. При работе двух сетевых подогревателей реализуется двухступенчатый нагрев сетевой воды, который более экономичен, чем одноступенчатый (т.е. с использованием только одного сетевого подогревателя — верхнего).
Обратная сетевая вода из магистральных трубопроводов различных районов города подается в один или несколько станционных коллекторов 9 обратной сетевой воды. Из этого коллектора питаются все водонагревательные установки ТЭЦ, каждая из которых работает от своей турбины. В конечном счете, все водонагревательные установки работают на один или несколько напорных коллекторов 7 прямой сетевой воды, откуда она разводится на отопление районов города.
Сетевая вода из магистрали обратной сетевой воды ТЭЦ сетевыми насосами CH-I первого подъема подается к нижнему сетевому подогревателю СП-1, который питается паром из выходного патрубка ЦВД (это нижний теплофикационный отбор). В некоторых режимах сетевую воду можно предварительно подогреть в так называемом встроенном пучке 14 конденсатора.
Конденсатор теплофикационной турбины отличается от конденсатора турбины конденсационной тем, что в нем выделено определенное количество охлаждающих трубок с отдельным подводом и отводом охлаждающей (или нагреваемой) воды. В зимний период, когда требуется большое количество тепла, регулирующий клапан 5 перед ЦНД турбины закрывают почти полностью, для того чтобы почти весь поступающий в турбину пар направить в сетевые подогреватели. Однако для того, чтобы рабочие лопатки ЦНД не разогрелись до недопустимой температуры от трения о неподвижную плотную паровую среду, через ЦНД пропускают небольшое количество пара. Во встроенный пучок подают небольшое количество сетевой или подпиточной воды теплосети, а в трубки основного трубного пучка 13 циркуляционная охлаждающая вода не подается. Конденсирующийся на трубках встроенного пучка пар передает свое тепло конденсации сетевой воде. Конденсатор в таком режиме работает как подогреватель сетевой воды.
Продолжим рассмотрение схемы, показанной на рис. 4.1. После СП-1, если температура сетевой воды соответствует требованию температурного графика тепловой сети, то она через байпасные линии (через задвижку 6) сетевыми насосами СН-II второго подъема направляется в напорную магистраль 7 прямой сетевой воды ТЭЦ. Если нагрев воды недостаточен, то сетевая вода подается в СП-2, обогреваемый паром с большим давлением и соответственно с более высокой температурой конденсации. В большинстве случаев сетевая вода, пройдя через оба подогревателя, нагреется до 100—110 °С. Поэтому при необходимости иметь еще более высокую температуру сетевой воды, например, в очень холодное время, ее после нагрева в двух подогревателях направляют в ПВК. В нем сжигается дополнительное топливо, и вода нагревается до 140—200 °С в соответствии с потребностями конкретного теплового графика.
Паропроводы 2 отопительных отборов подают пар из турбины в подогреватели. Главное требование к ним — малое гидравлическое сопротивление. Поэтому их выполняют большим числом (обычно 1—4), большого диаметра (вплоть до 1300 мм), минимальной протяженности (сетевые подогреватели размещают прямо под турбиной) и с минимальным количеством арматуры.
Конденсат греющего пара СП-2 (см. штриховую линию на рис. 4.1) по каскадной схеме сбрасывается в СП-1, а из него с помощью сливного на­соса 8 он закачивается в систему регенерации.
К сожалению, в тепловых сетях теряется определенное количество сетевой воды. Поэтому на ТЭЦ устанавливается специальная подпиточноя установка теплосети (рис. 4.1). Сырая вода из сливного водовода 3 конденсатора группой параллельных насосов 7 подается к химводоочистке ХВО, а из нее — в специальный вакуумный (или атмосферный) деаэратор 10. Греющей средой в деаэраторе является сетевая вода, нагретая в СП-1 и СП-2. Поскольку давление сетевой воды составляет 0,8 МПа, а температура — 60—100 °С, то при ее подаче в деаэратор, находящийся под вакуумом, она вскипает. Образующийся пар нагревает химически очищенную воду до температуры насыщения, при которой выделяются растворенные газы. Затем очищенная и деаэрированная вода подпиточными насосами 15 подается в коллектор 9 обратной сетевой воды ТЭЦ, к которому параллельно подсоединяются подпиточные установки, описанные выше.

 

4.3. Устройство сетевого подогревателя

 

 Назначение сетевого подогревателя состоит в нагреве заданного коли­чества сетевой воды до заданной температуры. Принцип его работы ничем не отличается от принципа работы поверхностного конденсатора. Разница состоит, прежде всего, в том, что в конденсаторе холодный теплоноситель (циркуляционная вода) служит для конденсации пара, покидающего турбину, и создания низкого давления на выходе из турбины, а в подогревателе осуществляется нагрев сетевой воды до заданной температуры за счет тепла конденсации пара при давлении, которое обеспечивает необходимую температуру конденсации. Другое существенное отли­чие сетевого подогревателя от конденсатора состоит в условиях работы: параметрах нагреваемой среды и греющего пара. В конденсаторе циркуляционная вода нагревается на 10—15 °С и составляет на выходе из него в самом неблагоприятном случае 40—50 °С. После подогревателей температура составляет 100—110 °С, а после дополнительного нагрева в ПВК — 140—150 °С. Для того чтобы сетевая вода не закипела, ее давление с учетом необходимого запаса должно быть не менее 8 ат (0,8 МПа). Давление циркуляционной воды в конденсаторе существенно ниже и определяется только необходимостью преодолеть гидравлическое сопротивление конденсатора и (при установке градирни) поднять ее до сопел разбрызгивающего устройства градирни и обеспечить ее распыл. Давление поступающего в конденсатор пара не превышает 10—12 кПа, в то время как для обеспечения нагрева сетевой воды требуется температура конденсации, соответствующая давлению 2,5—3 ат (250—300 кПа). Таким образом, по параметрам теплоносителей сетевые подогреватели работают в существенно более сложных условиях, чем конденсаторы. Зато объемные расходы теплоносителей, поступающих в подогреватели, существенно меньше и, как результат, их габариты значительно меньше, чем конденсаторов (хотя в абсолютных цифрах — это громадные аппараты).
Теплофикационная турбина с одним сетевым подогревателем представляет собой как бы две турбины с двумя конденсаторами: конденсационный поток пара проходит всю турбину и поступает в конденсатор, а теплофикационный — только через часть турбины и поступает в сетевой подогреватель, который играет роль конденсатора. Отсюда следует роль сетевого подогревателя: она зависит от соотношения значений конденса­ционного и теплофикационного потоков пара и от работоспособности теплофикационного потока. Поскольку работоспособность теплофикационного потока существенно меньше, чем конденсационного, так как давление за первым больше, то даже небольшое изменение давления в камере отбора турбины приводит к существенному изменению работоспособности пара, мощности и экономичности теплофикационного потока. Особенно велико влияние давления в отборе при работе в чисто теплофикационном режиме, когда теплофикационная турбина работает как турбина с противодавлением.
На турбинах современных ТЭЦ обычно используют ступенчатый подогрев сетевой воды в нескольких сетевых подогревателях, обычно в двух. В такой турбине протекает как бы три потока пара: два теплофикационных и один конденсационный.
Для теплофикационных установок ТЭЦ выпускают сетевые подогреватели двух типов: 

вертикальные (ПСВ) и горизонтальные (ПСГ).
 В качестве примера конструкции горизонтального сетевого подогревателя (ПСГ) рассмотрим четырехходовой подогреватель ПСГ-1300-3-8-1 для турбины Т-50-12,8 ТМЗ.
На рис. 4.4 показан ПСГ в условном положении, повернутым относительно горизонтальных опор на 67°30', позволяющем понять конструкцию ПСГ в общих чертах. Он состоит из стального цилиндрического корпуса, к основаниям которого приварены трубные дос

ки, закрытые водяными камерами. Для компенсации взаимных температурных расширений трубок, завальцованных в трубные доски, и корпуса установле

н линзовый компенсатор.

Пар в ПСГ поступает через два патрубка (транспортные заглушки, показанные на патрубках на рис. 4.4, при монтаже срезаются и к патрубкам привариваются паропроводы, идущие от турбины). В патрубках установлены специальные концентрические воронки, обеспечивающие равномерную раздачу пара по длине трубного пучка. Для исключения вибрации трубок установлены три промежуточных трубных доски. На рис. 4.4 на видах Б и А штриховыми линиями показаны перегородки в трубных досках, об

еспечивающие четырехходовую схему движения сетевой воды.

На рис. 4.5 показаны отдельно перегородки в водяных камерах, позволяющие понять схему движения сетевой воды. Знаком плюс обозначено направление движения от нас, а точкой — к нам. Сетевая вода поступает в сектор a

bcи совершает I ход, двигаясь к задней водяной камере. Горизонтальная перегородка dbe заставляет воду повернуть на 180° и двумя потоками через секторы трубок abd и cbe совершить II ход. Развернувшись на 180°, сетевая вода двумя потоками совершает III ход по трубкам, расположенным в секторах dbm и nbe. Эти потоки сливаются в задней камере и, совершая IV ход, поступают в сектор mbn. И из нее нагретая сетевая вода направляется или в следующий подогреватель, или в ПВК, ил

и в тепловую сеть.