Оценка эффективности основных элементов оборудования паросилового цикла тепловой электростанции эксергетическим методом

 

В статье выполнена оценка эффективности основного оборудования паросиловой электростанции эксергетическим методом, использующим анализ работоспособности потоков теплоты и рабочего тела. Метод позволяет выявить и количественно определить необратимые потери в рабочих процессах каждого элемента энергоустановки. Традиционный метод оценки эффективности элементов теплосиловой установки основан на вычислениях термического КПД. Результаты анализа приводят к существенному различию тепловых потерь, определенных этими методами. Так, для котлов с высокими параметрами пара, потери энергии, определенные классическим методом, составляют 9 %, а эксергетическим — 49 %. В главных конденсаторах, где рабочее тело имеет низкие параметры, расчет потерь энергии, определенный традиционным методом, составляет 55 %, а эксергетическим — 6,4 %. Это объясняется высокопотенциальным характером тепловых процессов в котлоагрегате и, наоборот, низкопотенциальными процессами в конденсаторе.

 

Эксергетический метод оценки эффективности энергетических установок позволяет выбрать оптимальные параметры рабочих тел и конструктивные характеристики оборудования на стадии проектировании.

Исследования термодинамической эффективности и выбор разрабатываемого перспективного энергетического паросилового оборудования с учетом потерь в необратимых циклах [1, 3–6] основываются на базе анализа и сравнения термических коэффициентов полезного действия при использовании либо коэффициента заполнения T,s — диаграммы рассматриваемого цикла и цикла Карно, принимаемого за «эталон», (в том же диапазоне изменения температур и энтропий), либо на величинах средних температур подвода и отвода теплоты в цикле. При расчете данных характеристик эффективности используют метод тепловых балансов, основанный на применении 1-го закона термодинамики.

Уравнение 1-го закона термодинамики:

,

где  — теплота, подведенная к рабочему телу при нагревании от состояния 1 до состояния 2;  — изменение внутренней энергии рабочего тела так же в процессе 1–2;  — совершаемая рабочим телом работа в том же процессе, кДж; , ,  — аналогичные удельные массовые характеристики процесса 1–2, кДж /кг.

Как известно, для характеристики совершенства рассматривают термический КПД рабочего цикла

где  — теплота, подведенная к рабочему телу от горячего источника, и

 — теплота, отведенная от рабочего тела к холодному источнику, кДж.

В результате на базе технико-экономического анализа рассматривают величины различных КПД, сводимые в конечном счете, к удельному расходу топлива на единицу выработки теплоты, электроэнергии или другого вида выпускаемой продукции, а также учитывают капитальные вложения на строительство установки. Попытки унификации многообразных КПД двигателей, рабочих машин и котлов привели “к 35-и КПД со слабой логической взаимосвязью“

В этих же целях рассматривается энтропийный метод расчета потери работоспособности системы из-за необратимости рабочих процессов цикла.

“Работоспособностью тепла [1], отбираемого от горячего источника с температурой Т1, называется максимальная полезная работа Lмакс. полезн., которая может быть получена за счет этого тепла, при условии, что холодным источником является окружающая среда с температурой Т0.

Расчет Lмакс. полезн., свойственной изолированной системе с обратимыми процессами перехода источника работы из неравновесного (начального) состояния в (конечное) состояние равновесия с окружающей средой выполняют по соотношению [1],

Lмакс. полезн.= (U1 — U2) — T0(S1 — S2) — p0(V2 — V1),

где U1, U2; V1, V2; S1, S2; — обозначены соответственно, внутренняя энергия, объем и энтропия источника работы в начальном неравновесном состоянии (индекс “1”) и в конечном равновесном состоянии в отношении окружающей среды (индекс “2”).

Полезную работу Lполезн той же изолированной системы в составе источника работы и окружающей среды, в которой рабочие процессы происходят необратимо, рассчитывают по соотношению

Lполезн.= (U1 — U2) — T0(S02 — S01) — p0(V2 — V1),

где S01, S02 — энтропия окружающей среды в состояниях “1” и “2”, соответственно.

Очевидно, что Lмакс. полезн > L полезн, и разность между ними составит потерю работоспособности ΔL = Lмакс. полезн — L полезн вследствие необратимости рабочих процессов в системе между источником работы и окружающей средой. Величина этой потери работоспособности системы ΔL, называемая энергетической потерей, определится по соотношению

ΔL =ΔL = T0 [(S02 — S01) — (S1 — S2)] = T0ΔSсист.

ΔL = T0ΔSсист. — уравнение Гюи-Стодолы,

где ΔSсист. = [(S02 — S01) — (S1 — S2)] — увеличение энтропии системы.

Уравнение ΔL = T0ΔSсист. установлено французским физиком М. Гюи в 1889 г. Затем это уравнение словацким теплотехником А. Стодолой использовалось в практических расчетах потери работоспособности в элементах энергетического оборудования.

В середине ХХ века югославским ученым З. Рантом развит эксергетический метод расчета потери работоспособности системы и меры необратимости. Предложенный З. Рантом метод позволяет количественно определить необратимые потери в рабочих процессах, обусловленных параметрами их осуществления, принять режимные и конструктивные меры для снижения необратимых потерь или их недопущения.

Рис. 1. Принципиальная схема паросиловой установки

Рис. 2. Тепловая диаграмма «условно реального» цикла паросиловой установки

 

Авторами данного сообщения выполнена расчетная эксергетическая оценка характеристик основного энергетического оборудования паросилового цикла тепловой конденсационной электростанции (ТЭС) с котлом Еп-220–140ГМ ОАО Таганрогского котлостроительного завода “Красный котельщик” и паротурбинной установкой К-200–130. Принципиальная тепловая схема ТЭС представлена на рис. 1 с цифровым обозначением основного оборудования: котельная установка (1), паропровод (2) между котлом и турбиной, турбоэлектрогенератор (3), конденсатор (4) и питательный насос (5).

В таблице 1 представлены параметры и функции состояния рабочего тела в характерных точках цикла.

 

Таблица 1

Термодинамические параметры состояния и свойства рабочего тела в характерных точках цикла Ренкина для конденсационной электрической станции

Номер точки на диaграмме цикла	Термодинамические параметры состояния и свойства рабочего тела в характерных точках цикла Ренкина
	р, МПа	t, oC	T, K	ρ, кг/куб.м	v, куб.м/кг	состояние рабочего тела	h, кДж/кг	s, кДж/(кг·К)
точка “10”	14	540	813,15	41,0984	0,02433	перегретый пар	3434,16	6,532
точка “1”	13,5	525,7	798,85	40,5092	0.0247	перегретый пар	3401,13	6,5063
точка “2”	0,0035	26,67	299,82	0,03369	29,686	х = 0,75219	1945,43	6,5063
точка “2д”	0,0035	26,67	299,82	0,02997	33,363	х = 0,84535	2172,53	7,2637
точка “3 х=0”	0,0035	26,67	299,82	996,56	0,001003	Конденсат на левой пограничной кривой, х = 0	111,82	0,39061
точка “3 х=1” условная точка для сух. нас. пара	0,0035	26,67	299,82	0,02534	39,4663	Сухой насыщ. пар на правой пограничной кривой, х = 1	2549,53	8,5211
точка “5”	16,2	27	300,15	1003,62	0,000996	недогретая до насыщения вода	128,02	0,39061
точка “5д”	16,2	27,7	300,85	1003,41	0,000997	недогретая до насыщения вода	130,88	0,4001
точка “4”	15,2	343,2	616,37	599,89	0,001667	Кипящая вода на левой пограничной кривой, х = 0	1618,06	3,6958
точка “6”	15,0	342,2	615,31	96,727	0,010338	Сухой насыщ. пар на правой пограничной кривой, х = 1	2610,7	5,3106

 

Результаты оценки термодинамических характеристик основного оборудования эксергетическим методом представлены в таблице 2.

 

Таблица 2

Оценка термодинамических характеристик основного оборудования конденсационной электрической станции с котлом Еп-220–140ГМ ОАО Таганрогского котлостроительного завода “Красный котельщик” и паротурбинной установки К-200–130

Основные элементы электростанции	Причины потери эксергии	Потеря эксергии кДж/кг	Доля потери в рассматриваемом элементе КЭС от суммы потерь по всей установк	Эксерге- тический КПД элемента установки
Котлоагрегат	Тепловые потери котла	326	0,1601	0,5089
	Необратимый теплообмен в котле	1244,92	0,6097
Паропровод	Тепловые потери паропровода	25,92	0,0127	0,9841
Турбогенераторная установка	Необратимость процесса расширения пара в турбине	213,94	0,1048	0,809
	Механические потери в турбине	36,86	0,018
	Механические и электрические потери в генераторе	23,83	0,0117
Конденсатор	Необратимый теплообмен в конденсаторе	167,8	0,0822	−
Насос	Необратимость процесса в насосе	2,62	0,0013	0,8625
В целом по паросиловой энергетике		2042	1,000	0,349

Рис. 3. Диаграмма тепловых потоков в паросиловой установке конденсационной электростанции

 

Рис. 4. Диаграмма потоков эксергии в паросиловой установке конденсационной электростанции

 

Выводы

1.      Расчетные соотношения потерь работоспособности изолированной системы, основанные на энтропийном методе более сложны в сравнении с расчетными формулами эксергетического метода. Расчетные соотношения эксергетического метода, на наш взгляд, ближе к инженерной постановке задачи, в сравнении с формулами энтропийного метода.
2.      Сравнительный анализ результатов, расчета потерь работоспособности изолированной системы, представленный в [1] издания 1968, 1974, 1982 и 1992 годов на основе энтропийного и эксергетического методов, показывает их хорошую сходимость.
3.      Эксергетический метод обеспечивает углубленный анализ потерь работоспособности рабочего тела и потока энергии по каждому элементу энергетической установки.
4.      Эксергетический метод оценки эффективности позволяет на стадии проектирования выбрать наилучшие теплотехнические и эксплуатационные параметры для каждого образца оборудования энергетической установки.

 

Литература:

 

1.      Кириллин, В. А. Техническая термодинамика: учебник для вузов / В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А. Е. Шейндлин. 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд. Дом МЭИ, 2008. — 495 с.: ил.
2.      Александров, А. А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: справочник / А. А. Александров, Б. А. Григорьев. — М.: Изд. Дом МЭИ, 2006. — 165 с.: ил.
3.      Юренев, В. Н. Теплотехнический справочник / под общей редакцией В. Н. Юренева и П. Д. Лебедева. — в 2-х томах, изд. 2-е, перераб. — М.: “Энергия”, 1976, 897 с.: ил., т. 2, с. 436.
4.      Казаков, В. Г. Эксергетические методы оценки эффективности теплотехнологических установок: учебное пособие для студентов вузов и аспирантов / В. Г. Казаков, П. В. Луканин, О. С. Смирнова. СПб.: изд. Гос. технологического университета растительных полимеров, 2013. — 93 с.: 20 ил.
5.      Веретельщик, Т. И. Эксергетический анализ химико-технологических систем. — Черкасск: Гос. технологический университет. Вестник Наука, Образование, Общество, Техника ЧГТУ, 2008 г., № 1, с. 192–195..
6.      Ильин, Р. А. Алгоритм оценки эффективности при создании и использовании теплоэнергетических установок различных видов. — Астрахань: Гос. технический университет, Вестник АГТУ, серия “ Морская техника и технология”, 2010, № 2, с. 79–82.