Рассмотрены и проанализированы основные источники потерь на тепловых электростанциях. Показана возможность повышения эффективности ТЭС путем утилизации части теплоты низкопотенциального источника. Предложена схема использования теплоты охлаждающей воды конденсатора турбины для подогрева подпиточной воды.
Ключевые слова: тепловая схема, эффективность, низкопотенциальная теплота, тепловой насос, подпиточная вода.
Несмотря на развитие нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, в настоящее время в Республике Казахстан, как и во всем мире, основным источником производства электрической энергии остаются тепловые электростанции. Технологии сжигания органического топлива надежны и проверены временем. Кроме того, в отрасли теплоэнергетики имеется достаточное количество подготовленных кадров, знающих основные проблемы и перспективы развития. Поэтому, несмотря на то, что переход к безуглеродным технологиям неизбежен, он будет длиться еще не один десяток лет [1, 2]. И весь этот временной интервал обеспечение электроснабжением будет основываться на традиционных тепловых электростанциях.
Проблемы преобразования химической энергии топлива в электрическую хорошо известны. В их основе лежат постулаты термодинамики: невозможно получить работу не отводя теплоту в низкопотенциальном источнике. Другое дело, что количество этой теплоты может быть громадным и превышать количество произведенной полезной работы.
Современные тепловые электростанции работают на основе цикла Ренкина. Принципиальная схема его реализации показана на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема ТЭС
1 — паровой котел; 2 — пароперегреватель; 3 — паровая турбина;
4 — электрический генератор; 5 — конденсатор турбины;
6 — конденсатный насос; 7 — подогреватель воды;
8 — питательный насос
Проанализировав тепловую схему электростанции, можно сделать очевидный вывод, что основные потери теплоты происходят через охлаждающую воду конденсатора турбины [3]. На чисто конденсационных станциях, потери могут достигать вплоть до 70 % [4]. И порой когда транспортировка топлива нерентабельна, такие схемы реализуются при производстве электроэнергии. В городах, где есть потребители теплоты, используются схемы так называемой когенерации, т. е. совместной выработки теплоты и электроэнергии, а то и тригенерации, где к первым двум добавляется еще и выработка холода. Такие технологии позволяют существенно повысить коэффициент использования теплоты топлива. Однако потребитель теплоты не всегда есть, либо транспортировка теплоносителя может оказаться экономически невыгодной. В таких случаях единственной возможностью повышения коэффициента полезного действия станции остается использование теплоты в цикле самой ТЭС. Конечно, возможности таких схем ограничены, но, тем не менее, каждый килоджоуль сэкономленной теплоты вносит свою лепту в повышение эффективности станции.
Одним из вариантов сохранения теплоты внутри цикла является подогрев подпиточной воды с помощью тепловых насосов. Тепловые насосы, как известно, позволяют повысить температуру низкопотенциального рабочего тела за счет совершения работы в компрессоре [5]. Существует большое количество разновидностей самих тепловых насосов и схем теплоснабжения на их основе. Они могут использоваться как для одиночных потребителей, так и в промышленном масштабе. Эффективность тепловых насосов определяется многими факторами, поэтому их установка требует тщательного анализа. Наиболее важным из них является разница температур между испарителем и конденсатором теплового насоса.
Структурная схема и цикл теплового насоса показаны на рис. 2
Рис. 2. Структурная схема и цикл теплового насоса
В данной работе предлагается применение тепловых насосов не для автономного теплоснабжения, а для повышения тепловой экономичности ТЭС посредством утилизации части выбрасываемой в градирне теплоты. Схема показана на рис. 3.
Рис. 3. Использование теплового насоса для подогрева подпиточной воды
В испарителе такого теплового насоса происходит кипение фреона за счет теплоты охлаждающей воды конденсатора турбины. Затем рабочее тело теплового насоса сжимается в компрессоре, его температура и давление повышаются и теплота отдается в конденсаторе теплового насоса поступающей извне химически очищенной подпиточной воде. На следующей стадии давление сбрасывается через дроссельный вентиль и цикл вновь повторяется.
Предлагаемая схема применения тепловых насосов в цикле ТЭС является очень надежной, она позволяет использовать теплоту внутри цикла и не вносит существенных изменений в потоки теплоносителей. При аварийной ситуации отключение этого дополнительного цикла не приведет к останову станции, а лишь изменит ее режим работы на прежний. Таким образом, использование этой схемы при надлежащем выборе режимов работы ТЭС позволит повысить общий КПД электростанции и коэффициент использования теплоты топлива.
Литература:
- Барков А. Н., Гнездилова А. В., Шатохина С. А. Исследование мнения молодого поколения в области основных аспектов развития безуглеродной энергетики //Техника и технологии: пути инновационного развития. — 2018. — С. 26–29.
- Борисова Е. Развитие безуглеродной энергетики в Китае: успехи, проблемы, противоречия //Азия и Африка сегодня. — 2018. — №. 2.
- Турбины тепловых и атомных электрических станций: Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп./А. Г. Костюк, В. В. Фролов. — М.: Издательство МЭИ, 2001. — 448 с. ил.
- Рыжкин В. Я. Тепловые электрические станции: Учебник для вузов/ Под ред. В. Я. Гиршфельда. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 328 с.:ил.
- Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. Пер. с англ. — М.: Энергоиздат, 1982. — 224 с, ил.
