Применение понятия анергии для расчёта удельного расхода топлива на ТЭЦ



В данной статье разобрано применение анергии для расчёта распределения топлива между продуктами ТЭЦ.

Ключевые слова: эксергия, анергия, теплофикация.

Совместное производство тепловой и электрической энергии на ТЭЦ позволяет снизить расход топлива по сравнению с раздельным производством. Однако появляется необходимость распределять топливо, затраченное на получение тепла и электричества. Наиболее часто применяемые в России методы, такие как физический, эксергетический и метод ОРГРЭС, имеют как свои достоинства, так и недостатки. В связи с этим не прекращаются поиски более универсального способа распределения.

Цель данной статьи — дополнить существующие представления о термодинамической сущности совместного производства электроэнергии и тепла и на основе этого подтвердить принципиальную возможность рационального распределения расхода топлива.

Требования к методу распределения можно сформулировать следующим образом: снижение давления пара потребителю из промежуточного отбора или после турбины с противодавлением приводит к уменьшению топливной составляющей себестоимости этого пара до значения, близкого к нулю, при значении давления в отборе или противодавлении, близком к значению давления в конденсаторах конденсационных турбин; повышение давления отбираемого пара приводит к увеличению топливной составляющей в пределе до значения, соответствующего производству этого пара в котельной. В основе этих требований лежат свойства тепла как вида продукции: при строго фиксированных параметрах окружающей среды тепло пара более низкого потенциала менее ценно как продукт; тепло пара, параметры которого соответствуют параметрам окружающей среды, не является продуктом, поскольку не может быть использовано ни для преобразования в другие виды энергии, ни для повышения температуры другого тела. При соответствии этим требованиям, метод будет считаться термодинамически и экономически обоснованным. [1]

Рассмотрим установку для совместного производства тепла и электроэнергии , состоящую из котла и турбины с противодавлением. Примем, что потери в цикле работы турбины, связанные с техническим несовершенством установки, отсутствуют. Также принимаем условно равными единице коэффициенты перевода тепла в электроэнергию и топливо. Тогда топливо , сожженное в топке котла и представляющее собой химическую эксергию на входе в установку , численно равно расходу тепла в цикле

, т. е. , а тепло, превращенное в электроэнергию, численно равно выработанной электроэнергии: . При оговоренных условиях можно изобразить процесс расширения пара в турбине на h-s диаграмме (Рис. 1). Обозначим — соответственно давление пара начальное, заданное тепловым потребителем и холодным источником; — соответственно температура пара начальная, заданная тепловым потребителем и холодным источником; — энтальпия отработавшего пара и его конденсата. Принимаем что, параметры холодного источника одинаковы у ТЭЦ и теплового потребителя.

Согласно [2], тепло состоит из двух частей: эксергии — части, превращаемой в другие виды энергии, и анергии A — части, которую невозможно использовать при принятых условиях. Тогда эксергетический КПД установки и расходы топлива на каждый вид энергии определяются по следующим соотношениям:

Рис. 1. Процесс расширения пара в турбине

;(1)

;(2)

;(3)

;(4)

Обозначим части анергии, отнесённые к расходам на электроэнергию и тепло, соответственно через и

и выразим их через КПД и продукцию:

;(5)

;(6)

Вместе с тем:

(7)

Введём коэффициент, учитывающий качество тепла, т. е. содержание эксергии:

(8)

Заменив в формуле (7) выражениями (6) и (8) получим формулу для тождественную (5):

(9)

Рассмотрим вариант раздельного производства энергии. Условия сопоставимости этого варианта с предыдущим обеспечиваются равенством параметров окружающей среды, начальных и конечных параметров рабочего тела, количественным и качественным равенством каждого вида вырабатываемой энергии. Тогда КПД по производству электроэнергии в конденсационной турбине останется тем же, что и при совместном производстве, соответственно сохранится прежним и расход топлива:

(10)

Расход топлива на выработку тепла в котле в том же количестве и того же качества составит:

,(11)

Где — эксергетический КПД по производств тепла с содержанием работоспособной части, равной .

Очевидно, что при равенстве и неизменности других, оговоренных выше условий , поэтому

(12)

Экономия топлива при переходе от раздельного к совместному производству энергии составит:

(13)

С учётом формул (2), (10) и (12) получаем:

(14)

Что равносильно выражению (9) при комбинированной выработке, т. е. . Таким образом, экономия топлива при совместной выработке энергии объясняется следующим образом: при выработке электроэнергии в раздельной схеме часть тепла, равная , переходит в холодный источник (к охлаждающей воде в конденсаторе) в то время, как в теплофикационной установке входит составляющей в тепло и в холодный источник переходит у теплового потребителя. В этом отражение свойств тепла: тепло не может состоять только из эксергии, преобразуемая часть тепла может быть доставлена потребителю только вместе с анергией. Таким образом, двойная функция является источником экономии и определяет её численное значение.

Важным практическим следствием из вышеуказанного является то, что экономия не может быть отнесена преимущественно на один из видов продукции. Поэтому правомерно полагать, что при комбинировании каждая единица вырабатываемой продукции обеспечивает экономию:

(15)

Откуда: (16)

Где — удельная экономия.

Кроме того, при сопоставлении комбинированного и раздельного способов производства экономия выступает единственным критерием их различия (отсутствие экономии свидетельствует о переходе к раздельному производству). Так же из формулы (16) вытекает следующий принцип: электрический потребитель не может иметь экономию топлива без наличия теплового и наоборот. При этом, значение экономии обеспечиваемой электрическому потребителю тепловым, составляет , а тепловому электрическим .

Аналитические формулы для расчёта расхода топлива на каждый вид энергии:

(17)

(18)

Для удельных расходов:

(19)

(20)

Формулами (17)-(20) выражен следующий принцип: расход топлива на каждый вид энергии равен расходу топлива на этот же вид энергии в раздельной схеме минус экономия топлива, пропорциональная значению выработки другого вида энергии. [3]

Полученные аналитические зависимости могут служить основой при разработке энергетических характеристик турбин с отпуском тепла потребителю при определении себестоимости продукции ТЭЦ.

Литература:

1. Шаргут Я., Петела Р. — Эксергия. М.: Энергия, 1968
2. Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е. — Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1974
3. Цоколаев И. Б., Галянт И. И., Межерицкий С. М. — Рациональный метод распределения расхода топлива на ТЭЦ. // Теплоэнергетика — 1991 — № 7. — С. 60–62.