Тепловой баланс конденсационной электрической станции

На КЭС происходят многократные преобразования энергии, сопровождающиеся потерями. Экономичность процесса преобразования химической энергии топлива в электрическую и потери на различных стадиях производства можно выявить из анализа теплового баланса электрической станции (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Тепловой баланс конденсационной электрической станции

Если за 100 % принять химическую энергию, получаемую при сжигании угля в топках котлов Q, то в среднем только 25 %той энергии превращается в электрическую Qэл; ΔQ_кн, ΔQ_кт, ΔQ_тр, ΔQ_тб - потери теплоты в конденсаторе, котельном агрегате, транспортировке (трубопроводы) и турбогенераторе соответственно.

Как видим, наибольшие потери теплоты происходят в конденсаторе ΔQ_кн. С охлаждающей водой конденсатора уносится 55 % теплоты.

Газотурбинные установки

На отечественных ТЭС начинают широко использовать газотурбинные установки (ГТУ). В качестве рабочего тела в них используется смесь продуктов сгорания топлива с воздухом или нагретый воздух при большом давлении и высокой температуре. В ГТУ преобразуется теплота газов в кинетическую энергию вращения ротора турбины.

По конструктивному исполнению и принципу преобразования энергии газовые турбины не отличаются от паровых. Экономичность работы газовых турбин примерно такая же, как и двигателей внутреннего сгорания, а при очень высоких температурах рабочего газа экономичность газовых турбин выше.

Кроме того, газовые турбины более компактны, чем паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания аналогичной мощности.

Особенно широкое распространение газовые турбины получили на транспорте. Применение газовых турбин в качестве основных элементов авиационных двигателей позволило в современной авиации достичь больших скоростей, грузоподъемности и высоты полета. Газотурболокомотивы на железнодорожном транспорте конкурентоспособны с тепловозами, оборудованными поршневыми двигателями внутреннего сгорания.

Современные газовые турбины в основном работают на жидком топливе, однако кроме жидкого топлива может использоваться газообразное: как естественный природный горючий газ, так и искусственный газ, получаемый особым сжиганием твердых топлив любых видов.

Представляет практический интерес перспектива сжигания угля в местах его залегания. При этом под землю компрессорами в необходимом количестве подается воздух, производится специальное сжигание угля с образованием горючего газа, который затем подается по трубам к газотурбинным установкам. Впервые в мире такая опытная электростанция построена в Тульской области.

Общий вид газотурбинной установки приведен на рис. 3.16.

Рис. 3.16. Принципиальная схема газотурбинной установки: 1 – камера сгорания; 2, 8 – продукты сгорания (газы); 3 – турбина; 4 – электрический генератор; 5 – компрессор; 6 – воздуховод; 7 – регенератор

Работа газотурбинной установки осуществляется следующим образом. В камеру сгорания 1 подается жидкое или газообразное топливо и воздух. Получающиеся в камере сгорания газы 2 с высокой температурой и под большим давлением направляются на рабочие лопатки турбины 3.

Турбина вращает электрический генератор 4 и компрессор 5, необходимый для подачи под давлением воздуха 6 в камеру сгорания. Сжатый в компрессоре воздух перед подачей в камеру его сгорания подогревается в регенераторе 7 отработанными в турбине горючими газами 8. Подогрев воздуха позволяет повысить эффективность сжигания топлива в камере сгорания.

Парогазовые установки

Отработанные в ГТУ газы имеют высокую температуру, что неблагоприятно сказывается на КПД термодинамического цикла. Совмещение газо- и паротурбинных агрегатов такое, что в них происходит совместное использование теплоты, получаемой при сжигании топлива, позволяет на 8 - 10 % повысить экономичность работы установки, называемой парогазовой, и снизить ее стоимость на 25 %.

Парогазовые установки, использующие два вида рабочего тела - пар и газ - относятся к бинарным. В них часть теплоты, получаемой при сжигании топлива в парогенераторе, расходуется на образование пара, который затем направляется в турбину (рис. 3.17). Охлажденные до температуры 650 - 700 °С газы попадают на ра­бочие лопатки газовой турбины. Отработанные в турбине газы используются для подогрева питательной воды, что позволяет уменьшить расход топлива и повысить КПД всей установки, который может достичь примерно 44 %.

Рис. 3.17. Принципиальная схема парогазовой установки:

1 - парогенератор; 2 - компенсатор; 3 - газовая турбина; 4 - генератор; 5 - паровая турбина; 6 - конденсатор; 7 - насос; 8 – экономайзер (для подогрева питательной воды)

Парогазовые установки могут работать также по схеме, в которой отработанные в газовой турбине газы поступают в паровой котел. Газовая турбина в этом случае служит как бы частью паросиловой установки. В камере сгорания газотурбинной установки сжигается 30 - 40 % топлива, а в парогенераторе - остальное топливо.

Газотурбинные установки могут работать только на жидком или газообразном топливе, так как продукты сгорания твердого топлива, содержащие золу и механические примеси, оказывают вредное влияние на лопатки газовой турбины.

В газотурбинных установках так же, как и в обычных паросиловых установках, тепловая энергия преобразуется в механическую в турбинах, и механическая энергия - в электрическую в генераторах. Эта схема электромеханического преобразования энергии требует использования материалов, способных выдерживать большие механические нагрузки при больших частотах вращения вала турбины и высоких температурах. Ограниченная прочность материалов вынуждает использовать пар при температурах не выше 600 °С, в то время как температура сжигаемого топлива достигает 2000 °С. Сокращение разницы этих температур позволит существенно повысить КПД тепловых установок.