Оцінка ефективності основних елементів обладнання паросилового циклу теплової електростанції
Рубрика: Технічні науки
Бібліографічний опис:
У статті виконано оцінку ефективності основного обладнання паросилової електростанції ексергетичним методом, який використовує аналіз працездатності потоків теплоти та робочого тіла. Метод дозволяє виявити та кількісно визначити незворотні втрати у робочих процесах кожного елемента енергоустановки. Традиційний метод оцінки ефективності елементів теплосилової установки ґрунтується на обчисленнях термічного ККД. Результати аналізу призводять до суттєвої різниці теплових втрат, визначених цими методами. Так, для котлів з високими параметрами пари втрати енергії, визначені класичним методом, становлять 9 %, а ексергетичним — 49 %. У основних конденсаторах, де робоче тіло має низькі параметри, розрахунок втрат енергії, визначений традиційним методом, становить 55%, а ексергетичним – 6,4%. Це пояснюється високопотенційним характером теплових процесів у котлоагрегаті та, навпаки, низькопотенційними процесами в конденсаторі.
Ексергетичний метод оцінки ефективності енергетичних установок дозволяє вибрати оптимальні параметри робочих тіл та конструктивні характеристики обладнання на стадії проектування.
Дослідження термодинамічної ефективності та вибір розроблюваного перспективного енергетичного паросилового обладнання з урахуванням втрат у незворотних циклах [1, 3-6] ґрунтуються на базі аналізу та порівняння термічних коефіцієнтів корисної дії при використанні або коефіцієнта заповнення T,s - діаграми аналізованого циклу та циклу Карно, приймаємо за «еталон», (у томуж діапазоні зміни температур та ентропій), або на величинах середніх температур підведення та відведення теплоти в циклі. При розрахунку даних показників ефективності застосовують метод теплових балансів, заснований на застосуванні 1-го закону термодинаміки.
Рівняння 1-го закону термодинаміки:
,
де - Теплота, підведена до робочого тіла при нагріванні від стану 1 до стану 2; - Зміна внутрішньої енергії робочого тіла так само в процесі 1-2; - Робочим тілом, що здійснюється робочою в тому ж процесі, кДж; , , - Аналогічні питомі масові характеристики процесу 1-2, кДж / кг.
Як відомо, для характеристики досконалості розглядають термічний ККД робочого циклу
де - теплота, підведена до робочого тіла від гарячого джерела, і
- Теплота, відведена від робочого тіла до холодного джерела, кДж.
В результаті на базі техніко-економічного аналізу розглядають величини різних ККД, що зводяться в кінцевому рахунку, до питомої витрати палива на одиницю вироблення теплоти, електроенергії або іншого виду продукції, що випускається, а також враховують капітальні вкладення на будівництво установки. Спроби уніфікації різноманітних ККД двигунів, робочих машин і котлів призвели "до 35 ККД зі слабким логічним взаємозв'язком"
У цих цілях розглядається ентропійний метод розрахунку втрати працездатності системи через незворотність робочих процесів циклу.
“Працездатністю тепла [1], що відбирається від гарячого джерела з температурою Т1, називається максимальна корисна робота Lмакс. корисна, яка може бути отримана за рахунок цього тепла, за умови, що холодним джерелом є навколишнє середовище з температурою Т0.
Розрахунок Lмакс. корисн., властивій ізольованій системі з оборотнимипроцесами переходу джерела роботи з нерівноважного (початкового) стану (кінцевий) стан рівноваги з навколишнім середовищем виконують за співвідношенням [1],
Lмакс. корисно = (U1 - U2) - T0 (S1 - S2) - p0 (V2 - V1),
де U1, U2; V1, V2; S1, S2; - Позначені відповідно, внутрішня енергія, обсяг та ентропія джерела роботи в початковому нерівноважному стані (індекс "1") та в кінцевому рівноважному стані щодо навколишнього середовища (індекс "2").
Корисну роботу Lкорисної тієї ж ізольованої системи у складі джерела роботи та навколишнього середовища, в якій робочі процеси відбуваються незворотно, розраховують за співвідношенням
Lкорис. = (U1 - U2) - T0 (S02 - S01) - p0 (V2 - V1),
де S01, S02 - ентропія навколишнього середовища в станах "1" та "2", відповідно.
Очевидно, що Lмакс. корисний > L корисна, і різниця між ними складе втрату працездатності ΔL = Lмакс. корисний - L корисний внаслідок незворотності робочих процесів у системі між джерелом роботи та навколишнім середовищем. Величина цієї втрати працездатності системи ΔL, яка називається енергетичною втратою, визначиться за співвідношенням
ΔL = ΔL = T0 [(S02 - S01) - (S1 - S2)] = T0ΔSсист.
ΔL = T0ΔSсист. - Рівняння Гюї-Стодоли,
де ΔSсист. = [(S02 - S01) - (S1 - S2)] - збільшення ентропії системи.
Рівняння ΔL = T0ΔSсист. встановлено французьким фізиком М. Гюї у 1889 р. Потім це рівняння словацьким теплотехніком А. Стодолою використовувалося у практичних розрахунках втрати працездатності у елементах енергетичного устаткування.
У ХХ століття югославським ученим З. Рантом розвинений ексергетичний метод розрахунку втрати працездатності системи та заходи незворотності. Запропонований З. Рантом метод дозволяє кількісно визначитинезворотні втрати у робочих процесах, обумовлених параметрами їх здійснення, вжити режимних та конструктивних заходів для зниження незворотних втрат або їх недопущення.
Мал. 1. Принципова схема паросилової установки
Мал. 2. Теплова діаграма «умовно реального» циклу паросилової установки
Авторами даного повідомлення виконано розрахункову ексергетичну оцінку характеристик основного енергетичного обладнання паросилового циклу теплової конденсаційної електростанції (ТЕС) з котлом Еп-220–140ГМ ВАТ Таганрозького котлобудівного заводу “Червоний котельник” та паротурбінною установкою К-200–130. Принципова теплова схема ТЕС представлена рис. 1 з цифровим позначенням основного обладнання: котельня (1), паропровід (2) між котлом і турбіною, турбоелектрогенератор (3), конденсатор (4) і живильний насос (5).
У таблиці 1 представлені параметри та функції стану робочого тіла у характерних точках циклу.
Термодинамічні параметри стану тавластивості робочого тіла в характерних точках циклу Ренкіну для конденсаційної електричної станції
Номер точки на діaграми циклу
Термодинамічні параметри стану та властивості робочого тіла вхарактерних точках циклу Ренкіна
р, МПа
t,oC
T, K
ρ, кг/куб.м
v,куб.м/кг
зстанробочого тіла
h,кДж/кг
s,кДж/(кг·К)