Методологическое руководство: Пошаговый расчет тепловой схемы и анализ энергетических показателей конденсационного энергоблока (КПД до 92%)

В современной теплоэнергетике, где каждый процент повышения эффективности конвертируется в миллионы сэкономленных единиц топлива и сокращение выбросов, расчет и анализ тепловых схем паротурбинных установок (ПТУ) приобретает особую актуальность. Конденсационные энергоблоки, составляющие основу электроэнергетики, постоянно совершенствуются, и понимание принципов их работы, а также методов оптимизации, является краеугольным камнем подготовки квалифицированных специалистов. Данное методологическое руководство призвано служить навигатором для студентов технических вузов, разрабатывающих курсовую или расчетно-графическую работу по данной теме. Оно не только предоставит пошаговый алгоритм выполнения всех необходимых расчетов, но и углубит понимание физических процессов, лежащих в основе работы энергоблока, а также раскроет нюансы выбора оптимальных параметров, соответствующих современным инженерным стандартам. Конечным продуктом работы станет подробная расчетно-пояснительная записка (РПЗ), содержащая исчерпывающий анализ тепловой схемы и энергетических показателей.

Теоретические основы и принцип повышения экономичности цикла

Цикл Ренкина: Физические основы и отличие от цикла Карно

В основе преобразования тепловой энергии в механическую работу в паротурбинных установках лежит термодинамический цикл Ренкина. Этот цикл представляет собой идеализированную модель работы паросиловой установки, состоящую из четырех основных процессов:

1. Изобарный подвод теплоты (испарение): Вода, поступающая в котельный агрегат, нагревается до температуры насыщения, испаряется и перегревается до заданных параметров свежего пара. Этот процесс происходит при постоянном высоком давлении.
2. Изоэнтропное расширение пара в турбине: Перегретый пар поступает в турбину, где его энтальпия преобразуется в механическую работу, приводящую в движение ротор турбины и электрогенератор. В идеальном случае этот процесс происходит без потерь (адиабатно и обратимо).
3. Изобарный отвод теплоты (конденсация): Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется при постоянном низком давлении, отдавая теплоту охлаждающей воде.
4. Изоэнтропное сжатие воды в насосе: Конденсат из конденсатора подается насосом обратно в котельный агрегат, повышая его давление до уровня давления в котле. Это процесс, требующий минимальных затрат энергии, поскольку насос работает с жидкостью, а не с паром.

Отличие цикла Ренкина от теоретически наиболее эффективного цикла Карно заключается в том, что в цикле Карно изоэнтропное сжатие должно происходить с влажным паром, что технологически крайне сложно реализовать. Цикл Ренкина обходит это ограничение, конденсируя пар до жидкого состояния, что позволяет использовать компактные и высокоэффективные насосы для сжатия, делая его практически реализуемым и широко используемым в тепловой энергетике. Именно поэтому он стал основой современной теплоэнергетики.

Регенерация теплоты: Механизм повышения термического КПД

Применение регенеративного подогрева является одним из наиболее мощных и экономически обоснованных методов повышения термического коэффициента полезного действия (КПД) паротурбинной установки. Увеличение КПД паротурбинной установки при использовании регенерации обычно составляет 10–15% по сравнению с циклом без регенерации. Этот эффект достигается за счет использования теплоты пара, отбираемого из промежуточных ступеней турбины, для подогрева питательной воды перед ее поступлением в котельный агрегат.

Механизм повышения КПД основан на нескольких ключевых аспектах:

• Повышение средней температуры подвода теплоты: В цикле без регенерации холодная питательная вода поступает в котел, где ее температура поднимается до температуры насыщения. При регенерации же вода уже предварительно подогрета до более высокой температуры, что повышает среднюю температуру, при которой теплота подводится к рабочему телу в котле. Согласно Второму закону термодинамики, чем выше средняя температура подвода теплоты, тем выше термический КПД цикла.
• Снижение потерь теплоты в конденсаторе: Поскольку часть пара отбирается из турбины для регенеративного подогрева, меньшее количество пара проходит через последние ступени турбины и поступает в конденсатор. Это означает, что меньшее количество теплоты отдается в окружающую среду с охлаждающей водой конденсатора, что напрямую снижает потери.
• Уменьшение габаритов и повышение КПД последних ступеней турбины: Регенеративный подогрев позволяет отбирать от 10 до 30% общего расхода пара на турбину, что существенно снижает пропуск пара в конденсатор и уменьшает необходимую высоту и массу рабочих лопаток последних ступеней, увеличивая их надежность. Это не только снижает выходные потери, но и позволяет оптимизировать конструкции цилиндров низкого давления, повышая их эффективность. Улучшенная надежность и уменьшенные габариты значительно сокращают эксплуатационные расходы.

Таким образом, регенерация теплоты не только улучшает термодинамическую эффективность цикла, но и оказывает положительное влияние на конструкцию и эксплуатационные характеристики турбины.

Оптимизация регенеративной системы: Выбор параметров и соблюдение норм

Оптимизация регенеративной системы — это комплексная инженерная задача, требующая баланса между тепловой экономичностью и технико-экономическими затратами. Она включает в себя выбор оптимального количества ступеней подогрева, определение давлений отборов пара и конечной температуры питательной воды, а также соблюдение строгих отраслевых нормативов.

Оптимальное число и распределение подогревателей

Выбор числа регенеративных отборов пара (ступеней подогрева) напрямую влияет на экономичность установки. С одной стороны, увеличение числа подогревателей повышает термический КПД, но с другой — усложняет схему, увеличивает капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Для крупных конденсационных турбоустановок (КЭС) оптимальное число регенеративных отборов пара (ступеней подогрева) обычно составляет 7–9. Детализированный анализ показывает, что для современных мощных энергоблоков это число варьируется в диапазоне 7–10 ступеней, обычно включающих 3–4 подогревателя низкого давления (ПНД), деаэратор и 3–4 подогревателя высокого давления (ПВД).

Принцип равномерного подогрева воды (Δt_ОПТ) является ключевым при выборе оптимальных значений давления пара в отборах, обеспечивающим максимальную тепловую экономичность. Этот принцип утверждает, что для достижения максимального термического КПД цикла прирост температуры воды в каждом подогревателе должен быть примерно одинаковым. Оптимальный нагрев воды в каждом из подогревателей (Δt_ОПТ) при равномерном распределении подогрева можно определить по формуле:

ΔtОПТ = (tнаснач - tконд) / (n + 1)

где:

• t_нас^нач — температура насыщения при начальном давлении пара (на входе в первый подогреватель), °С.
• t_конд — температура насыщения при давлении в конденсаторе, °С.
• n — число регенеративных подогревателей.

Типовые значения нагрева воды в подогревателях: в ПНД обычно составляет 18–22 °С, а в ПВД — 25–30 °С. Используя этот принцип, можно последовательно определить температуры воды после каждого подогревателя, а затем, по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара, найти соответствующие давления отборов пара. Таким образом, оптимизация регенеративной системы требует тщательного подхода, учитывающего как термодинамические, так и экономические аспекты, что позволяет достичь максимальной эффективности при разумных затратах.

Определение конечной температуры питательной воды и деаэрация

Конечная температура питательной воды является одним из наиболее важных параметров, определяющих экономичность работы энергоблока. Слишком низкая температура снижает КПД цикла, слишком высокая — может привести к избыточному отбору пара, уменьшая выработку электроэнергии. Технико-экономически оптимальная конечная температура питательной воды для мощных энергоблоков сверхкритического давления (Р₀ = 23,5 МПа) составляет 250–265 °С. Этот диапазон определен на основе многолетнего опыта эксплуатации и оптимизации современных ТЭС.

Деаэратор играет двойную роль в системе регенерации: он не только является одной из ступеней подогрева питательной воды (обычно смешивающего типа), но и выполняет критически важную функцию удаления агрессивных растворенных газов (кислорода и углекислоты), которые вызывают коррозию оборудования. Деаэратор подогревает воду до температуры насыщения греющего пара (обычно 104 °С при давлении 0,12 МПа), при которой растворимость газов минимальна, и они эффективно выделяются из воды.

Критически важно: Согласно нормам Правил технической эксплуатации (ПТЭ), остаточное содержание растворенного кислорода в питательной воде после деаэратора для котлов высокого давления (свыше 10 МПа) не должно превышать 10 мкг/дм³. Соблюдение этого норматива является обязательным условием надежной и безаварийной эксплуатации котельного оборудования, предотвращая коррозию и продлевая срок его службы. Несоблюдение ведет к значительному сокращению ресурса оборудования.

Алгоритм построения реального процесса расширения пара в h-s диаграмме

h-s (энтальпия-энтропия) диаграмма — это фундаментальный инструмент для анализа и графического представления термодинамических процессов, происходящих в паротурбинной установке. Построение реального процесса расширения пара в этой диаграмме позволяет наглядно увидеть и количественно оценить изменение параметров пара в турбине, включая промежуточные отборы.

Определение начальной точки и учет потерь на дросселировании

Первым шагом является определение начальной точки процесса расширения.

1. Начальная точка (0): Определяется по заданным параметрам свежего пара — давлению P₀ и температуре t₀ перед стопорным клапаном турбины. Эти параметры являются исходными для расчета всей тепловой схемы. На h-s диаграмме это будет точка, соответствующая P₀ и t₀.
2. Процесс дросселирования: Перед поступлением в проточную часть турбины пар проходит через стопорные и регулирующие клапаны. В этих элементах происходит процесс дросселирования, который характеризуется падением давления пара при практически постоянной энтальпии (h=const). На h-s диаграмме этот процесс представляется вертикальным отрезком (линией h=const), идущим от точки 0 до точки 0′ (после клапанов). Типовые потери давления на дросселировании в регулирующей ступени современных мощных турбин составляют 5–8% от начального давления свежего пара. Например, если P₀ = 23,5 МПа, то после дросселирования давление может снизиться до Р₀‘ ≈ 22,0 — 22,3 МПа. Этот этап крайне важен для получения реалистичных параметров пара на входе в турбину.

Расчет фактической энтальпии с использованием внутреннего КПД

Изоэнтропный (идеальный) процесс расширения пара в турбине представляется вертикальным отрезком (s=const) в h-s диаграмме. Он позволяет определить максимально возможный теплоперепад (Δh_из) между двумя давлениями. Однако реальный процесс расширения всегда сопровождается необратимыми потерями (трение, вихреобразование и т.д.), что приводит к увеличению энтропии.

Реальный процесс расширения пара в турбине представляется линией, наклоненной вправо в сторону увеличения энтропии. Для учета этих потерь используется внутренний относительный коэффициент полезного действия (η_i) цилиндра или отсека турбины. Фактическая энтальпия пара после расширения до давления отбора (Р_отб) рассчитывается по формуле:

hфакт = hнач - ηi ⋅ (hнач - hиз)

где:

• h_нач — энтальпия пара на входе в рассматриваемый отсек турбины (до расширения).
• h_из — энтальпия пара в конце изоэнтропного расширения до давления Р_отб (определяется по h-s диаграмме при s=const).
• η_i — внутренний относительный КПД цилиндра (или его части).

Критически важно использовать актуальные значения КПД: Для современных высокоэкономичных цилиндров паровых турбин КПД η_i может достигать 88–92% для цилиндра высокого давления (ЦВД) и 85–89% для цилиндра низкого давления (ЦНД) в номинальном режиме. Использование заниженных значений может привести к некорректным результатам расчетов. Применение данной формулы позволяет последовательно определить фактические энтальпии пара во всех точках отбора, что необходимо для расчета тепловых балансов. А ведь точность расчетов — это основа экономической эффективности!

Расчет тепловых и материальных балансов элементов схемы

Расчет тепловой схемы энергоблока — это итерационный процесс, основанный на строгом применении законов сохранения массы и энергии. Для каждого элемента схемы (подогреватели, деаэратор, конденсатор) составляются уравнения материального и теплового балансов.

Баланс поверхностных подогревателей (ПНД, ПВД)

Поверхностные регенеративные подогреватели (ПНД, ПВД) являются основными элементами регенеративной системы. В них греющий пар из отборов турбины конденсируется на трубках, отдавая теплоту нагреваемой питательной воде или конденсату, протекающему внутри трубок. Дренаж конденсата греющего пара обычно каскадно перетекает в подогреватели с более низким давлением или в конденсатор.

Уравнение теплового баланса для j-го поверхностного подогревателя отражает равенство теплоты, отданной греющим паром (и его конденсатом), и теплоты, принятой нагреваемой водой:

Dотб, j ⋅ (hотб, j - hдр, j) = DПВ ⋅ (hПВ, j - hПВ, j-1)

где:

• D_{отб, j} — расход отбираемого пара на j-й подогреватель.
• h_{отб, j} — энтальпия отбираемого пара.
• h_{др, j} — энтальпия дренажа конденсата греющего пара (обычно принимается равной энтальпии насыщения при давлении греющего пара).
• D_ПВ — расход питательной воды через подогреватель (практически равен расходу свежего пара в котел).
• h_{ПВ, j} — энтальпия питательной воды после j-го подогревателя.
• h_{ПВ, j-1} — энтальпия питательной воды перед j-м подогревателем.

Из этого уравнения можно вывести формулу для расчета расхода греющего пара на j-й подогреватель:

Dотб, j = DПВ ⋅ (hПВ, j - hПВ, j-1) / (hотб, j - hдр, j)

Такой последовательный расчет позволяет определить расходы пара на каждый отбор, что является основой для дальнейшего расчета мощностей и КПД.

Баланс смешивающего подогревателя (Деаэратор)

Деаэратор, как правило, является смешивающим подогревателем, где греющий пар непосредственно контактирует с нагреваемой водой. Это означает, что на выходе из деаэратора вода и конденсат греющего пара смешиваются, образуя единый поток питательной воды. Для деаэратора необходимо составлять как материальный, так и тепловой балансы.

1. Материальный баланс: Сумма масс входящих потоков равна массе выходящего потока.
   DВхВ + DОтбПар + DДренаж = DПВ Вых
   где D_ВхВ — расход входящей воды, D_ОтбПар — расход отбираемого пара, D_Дренаж — расход дренажа из предыдущих подогревателей, D_{ПВ Вых} — расход питательной воды на выходе из деаэратора.
2. Тепловой баланс: Сумма энтальпий входящих потоков равна энтальпии выходящего потока.
   DВхВ ⋅ hВхВ + DОтбПар ⋅ hОтбПар + DДренаж ⋅ hДренаж = DПВ Вых ⋅ hПВ Вых

Для смешивающего подогревателя, такого как деаэратор, существует важное условие: температура воды на выходе принимается равной температуре насыщения греющего пара (t_нас) при давлении в деаэраторе. Это означает, что недогрев воды отсутствует, что повышает эффективность деаэрации и подогрева.

Учет работы питательного насоса

Питательный насос является неотъемлемой частью тепловой схемы, обеспечивая подачу питательной воды в котельный агрегат. Работа, затрачиваемая на сжатие воды в насосе, приводит к увеличению энтальпии воды. Этот эффект необходимо учитывать в общем тепловом балансе. Подогрев воды в питательном насосе (Δh_ПН) рассчитывается по формуле:

ΔhПН = (vвх ⋅ (Pвых - Pвх)) / ηН

где:

• v_вх — удельный объем воды на входе в насос.
• P_вых — давление воды на выходе из насоса.
• P_вх — давление воды на входе в насос.
• η_Н — КПД насоса.

Повышение энтальпии воды в питательном насосе хоть и кажется незначительным, но, тем не менее, оказывает влияние на общий тепловой баланс и, следовательно, на экономичность всего энергоблока. Оно увеличивает эн��альпию питательной воды, поступающей в котел, снижая тем самым количество теплоты, которое необходимо подвести в парогенераторе.

Расчет и анализ ключевых энергетических показателей

Определение ключевых энергетических показателей является заключительным и наиболее важным этапом анализа тепловой схемы. Эти показатели позволяют оценить эффективность работы энергоблока, сравнить различные проектные решения и выявить резервы для дальнейшей оптимизации.

Расчет электрического КПД (η_е) и удельного расхода тепла (q_е)

Основными показателями, характеризующими экономичность работы энергоблока, являются электрический КПД и удельный расход тепла на отпуск электроэнергии.

1. Электрический КПД (η_е): Показывает, какая часть теплоты, подведенной к рабочему телу, преобразуется в полезную электрическую энергию. Для конденсационной установки абсолютный КПД, как правило, совпадает с КПД по производству электроэнергии, поскольку вся выработанная теплота, за вычетом потерь, направлена на производство электроэнергии. Он рассчитывается по формуле:
   ηе = Nе / (Q0 ⋅ 1000)
   где:
   • N_е — электрическая мощность, вырабатываемая энергоблоком (кВт).
   • Q₀ — суммарный расход теплоты, подведенной к рабочему телу в котле (кДж/с).

   Альтернативная формулировка для теплового КПД цикла, учитывающая отборы пара:

   ηт = (h0 - hК' - Σαi ⋅ (h0 - hi)) / (h0 - hПВ)
   где:

   • h₀ — энтальпия свежего пара.
   • h_К‘ — энтальпия конденсата после конденсатора.
   • α_i — доля отбора пара на i-й подогреватель (отношение расхода отбора к расходу свежего пара).
   • h_i — энтальпия пара в i-м отборе.
   • h_ПВ — энтальпия питательной воды после всех подогревателей.
2. Удельный расход тепла на отпуск электроэнергии (q_е): Этот показатель характеризует количество теплоты (в кДж), необходимое для выработки 1 кВт⋅ч электрической энергии. Чем ниже q_е, тем экономичнее работает энергоблок. Расчет ведется по формуле:
   qе = (3600 / ηе) ⋅ 1000 (кДж/кВт⋅ч)
   где Q₀ — суммарный расход теплоты, подведенной к турбине (кДж/с), который равен Q₀ = D₀ ⋅ (h₀ — h_ПВ), где D₀ — расход свежего пара.

Для комплексной оценки также используется удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии (b_е), который рассчитывается:

bе = Q0 / (Nе ⋅ Qнр ⋅ ηкат)

где:

• Q_н^р — низшая рабочая теплота сгорания топлива (кДж/кг).
• η_кат — КПД котельного агрегата.

Факторы оптимизации и современные параметры

Оптимизация энергетических показателей является постоянной целью в теплоэнергетике. Основные направления для достижения максимальной экономичности включают:

• Повышение начальных параметров пара: Увеличение давления (P₀) и температуры (t₀) свежего пара приводит к значительному росту термического КПД цикла. Для современных мощных конденсационных энергоблоков (300 МВт и выше) в России приняты начальные параметры пара на уровне 23,5 МПа (240 кгс/см²) и температура 540/540°С (с промежуточным перегревом). Это позволяет достигать высоких значений КПД.
• Использование промежуточного перегрева: Повторный перегрев пара после его частичного расширения в ЦВД турбины перед подачей в ЦНД существенно увеличивает среднюю температуру подвода теплоты и снижает влажность пара в последних ступенях, что повышает КПД и надежность турбины.
• Увеличение числа ступеней регенерации: Как уже обсуждалось, большее число подогревателей при равномерном распределении подогрева повышает термический КПД.
• Снижение конечного давления в конденсаторе: Чем ниже давление в конденсаторе, тем больший теплоперепад может быть использован в турбине, что увеличивает выработку энергии. Это достигается за счет эффективного охлаждения и поддержания высокого вакуума.

Выводы и оформление расчетно-пояснительной записки

В результате выполнения расчетной работы по тепловой схеме конденсационного энергоблока студент должен получить и проанализировать ключевые энергетические показатели: электрический КПД (η_е), удельный расход тепла на отпуск электроэнергии (q_е) и удельный расход условного топлива (b_е). Эти результаты должны быть представлены в виде таблиц, графиков и сопровождаться подробным анализом, выявляющим факторы, влияющие на экономичность работы блока.

Оформление расчетно-пояснительной записки должно соответствовать строгим академическим и инженерным стандартам. Это включает:

• Четкую структуру: Введение, теоретические основы, описание тепловой схемы, подробные расчеты каждого элемента, анализ результатов, выводы.
• Использование стандартизованной терминологии: Все технические термины и обозначения должны быть корректны.
• Аккуратное представление формул: Все формулы должны быть представлены в общепринятом виде с расшифровкой всех входящих в них величин и их единиц измерения.
• Наглядные графические материалы: Тепловая схема энергоблока, h-s диаграмма процесса расширения пара, таблицы с исходными данными и результатами расчетов должны быть выполнены четко и понятно.
• Соблюдение нормативной базы: Ссылки на использованные стандарты, таблицы термодинамических свойств и учебники обязательны.
• Логичность и обоснованность выводов: Все заключения должны быть подкреплены расчетами и теоретическими положениями.

Данное руководство предоставляет комплексную методологическую основу, которая позволит студентам выполнить глубокий и практически значимый анализ тепловой схемы, демонстрируя не только владение расчетными методами, но и системное понимание принципов работы и оптимизации современных энергетических установок. Каким образом полученные знания могут быть применены для дальнейшего совершенствования энергосистем?

Список использованной литературы

1. Ушаков Г.А. Расчет тепловой схемы энергетического блока конденсационной электро-станции: Учеб. пособие / Иван. энергетич. ин-т. Иваново, 1979.
2. Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергоатомиздат, 1984.
3. Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Машиностроение, 1967.
4. Нормы технологического проектирования тепловых электрических станций и тепловых сетей. М.: Энергия, 1974.
5. Влияние систем регенеративного подогрева питательной воды на экономичность ПТУ. URL: studbooks.net
6. Уравнение теплового баланса подогревателя поверхностного типа. URL: tpu.ru
7. Построение процесса расширения пара в h-s диаграмме, Расчет системы регенеративного подогрева питательной воды. URL: studbooks.net
8. Тепловые балансы подогревателей. URL: studfile.net
9. Регенеративный подогрев питательной воды. URL: TehnoInfa.Ru
10. Циклы паротурбинных установок. URL: energyed.ru
11. Регенеративный подогрев питательной воды. URL: tpu.ru
12. Термодинамический метод расчета удельных расходов топлива на электроэнергию и теплоту, отпускаемую ТЭЦ. URL: РосТепло.ru
13. Типы подогревателей. URL: tpu.ru
14. Построение условного процесса расширения пара в турбине в h-s — диаграмме. URL: Bstudy.net
15. Регенеративный подогрев питательной воды. URL: narod.ru
16. Выбор оптимальных давлений отборов пара турбины на регенеративные подогреватели ПТУ. URL: ispu.ru
17. Характеристики турбоустановок. URL: tpu.ru
18. Циклы паросиловых установок. URL: БНТУ
19. Оптимальное распределение регенеративного подогрева питательной воды на кэс. URL: studfile.net
20. Оптимальные параметры регенеративного подогрева. URL: ppt-online.org