В Ы В О Д Ы В результате выполненного исследования можно сделать следующие выводы: 1) термодинамическая эффективность цикла паротурбинной установки зависит от вида используемого топлива; 2) величина коэффициента использования энергии топлива при прочих равных условиях больше у низкокалорийных видов топлива; 3) при повышении термического КПД цикла паротурбинной установки влияние качества топлива увеличивается; 4) при приближении к использованию топливно-кислородного источ- ника первичной энергии эффективность цикла паротурбинной установки возрастает. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. М е ж д у н а р о д н о е энергетическое агентство [Электронный ресурс]. – Режим доступа http://www.iea.org/. – Дата доступа: 04.07.2010. 2. А г е н т с т в о РИА-Новости [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ria.ru/atomtec/20120903/741744767.html. – Дата доступа: 05.10.2012. 3. Н о в о с т и компании Siemens AG [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.siemens.by/brochures/PoF_Belarus_Autumn2008.pdf. – Дата доступа: 22.08.2009. 4. Х р у с т а л е в, Б. М. Техническая термодинамика: учеб.: в 2 ч. Ч. 1 / Б. М Хруста- лев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк. – Минск: Технопринт, 2003. 5. Х р у с т а л е в, Б. М. Техническая термодинамика: учеб.: в 2 ч. Ч. 2 / Б. М Хруста- лев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк. – Минск: Технопринт, 2004. 6. Р а в и ч, М. Б. Эффективность использования топлива / М. Б. Равич. – М.: Из-во «Наука», 1977. Представлена кафедрой ПТЭ и Т Поступила 10.10.2012 УДК 621.003.019 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЭЦ С РАЗЛИЧНЫМИ ТЕПЛОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ Доктора техн. наук, профессора ПИИР А. Э.1), КУНТЫШ В. Б.2), инж. ВЕРЕЩАГИН А. Ю.1) 1)Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова, 2)Белорусский государственный технологический университет Совместное производство тепловой и электрической энергии на круп- ных паротурбинных ТЭЦ экономит до 30 % часового расхода топлива по сравнению с раздельной выработкой. При одинаковом топливе это позво- ляет ТЭЦ успешно конкурировать на рынке электроэнергии с мощными КЭС, имеющими более высокие начальные параметры пара. Термодинами- ческая теория, рассматривающая комбинированное производство как обра- тимый термотрансформатор, и вытекающая из нее методика расчета удельных расходов топлива на ТЭЦ представлены в [1–3]. 60 Как известно, в зарубежной практике широкое распространение получи- ли ТЭЦ небольшой мощности (мини-ТЭЦ), где в качестве теплового дви- гателя используют дизельные двигатели, паровую или газовую турбину. Эффективность этих установок оценивают тремя техническими показателя- ми: электрическим, тепловым и общим КПД, вычисленными по расходу то- плива B при номинальных электрической N и тепловой Q мощности [4]: ( )рэ н ;N BQη = ( )рт н ;Q BQη = ( ) ( )ро н ,Q N BQη = + (1) где рнQ – низшая теплота сгорания рабочей массы топлива. Очевидно, что все эти показатели условны, никак не связаны с процес- сом комбинированной выработки, не позволяют установить действитель- ный расход топлива на получение теплоты и электрической энергии или вычислить реальную себестоимость продукции. Для решения вопроса о тепловой эффективности мини-ТЭЦ рассмот- рим термодинамические закономерности совместного получения работы и теплоты низкого потенциала (НП) за счет теплоты высокого потенциала (ВП) в идеальном цикле Карно. Данный способ термодинамического ана- лиза излагается впервые. Идеальный цикл Карно 1–2–3–4 (рис. 1), дейст- вующий в интервале температур Т1 и Т0, пред- ставим как комбинированный, т. е. состоящий из верхнего цикла Карно 1–2–5–6, действующего в интервале температур Т1 и Т2, и нижнего цикла Карно 6–5–3–4, действующего в интервале темпе- ратур Т2 и Т0. В верхнем цикле Карно за счет теплоты ВП q1 получают работу lв и теплоту НП q2, служащую для получения работы lн и бесполезной теплоты q0, отводимой в окружающую среду. При совместной выработке теплота q2 просто передается теплово- му потребителю. Определим, какая часть теплоты ВП q1 расходуется на получение работы в верхнем цикле Карно и какая часть – на получение тепло- ты НП q2. Запишем тепловые и энергетические балансы для комбинированного цикла Карно: q1 = l10 + q0 = в1q + н 1 ;q (2) l10 = q1η10 = lв + lн; (3) lв = q1η12; q2 = q1(1 – η12); (4) 10 0 11 ;Т Тη = − 12 2 11 ;Т Тη = − 20 0 21 ,Т Тη = − (5) где l10, lв, lн – работа в цикле Карно: общая, верхнего цикла, нижнего цик- ла; η10, η12, η20 – термический КПД комбинированного, верхнего и нижне- го циклов. Удельный расход теплоты ВП на получение как работы l10, так и со- ставляющих ее частей lв и lн будет одинаковым [5] и равным S Рис. 1. Термодинамиче- ский цикл Карно комбинированной установки q1 T T1 T2 T0 q0 q2 lв lн 1 2 3 4 5 6 61 ( ) ( ) ( )1 10 1 в н 1 в 2 10 0 1 0ех 1 1,pq q l q l l q l q Т Т Т= = + = + = η = − > (6) где ех – эксергия. Это означает, что при комбинированной выработке затрата теплоты ВП на получение работы в несколько раз больше количества полученной рабо- ты, а главное, удельный расход топлива не зависит от температурной гра- ницы Т2 ≥ Т0. В качестве подтверждения этого теоретического выво- да можно сослаться на итоги исследований, выполненных еще в 1989 г. [6, 7] и установивших, что в конденсационной и теплофикационных турбо- установках марок К-300-240, Т-250-240, ПТ-140/165-240 эффективность выработки электроэнергии одинакова и составляет 320–325 г у. т./(кВт∙ч), чему соответствуют КПД ηэ = 0,38 и удельный расход теплоты ВП эq = 2,6. Расход теплоты ВП на получение работы в верхнем цикле Карно в 1 0 1 12 10/ .pq q l q= = η η (7) Остальное количество теплоты ВП в количестве ( )н в1 1 1 1 12 101q q q q= − = − η η (8) трансформируется двигателем в теплоту НП q2, которая передается потре- бителю (или может быть использована в нижнем цикле Карно для получе- ния работы lн). Это значит, что на получение работы lн или теплоты НП расходуется одинаковое количество теплоты ВП н1 .q Удельный расход теплоты ВП на получение теплоты НП в комбиниро- ванном цикле Карно составит н 12 10 2 01 1 т 20 p 2 12 2 1 0 1 1. 1 Т Тq Тq q q Т Т Т − η η − = = = η = < −η − (9) Как и следовало ожидать, количество полученной при обратимой трансформации теплоты НП в несколько раз больше количества затра- ченной теплоты ВП. Например, в комбинированном цикле Карно при Т1 = 1000 К; Т2 = 500 К и Т0 = 300 К удельные расходы теплоты ВП соста- вят на получение работы pq = 1,5; на получение теплоты НП тq = 0,6. Мини-ТЭЦ работают на органическом топливе, а их тепловые двигате- ли действуют по различным термодинамическим циклам: Ренкина, Джо- уля, Дизеля, где тепловыми двигателями служат паровая и газовая турби- ны, двигатель внутреннего сгорания. Полученные формулы удельного расхода теплоты (6) и (9) применимы к ТЭЦ с двигателями любого типа, если в них реальные процессы отвода и подвода теплоты заменить на изотермические при средней термодинами- ческой температуре. Кроме того, реальный термодинамический цикл уста- новки следует рассматривать как верхний, дополнив его условным нижним циклом для получения работы lн за счет теплоты НП q2. Таким образом, циклу противодавленческой паротурбинной установки 1–2–3–4–5 (рис. 2а) соответствует комбинированный цикл 7–1–2–3–4–5–6 конденсационной установки, циклу газотурбинной установки 1–2–3–4 62 (рис. 2б) – комбинированный цикл 1–2–3–4–5, циклу дизельной установки 1–2–3–4–5 (рис. 2в) – комбинированный термодинамический цикл 1–2–3–4–5–6. а б в S S S Рис. 2. Комбинированные термодинамические циклы ТЭЦ: а, б, в – соответственно с паровым, газотурбинным и дизельным двигателем Выразим термические КПД идеальных циклов через их среднетермоди- намические температуры и запишем выражения: • для исходного комбинированного цикла ( )к 0 1ср.т 2 11 ex ;Т Т N Q Qη = − = + (10) • для «верхнего» цикла теплового двигателя д 2ср.т 1ср.т 1η 1 .Т Т N Q= − = (11) По аналогии с комбинированным циклом Карно, удельные расходы те- плоты ВП на получение работы и теплоты НП на мини-ТЭЦ с любым ти- пом теплового двигателя составят: ( )p к 1 21 ex ;q Q N Q= η = + (12) ( ) ( ) 2т д к д н p 2 1 ех1 1 1 ; ех Q Nq q N Q Q   = − η η −η = − = η +   (13) ( )н 2 2 0 в 0ех 1 2 .Q Q Т Т Тη = = − + (14) Для примера вычислим показатели тепловой эффективности дизельной мини-ТЭЦ по ее паспортным данным: электрическая мощность Nэ = 2 МВт, тепловая мощность Qт = 2,25 МВт, КПД по выработке электроэнер- гии и теплоты ηэ = 0,40 и ηт = 0,45, температура выхлопных газов Тв = 700 К. 1. Потребление теплоты ВП Q1 = Nэ/ηэ = Qт/ηт = 2/0,4 = 5 МВт. 2. Термический КПД «нижнего» цикла ( ) ( )н 0 в 01 2 1 2 300 700 300 0,4.Т Т Тη = − + = − ⋅ + = 3. Эксергия теплоты выхлопных газов двигателя q2 q2 q2 63 2 2 нex 2,25 0,4 0,9Q Q= η = ⋅ = МВт. 4. Удельный расход теплоты ВП на получение работы ( ) ( )p 1 э 2ex 5 2 0,9 1,724.q Q N Q= + = + = 5. Удельный расход теплоты ВП на получение теплоты НП т p н 1,724 0,4 0,689.q q= η = ⋅ = 6. Удельный расход условного топлива на выработку электрической энергии bэ = 0,123 pq = 0,123 ⋅ 1,724 = 0,212 кг/(кВт∙ч). 7. Удельный расход условного топлива на выработку теплоты bт = 143 тq = 143 ⋅ 0,689 = 98,5 кг у. т./Гкал или 24 кг у. т./ГДж. Вычисленные по «физическому» методу удельные расходы услов- ного топлива для рассмотренной дизельной мини-ТЭЦ составляют: bэ = = 0,140 кг у. т./(кВт∙ч) и bт = 168 кг у. т./Гкал = 40 кг у. т./ГДж. Они иска- жают реальные результаты преобразования энергии в комбинированных установках на –29 % и +61 % соответственно, а потому не пригодны для анализа тепловой эффективности или практического применения. В Ы В О Д Ы 1. Термодинамические показатели комбинированной установки отра- жают физические закономерности превращения энергии топлива в теплоту и работу, а потому являются объективными критериями ее тепловой эффективности. 2. Предложенный термодинамический метод определения показателей универсален и применим к любым установкам с комбинированной выра- боткой. 3. Методика расчета удельных расходов топлива на ТЭЦ является, по существу, эксергетической, однако предельно проста и не требует спе- циальных навыков для ее применения. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. П и и р, А. Э. Эффективность выработки тепла и электроэнергии на ТЭЦ / А. Э. Пи- ир, В. Б. Кунтыш // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 1976. – № 12. – С. 127–131. 2. П и и р, А. Э. Термодинамические основы трансформации теплоты на ТЭЦ / А. Э. Пиир, В. Б. Кунтыш // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объедине- ний СНГ). – 2003. – № 1. – С. 65–73. 3. П и и р, А. Э. Определение показателей тепловой и экономической эффективности ТЭЦ без разделения расхода топлива и оборудования по видам продукции / А. Э. Пиир, В. Б. Кунтыш // Теплоэнергетика. – 2006. – № 5. – С. 66–70. 4. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Оценка эффективности когенерационной установки с по- зиций адекватных показателей мини-ТЭЦ / Б. А. Байрашевский, Н. П. Борушко, М. И. Ша- вельзон // Энергия и менеджмент. – 2005. – № 4. – C. 14–17. 5. Г о х ш т е й н, Д. П. Современные методы термодинамического анализа энергетиче- ских установок / Д. П. Гохштейн. – М.: Энергия, 1964. – 368 с. 6. Г л а д у н ц о в, А. И. По поводу энергетического обеспечения действующего спосо- ба распределения топлива на ТЭЦ / А. И. Гладунцов, Ю. В. Пустовалов // Теплоэнергети- ка. – 1989. – № 2. – С. 52–53. 7. В у к а л о в и ч, М. П. Техническая термодинамика / М. П. Вукалович, И. И. Нови- ков. – М.: Машиностроение, 1972. – 670 с. Представлена кафедрой 64 энергосбережения, гидравлики и теплотехники БГТУ Поступила 03.09.2012 65