Расчет мощности расширительной турбины

Запишем первый закон термодинамики через внутреннюю энергию и энтальпию в следующем виде: и . Для адиабатного процесса , откуда получим два уравнения: и . Разделив второе уравнение на первое, получим следующее выражение:

. (150)

Интегрируя от первого состояния до второго и меняя пределы интегрирования

, получим выражение для уравнения адиабатного процесса , или в окончательном виде

. (151)

Работа адиабатного процесса выражается через изменение внутренней энергии

. Теплоемкости в процессах при постоянном давлении и при постоянном объеме связаны следующим соотношением: , отсюда теплоемкость при постоянном давлении может быть выражена как

. (152)

Тогда работа адиабатного процесса (рис. 69) может быть записана через изменение

 

Рис. 69. Процесс расширения в турбине

 

давлений и удельных объемов как

. (153)

Начальное значение давления и удельного объема перед турбиной и v₁ заданы, известно давление природного газа после турбины. Удельный объем газа после расширения в турбине рассчитывается из уравнения адиабатного процесса .

При известном объемном расходе газа через турбину G_г суммарную мощность турбины можно рассчитать по выражению . Количество теплоты, которое необходимо затратить на предварительный подогрев газа в экономайзере, определится по выражению .

Детандер-генераторные агрегаты могут использоваться как на предприятиях, производящих электроэнергию (тепловые электрические станции), так и на предприятиях, у которых электроэнергия не является основной продукцией (ГРС, металлургические заводы, заводы химических удобрений и т.п.). Указанное различие является весьма существенным. Так, во втором случае выработанная ДГА электроэнергия будет являться для предприятия новым видом продукции и на технологию производства основной продукции прямо не повлияет. Технико-экономические показатели производства основной продукции будут зависеть от эффективности использования ДГА только в части, связанной с энергетическими затратами. На ТЭС, производство электроэнергии для которой является основным видом деятельности, применение ДГА непосредственно сказывается на технико-экономических показателях основного производства.

В качестве критерия для оценки влияния ДГА на тепловую экономичность ТЭС можно принять изменение удельного расхода топлива на выработку электроэнергии.

От того, насколько правильно определяется изменение удельного расхода топлива на выработку электроэнергии при технико-экономическом сравнении различных вариантов установок для производства электроэнергии на ТЭС, в значительной степени зависит обоснованность окончательного результата.

В общем виде снижение удельного расхода топлива на ТЭС за счет использования ДГА может быть определено следующим образом:

,

(5.1)

где Q_сто, Q_ст1 – расход теплоты в котлах до и после включения ДГА, кВт; Q_т – внешняя тепловая нагрузка ТЭЦ, кВт; DQ_дга – физическая теплота природного газа, кВт; DQ_гп – расход теплоты, подведенной к потоку природного газа за счет сжигания дополнительного топлива, кВт; N_эо, N_э1 – электрическая мощность до и после включения ДГА; N_дга – электрическая мощность ДГА.

При работе конденсационной электростанции в избыточной энергосистеме, когда по тем или иным причинам отсутствует возможность организации перетока электроэнергии в другие системы, необходимым условием при включении ДГА в тепловую схему КЭС является сохранение выработки электроэнергии станцией в целом на том же уровне, каким он был до включения ДГА. Для этого электрическая мощность, вырабатываемая паротурбинными блоками, должна быть снижена на величину электрической мощности, вырабатываемой ДГА.

При работе на электростанциях, входящих в энергосистемы, работающие с дефицитом электрической мощности, ДГА включается в тепловую схему КЭС при номинальном расходе пара на турбины.

Расчеты изменения удельного расхода топлива для ТЭС, оборудованной энергоблоками К-300-240, показывают, что при мощности ДГА N_дга = 28,7 МВт, потеря мощности паротурбинной установкой составит DN_пт = 8,0 МВт, хотя общая мощность ТЭС возрастает. Изменение удельного расхода топлива составит 3,1 г у.т./кВт×ч [22].

Рис. 5.1. Схема включения ДГА в тепловую схему энергоблока:

1 – турбина; 2 – котел; 3 – конденсатор; 4 – насос; 5 – детандер; 6 – теплообменник

подогрева газа; 7 – регенеративные подогреватели

В рассмотренных условиях основное влияние на изменение удельного расхода топлива оказывают изменение выработки электроэнергии (около 87 %) и изменение температуры газа (около 13 %). Влияние изменения параметров пара и воды из-за включения ДГА при выбранных условиях расчета пренебрежимо мало (менее 1 %).

Для подогрева газа перед детандером на ТЭС могут быть использованы источники высокопотенциальной энергии, получаемой в основном за счет сжигания органического топлива. На станциях понижения давления (ГРС и ГРП), не относящихся к тепловым электрическим станциям, для подогрева газа перед детандером применяются специально для этого предназначенные котлы,

в которых также сжигается органическое топливо, как правило, часть транспортируемого природного газа.

Таким образом, существующие детандер-генераторные агрегаты хотя и позволяют использовать избыточное давление транспортируемого природного газа для получения электроэнергии, но их работа, так же как и работа паротурбинных установок, приводит к загрязнению окружающего воздушного бассейна из-за сжигания органического топлива.

Избежать этого можно, подогревая газ перед детандером с помощью теплонасосной установки (ТНУ), использующей часть энергии, которая вырабатывается электрогенератором ДГА, для обеспечения своей работы. При таком техническом решении для обеспечения нормальной работы ДГА используется лишь потенциальная энергия давления транспортируемого природного газа и низкопотенциальная энергия. В качестве источника низкопотенциальной энергии при этом могут быть использованы вторичные энергетические ресурсы и теплота окружающей среды.

Принципиальная схема установки, в которой для подогрева транспортируемого газа перед детандером используется тепловой насос, приведена на рис. 5.2 [22].

Установка содержит кинематически соединенный с электрическим генератором 1 детандер 2. Детандер подключается параллельно дросселирующему устройству, разделяющему трубопроводы высокого 3 и низкого 4 давления. Теплообменник 5, служащий для подогрева газа высокого давления, является одновременно и элементом теплонасосной установки, в

Рис. 5.2. Принципиальная схема установки для реализации способа производства электроэнергии при использовании избыточного давления транспортируемого газа без сжигания:

1 – генератор; 2 – детандер; 3 – газопровод высокого давления; 4 – газопровод низкого давления; 5 – теплообменник подогрева газа; 6 –компрессор; 7 – электродвигатель;

8 - дросселирующее устройство; 9 – испаритель; 10, 11 – электрические сети

 

состав которой входят также компрессор 6, приводимый в действие электродвигателем 7, дросселирующее устройство 8, испаритель 9. Электрические связи 10 и 11 предназначены для подачи электроэнергии на электродвигатель 7 теплонасосной установки и внешнему потребителю соответственно.

Возможны и более сложные, но и более эффективные схемы ДГА с подогревом газа (рис. 5.3).

Рис.5.3. Принципиальная схема установки с подогревом газа до и после детандера:

1 – генератор; 2 – детандер; 3 – газопровод высокого давления; 4 – газопровод низкого давления; 5 – регенеративный подогреватель хладагента; 9 - дросселирующее устройство;

6 – теплообменник подогрева газа,; 7 – компрессор; 8 – электродвигатель;

9 – дроссель; 10 – испаритель; 11 – насос; 12– источник низкопотенциального тепла; 13, 14 – электрические сети