Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра тепловых энергетических установок

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА
ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Методические указания к выполнению курсовой работы для докторантов
специальности 6D071700-Теплоэнергетика

Алматы 2014

Составители: Тютебаева Г.М., Муканова Д.Т. Оптимизация режимов комбинированного производства тепловой и электрической энергии.

Методические указания к выполнению курсовой работы для докторантов специальности 6D071700- Теплоэнергетика. – Алматы: АУЭС, 2014. – 16 с.

Методические указания по предмету «Оптимизация режимов комбинированного производства тепловой и электрической энергии» для докторантов содержат введение, цель работы, задание, общие положения, методику их выполнения и перечень рекомендуемой литературы.

Методические указания предназначены для докторантов, обучающихся по специальности 6D071700 – «Теплоэнергетика» специализация – Тепловые электрические станции.

Ил. 1 , табл.3 , библ.- 8 назв.

Рецензент: канд. техн. наук, доц. Кибарин А.А.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2014г.

©НАО «Алматинский университет энергетики и связи» 2014 г.

Содержание

Введение

1.1. Цель работы

1.2. Задание

1.3. Общие положения

1.4. Методика выполнения работы

1.5. Контрольные вопросы

Список литературы

Введение

Повышение эффективности работы теплоэнергетического оборудования всегда являлось приоритетным направлением в развитии энергетической науки.

Провал в развитии энергетики в нашей стране с начала 90-х годов XX века до сих пор дает о себе знать, это отражается в низком потреблении энергии во многих регионах.

Выход из строя старого оборудования из-за его старения и практически единичные вводы новых энергетических мощностей - все это заставляет более серьезно подойти к работе существующих станций.

При наметившемся в последние годы экономическом росте может возникнуть дефицит энергетических мощностей. Строительство новых станций требует больших капитальных вложений, при этом на многих станциях имеются внутренние энергетические резервы, выявление которых возможно при оптимизации работы теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Кроме того, решение задач по оптимизации работы ТЭЦ позволит повысить технико-экономические показатели станций, что приведет к повышению их конкурентоспособности на энергетическом рынке в условиях реструктуризации энергетической отрасли.

В настоящей работе поставлена задача исследования возможностей по оптимизации режимов работы ТЭЦ.

В связи с этим целью курсовой работы является исследование оптимального распределения нагрузок между турбоагрегатами ТЭЦ и пиковыми водогрейными котлами.

Исследование распределения тепловой нагрузки ТЭЦ между основными и пиковыми подогревателями

Цель работы: приобретение навыков анализа режимов работы

вспомогательного оборудования ТЭЦ с целью выявления экономичного варианта их загрузки.

Задание.

На основе исходных данных (см. таблицы 1.1-1.3) требуется:

1) Исследовать возможности ТЭЦ по выработке электроэнергии в отопительный период в зависимости от характера распределения тепловой нагрузки между основными и пиковыми бойлерами станции.

2) Определить оптимальные условия отпуска тепла от станции при существующем оборудовании, параметры пара в отборах теплофикационных

агрегатов, обеспечивающих максимальную выработку электроэнергии на базе теплового потребления установленным оборудованием.

3) По укрупненным показателям оценить целесообразность установки основных бойлеров на их максимально возможную производительность.

Таблица 1.1-Исходные данные по температуре наружного воздуха и давления пара

Температура наружного воздуха,

t_н,,⁰С

Время стояния температуры наружного воздуха,

τ, час

Р_т≤0,12 МПа

Р_т≤0,25 МПа

0,12МПа≤Р_т≤0,25МПа

t_об^//

t_s

i_s

Р_т

i_т

t_об^//

t_s

i_s

Р_т

i_т

t_об^//

t_s

i_s

Р_т

i_т

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

Таблица 1.2 – Исходные данные по вариантам расчетов

	Номер варианта
	1	2	3	4	5	6	7	8
О_т^р, МВт	419	410	346	400	390	405	380	360
О_гвс^ср.н,МВт	0,15 О_т^р
t_пр,⁰С	150	150	170	180	150	170	180	170
t_обр,⁰С	70	70	70	70	70	70	70	70
α_тэц	0,5	0,6	0,7	0,75	0,5	0,6	0,7	0,75
∆t,⁰С	9	8	7	6	9	8	7	6

Р₀=12,8 МПа; t₀=545 °С

Таблица 1.3 – Средняя продолжительность температуры воздуха в отопительный сезон, ч

Температура воздуха, ⁰С	Актюбе	Алматы	Аральск	Атбасар	Атырау	Караганда	Костанай	Петропавловск	Туркестан	Уральск
t_н^р,⁰С	-31	-25	-29	-36	-26	-32	-35	-36	-32	-31
- 42… - 40,1				9				9
- 40… - 38,1				9			9	9
- 38… - 36,1				18		9	9	26
- 36… - 34,1	9			35		18	35	35		9
- 34… - 32,1	18			35		26	35	53		18
- 32… - 30,1	26		9	79		35	61	88		18
- 30… - 28,1	44		35	96	9	44	79	88		35
- 28… - 26,1	79		44	114	9	53	114	123	9	44
- 26… - 24,1	114	9	70	166	35	88	123	140	18	79
- 24… - 22,1	131	9	88	202	35	123	149	140	26	105
- 22… - 20,1	166	26	123	219	44	158	175	193	26	140
- 20… - 18,1	175	44	123	237	88	193	210	219	44	149
- 18… - 16,1	210	61	175	254	114	245	254	254	61	166
- 16… - 14,1	219	123	193	263	131	280	263	289	79	228
- 14… - 12,1	245	140	210	263	140	289	280	289	96	237
- 12… - 10,1	237	193	219	298	219	316	298	316	114	272
- 10… - 8,1	280	210	219	245	228	316	289	307	140	228
- 8… - 6,1	316	280	263	307	246	359	324	307	184	289
- 6… - 4,1	359	324	298	342	324	368	324	333	237	333
- 4… - 2,1	429	394	333	334	395	412	368	333	325	386
- 2… - 0,1	447	492	421	429	508	421	398	421	456	465
0… - 1,9	482	482	438	403	508	386	429	456	491	622
2…3,9	307	412	351	298	394	324	298	324	421	324
4…5,9	272	403	307	298	360	316	307	324	403	298
6…7,9	282	403	280	307	342	342	324	368	386	289
8…9,9	324	394	272	377	325	386	351	368	351	333

Общие положения

Тепловая нагрузка на нужды отопления и вентиляции резко изменяется в течение года. При отпуске тепла на отопление и вентиляцию от ТЭЦ расход пара и мощность теплофикационных турбин, а также давление в регулируемых отборах зависят от температуры окружающего воздуха.

Максимальная величина теплофикационной нагрузки соответствует величине минимальной расчетной температуры наружного воздуха в данном климатическом поясе. Длительность стояния этой температуры в отопительный период незначительна и составляет от 10 до 100 часов в году. Поэтому выбор мощности теплофикационной турбины по максимальному количеству тепла приведет к недогруженности отбора турбины и, следовательно, к увеличению выработки электроэнергии по конденсационному режиму, т. е. к снижению экономичности теплофикации.

Следовательно, целесообразно покрывать за счет отборов турбин не всю максимальную величину тепловой нагрузки, а только базовую ее часть.

Пиковую же тепловую нагрузку покрывают за счет установки пиковых подогревателей. В этом случае возможна наибольшая загруженность отбора турбины в отопительный период (см. рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Принципиальная тепловая схема ТЭЦ

Доля расчетной тепловой нагрузки, удовлетворяемая из отборов турбин, называется коэффициентом теплофикации:

где , максимальная расчетная нагрузка;

- количество тепла, отпускаемого из отборов турбин;

- то же, от пиковых водогрейных котлов или пиковых подогревателей.

При увеличении снижается величина пиковой тепловой нагрузки, но, с другой стороны, уменьшается загруженность отбора турбин в отопительный период, что приводит к росту выработки электроэнергии по конденсационному режиму, т.е. к снижению экономии топлива на ТЭЦ. При уменьшении сокращается конденсационная выработка электроэнергии на ТЭЦ, но увеличивается величина пиковой нагрузки, что приводит к сокращению выработки электроэнергии на базе отпускаемого тепла.

Поэтому требуется выбирать оптимальное значение . Суммарная теплопроизводительность пиковых котлов выбирается, исходя из принятой величины коэффициента теплофикации , т. к:

При =0,5 производительность пиковых котлов равна количеству тепла, отпускаемого из отборов турбин при расчетной температуре наружного воздуха .

Для выяснения режима работы теплофикационной турбины, определения давлений пара в регулируемых отборах и годового расхода топлива на ТЭЦ требуется построить график зависимости температуры сетевой воды от наружной температуры воздуха.

Для распределения тепла между основными и пиковыми подогревателями необходимо:

- знать длительность стояния различных наружных температур отопительного периода для данного климатического пояса (см. таблицу 1.3);

- построить часовой график расхода тепла в зависимости от наружной температуры (см. рисунок 1.2);

- принять график зависимости температуры сетевой воды от наружной температуры воздуха (см. рисунок 1.3);

- построить годовой график отопительной нагрузки по ее продолжительности (см. рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Годовой график тепловой нагрузки по продолжительности

Площадь, ограниченная графиком, выражает в масштабе годовой расход тепла на отопление , МВт (см. рисунок 1.2).

130

Рисунок 1.3 - Температурный график тепловой сети

На рисунке 1.3 показана зависимость температуры сетевой воды от температуры наружного воздуха при качественном регулировании отпуска тепла от ТЭЦ, т. е. при постоянном расходе воды, циркулирующей в сети.

График построен при следующих температурах воды и воздуха, выбранных по ГОСТ:

1) максимальная температура воды в подающей сети =130 ⁰С;

2) максимальная температура воды в обратной магистрали =70 ⁰С;

3) минимальная расчетная температура наружного воздуха = - 30 ⁰С;

4) средняя температура внутри помещения =20 ⁰С.

При помощи графика зависимости температуры сетевой воды от температуры наружного воздуха можно определять расчетные часовые количества тепла на основные и пиковые подогреватели, а пользуясь графиком годового расхода тепла, можно определить и годовые количества тепла, отпускаемого от основных и пиковых подогревателей.

Годовые количества тепла, выработка электроэнергии на тепловом потреблении, а также расчетная производительность основных и пиковых подогревателей будут зависеть от принятого графика изменения давления в регулируемом отборе.

По санитарным нормам температура сетевой воды в подающей магистрали тепловой сети при непосредственном присоединении потребителей не должна превышать . Если принять недогрев воды в поверхностном подогревателе равным , то температура насыщения пара регулируемого отбора составит , что соответствует давлению пара в отборе Из графика температур (см. рисунок 1.3) видно, что работа теплофикационной установки без пиковых подогревателей возможна только при наружных температурах выше -15°С. При более низкой наружной температуре воздуха вода догревается в пиковом бойлере за счет пара более высокого давления (температуры насыщения) или за счет включения пикового водогрейного котла (ПВК).

Наружная температура воздуха (-15°С), при которой вступает в работу пиковый бойлер или ПВК и при которой основной подогреватель имеет максимальную тепловую нагрузку, называют расчетной температурой ТЭЦ или расчетной температурой загрузки отбора. Величина максимального отпуска тепла от ТЭЦ пропорциональна отрезку cd на графике температур (см. рисунок 1.3).

Максимальная (расчетная) тепловая нагрузка основных бойлеров пропорциональна отрезку ав. Величина отношения максимальной производительности основных подогревателей, соответствующей расчетной температуре загрузки отбора к максимальному отпуску тепла от ТЭЦ, называется коэффициентом теплофикации, т. е.

Для ТЭЦ рекомендуется принимать

При снижении наружной температуры воздуха тепловая нагрузка основных подогревателей (при Р_отб=соnst) уменьшается, т. к. температура обратной сетевой воды возрастает за счет отпуска тепла от пиковых подогревателей (см. рисунок 1.3).

При расчетной температуре наружного воздуха величина тепловой нагрузки основных подогревателей пропорциональна отрезку , в то же время пиковые подогреватели имеют максимальную (расчетную) нагрузку, пропорциональную отрезку се.

В случае постоянства давления пара регулируемого отбора расчетный расход пара из отопительного отбора используется для нагрева воды только при одном значении наружной температуры воздуха , и тепловая нагрузка отопительного отбора снижается при дальнейшем уменьшении наружной температуры, что приводит к сокращению выработки электроэнергии на базе отпускаемого тепла и, соответственно, к снижению экономичности ТЭЦ. Поэтому конструкция турбины предусматривает регулирование не только расхода пара, но и давления отборного пара.

Количество тепла, отдаваемое от основных и пиковых подогревателей, на годовом графике разграничивается линией ае, направленной вниз, соответственно нагрузке подогревателей при наружных температурах воздуха ниже расчетной температуры ТЭЦ. Определение точек линии ае производят путем вычисления тепловой нагрузки основных подогревателей в зависимости от температуры наружного воздуха, и выпуклость ее направлена вверх в соответствии с формой годового графика на этом участке. Снижение площади годового графика, определяющего годовой расход пара из отопительного отбора, приводит к снижению выработки электроэнергии по теплофикационному режиму. При повышении давления регулируемого отбора, например, до величины , имеется возможность нагревать воду в основных подогревателях по линии аа₁ (см. рисунок 1.3) примерно до , снижение их тепловой нагрузки начинается только при температуре наружного воздуха при .

Годовое количество тепла, отпускаемое от основных подогревателей, увеличится на площадку между линиями а₁е_] и ае (см. рисунок. 1.2). Годовая выработка электроэнергии на тепловом потреблении несколько возрастает, несмотря на уменьшение располагаемого теплоперепада, в связи с увеличением давления отбора до . В этом случае расчетная теплопроизводительность основных подогревателей сильно возрастает, что приводит к резкому увеличению поверхности нагрева подогревателей. В то же время число часов покрытия пика нагрузки занимает около 8-10% от отопительного периода, в остальное время поверхность нагрева подогревателей будет недоиспользоваться. Поэтому давление регулируемого отбора изменяют таким образом, чтобы нагрев воды в основных подогревателях происходил по линии ае₂, параллельной линии температуры воды в обратной магистрали, т. е. при постоянной тепловой нагрузке основных бойлеров. На графике годового расхода тепла количество тепла, отпускаемого от основных и пиковых подогревателей, разграничивается линией ае₂, соответствующей постоянной тепловой нагрузке основных бойлеров при низких наружных температурах воздуха.

Годовое количество тепла, отпускаемого от основных бойлеров, однозначно определяет выработку электроэнергии на базе теплового потребления (кВт/ч):

(2)

где - среднегодовая (за отопительный сезон) теплофикационная мощность ТЭЦ;

- продолжительность отопительного периода;

- среднегодовая удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении:

(3)

- энтальпии острого пара перед турбиной;

- соответственно среднегодовые значения энтальпии отбираемого пара и образующегося в подогревателе конденсата при принятом характере изменения Р_т в течение отопительного сезона;

- представляет собой интегральные параметры, которые равны:

где - значения теплофикационной мощности ТЭЦ при соответствующих температурах наружного воздуха и принятом характере изменения ;

- соответственно значения энтальпий пара в отборе и образовавшегося в подогревателях конденсата, соответствующие температурам наружного воздуха при принятом характере изменения ;

- продолжительность стояния каждой температуры наружного воздуха;

продолжительность отопительного сезона.

Методика выполнения работы

1. Для выполнения работы в меню «Пуск» следует найти папку «Laboratory» .

2. В открывшемся окне «Исследования распределения тепловой нагрузки ТЭЦ между основными и пиковыми подогревателями» ввести исходные данные для расчета согласно варианту (см. таблицу 2). Проверить правильность ввода исходных данных и только после этого щелкнуть по кнопке «Продолжить».

3. В окне «Число часов со среднесуточной температурой наружного воздуха» следует выбрать один из предлагаемых городов согласно варианту (см. таблицу 1.3.), а затем щелкнуть по кнопке «Продолжить».

4. В появившемся окне получаем температурный график теплосети (график Чаплина).

На графике показано распределение тепловой нагрузки между основными и пиковыми бойлерами при постоянных значениях давлений в отборе Р_т, равных 0,12 МПа; 0,25 МПа и переменной производительности основного бойлера.

На этом же графике показано распределение между основными и пиковыми подогревателями при условии, что максимальная производительность основного бойлера равна Р_т=0,12 МПа, и при дальнейшем увеличении Р_т не возрастает.

Для дальнейших расчетов следует перенести полученный график на миллиметровку.

Для продолжения щелкнуть на кнопку «Продолжить».

5. На экране появится окно с изображением годового графика тепловой нагрузки по продолжительности, на котором показано распределение нагрузки между основными и пиковыми подогревателями при постоянных значениях давлений пара в отопительном отборе Р_т = 1,2 ата; Р_т = 2,5 ата и переменной производительности основного бойлера при Р_т - vаг.

6. Для более полного усвоения рассматриваемого вопроса необходимо построить годовой график тепловой нагрузки ТЭЦ по продолжительности на миллиметровке и нанести на график распределение нагрузки между ОБ и ПБ для указанных случаев.

Для чего в первую очередь определяется расход сетевой воды в теплосетях по уравнению:

где Q- заданная тепловая нагрузка ТЭЦ (см. таблицу 1.2);

- температура сетевой воды в подающей магистрали теплосети (см. таблицу 2);

- температура сетевой воды в обратной магистрали теплосети (см. таблицу 2);

- массовая изобарная теплоемкость воды. .

Затем по уравнению теплового баланса основного бойлера (ОБ) определяются значения тепловой мощности ОБ

Здесь - температура воды за ОБ - остается неизменной и определяется по температурному графику теплосети (см. рисунок 1.3);

- температура воды в обратной магистрали, значение которой увеличивается с понижением температуры наружного воздуха, также определяется по графику Чаплина.

Полученные значения переносятся на годовой график тепловой нагрузки по продолжительности. В зависимости от формы годового графика получаем кривые, делящие нагрузку между ОБ и ПБ, ае и а₁е₁, различной степени выпуклости (см. рисунок 1.2).

На этом же графике строится распределение нагрузки между ОБ и ПБ, при Р_т = vаг c получением горизонтальной линии ае₂.

Затем рассчитываются значения годовой тепловой нагрузки, покрываемой паром из отборов турбины при рассматриваемых вариантах давлений в отборе как площадь под кривой ае, а₁е₁ ае₂.

Значение и определяют согласно формулам (2) и (3) методических указаний.

После выполнения пункта 6 щелкнуть по кнопке «Продолжить».

7. На экране появляется окно с таблицей параметров пара и воды в основном бойлере, в зависимости от температуры наружного воздуха и давления в отборе Р_т.

8. Для выполнения дальнейших расчетов в таблице необходимо заполнить столбцы энтальпий отборного пара, значения которых находятся путем построения процесса расширения пара в турбине в диаграмме.

После чего щелкнуть по кнопке «Пересчет» и выписать значения средних энтальпий пара и конденсата сетевых подогревателей при различных значения Р_т.

Затем щелкнуть по кнопке «Продолжить».

9. Из появившейся «Сводной таблицы результатов» следует выписать значения, и .

Для завершения работы щелкнуть на кнопку «Закрыть».

10. В заключение работы следует провести анализ полученных результатов и сделать вывод о наиболее экономичном режиме распределения тепловой нагрузки между основными и пиковыми подогревателями ТЭЦ.

Контрольные вопросы.

1. Почему изменение температуры сетевой воды сказывается на работе теплофикационного турбоагрегата?

2. Охарактеризуйте режимы работы турбин типа Т с одно-двух-трехступенчатым подогревом сетевой воды.

3. Какое влияние оказывает теплопотребление района на регулировочный режим ТЭЦ на суточном графике в зимние и летние периоды?

4. Что называется коэффициентом теплофикации, его оптимальные значения?

5. Как меняется выработка электроэнергии на тепловом потреблении при изменении давления в отопительном отборе?

6. Привести принципиальную тепловую схему отопительной ТЭЦ.

7. Дайте характеристику возможных режимов работы теплофикационных блоков.

8. Перечислите основные мероприятия по увеличению регулировочного диапазона теплофикационных энергоблоков.

9. К чему приводит увеличение температуры обратной сетевой воды, выше нормативной, при работе турбин с двухступенчатым подогревом сетевой воды?

10. Как выглядит диаграмма режимов типа «Т» с двумя теплофикационными отборами пара? Порядок работы с диаграммами режимов.

11. Почему выбор теплофикационной мощности турбин ведется не по максимальной тепловой нагрузке?

Список литературы

1. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети.-М., 2006.-369 с.

2. Трухний А.Д., Ломакин Б.В. Теплофикационные паровые турбины и турбоустановки.-М.: Издательство МЭИ, 2002.-533 с.

3. Кудинов А.А. Тепловые электрические станции. Схемы и оборудование.-М.: «Инфра-М», 2013.

4. Промышленные тепловые электростанции. М.М. Баженов, А.С.Богородский.- М.,1998.-198 с.

5. Андрющенко А.И. Аминов Р.З. Оптимизация режимов работы и параметров тепловых электростанций.-М.,1983.-256 с.

6. Иванов В.А. Режимы мощных паротурбинных установок.-Л.:Энергоатомиздат, 1986.-247 с.

7. Качан А.Д. Оптимизация режимов и повышение эффективности работы паротурбинных установок ТЭС.-Минск, 1985.-176 с.

8. Методы оптимизации режимов энергосистем. Под ред. В.М.Горнштейна.-М.,1981.-335 с.

Дополнительный план 2014г. поз.9

Тютебаева Галия Муафековна
Муканова Динара Тынысбековна

Редактор Л.Т. Сластихина
Специалист по стандартизации Н.К. Молдабекова

Подписано в печать «___» «___» «___»
Формат 60x84 1/16
Тираж  50 экз.
Бумага типографская №1
Объем  1,1   уч.-изд.л
Заказ   Цена 550 тенге

Копиравально-множительное бюро
Некоммерческое акционерное общество
Алматинский университет энергетики и связи
050013, Алматы, Байтурсынова 126