1. ТЭЦ, находящиеся в пределах действия энергетических систем
Выбор оборудования промышленной электростанции производится, исходя из условий, определяющих наиболее надежное и экономичное энергоснабжение предприятия и прилегающего к нему района. Наиболее экономичное решение для ТЭЦ, связанной с системой, будет при обеспечении рациональной системы теплоснабжения, выработки электроэнергии преимущественно на тепловом потреблении, полном использовании горючих отходов и вторичных энергоресурсов предприятия. Общая рабочая электрическая мощность ТЭЦ в этих условиях определяется тепловыми нагрузками, расчетным коэффициентом теплофикации, начальными и конечными параметрами пара, типом турбин, а также количеством топливных отходов и вторичных энергетических ресурсов, которые должны быть использованы на ТЭЦ. Установленная мощность ТЭЦ складывается из рабочей и резервной мощностей, если последняя необходима по условиям бесперебойного энергоснабжения.
Тепловые нагрузки ТЭЦ определяются, исходя из обеспечения теплом данного предприятия, а также промышленных и коммунальных потребителей, расположенных в радиусе экономически целесообразного теплоснабжения.
Сооружение ТЭЦ применительно к потребностям в тепле данного и группы смежных предприятий, а также прилегающего района уменьшает количество мелких энергетических установок и увеличивает мощность ТЭЦ, что дает существенную народнохозяйственную экономию.
Достаточно указать, что увеличение мощности электростанций с 25 до 50 тыс. кВт при соответствующем укрупнении агрегатов снижает удельные капитальные затраты примерно на 20% и дает уменьшение себестоимости электроэнергии на 8—10% за счет меньших амортизационных отчислений и расходов на персонал.
Расчетный коэффициент теплофикации аТЭц определяет соотношение электрической и тепловой мощности ТЭЦ и долю выработки электроэнергии по теплофикационному циклу.
Оптимальное значение аТЭц, зависящее от характера и графика тепловой нагрузки, типа турбин и относительной экономичности ТЭЦ, определяется технико-экономическим расчетом.
Правильный выбор расчетного коэффициента теплофикации обеспечивает повышение числа часов использования теплофикационных отборов и противодавления турбин ТЭЦ, что позволяет сократить капитальные затраты на теплофикацию, так как при этом снижается потребная мощность турбин и энергетических котлов ТЭЦ при заданной тепловой нагрузке.
Обычно при круглогодовой технологической нагрузке принимают аТэц=0,7:0,8; при сезонной отопительной нагрузке для ТЭЦ высокого давления аТэц = 0,5:0,7 и для ТЭЦ среднего давления аТэц=0,4:0,5.
При этом число часов использования теплофикационных отборов турбин может достигнуть 4 500—5 000, а турбин с противодавлением —5 500—6 000 ч.
Электрическая мощность ТЭЦ при данной тепловой нагрузке существенно зависит от типа устанавливаемых турбин.
При одинаковом тепловом потреблении от ТЭЦ электрическая мощность при конденсационных турбинах с отбором пара будет больше, чем при турбинах с противодавлением, за счет дополнительной выработки электроэнергии на конденсационном потоке пара, необходимом по условиям надежной работы турбин. Минимальный пропуск пара в конденсатор турбин среднего давления с отбором пара Т-6-35 составляет — 2,2% общего его расхода при номинальных электрической и тепловой нагрузках; для турбин высокого давления с отбором пара Т-25-4 ~3,6%. Соответственно минимальные выработки электроэнергии на конденсационном режиме для этих турбин составляют 3,3 и 4,6% номинальной. Использование на ТЭЦ горючих отходов производства и пара, полученного за счет вторичных энергоресурсов, в ряде случаев оказывает решающее влияние на выбор ее электрической мощности и оборудования. Основным показателем, характеризующим это влияние, является коэффициент замены топлива
где Qr.oTx— тепло пара, получаемого за счет топливных отходов, Гкал/ч:
В этом выражении:
В — количество горючих отходов, поступающих на ТЭЦ, кг, нм3/ч;
Он—теплота сгорания горючих отходов, ккал\кг, нм3;
n к.у — к. п. д. котельной;
Qq.u—тепло пара, полученного за счет вторичных энергоресурсов, поступающего на ТЭЦ, Гкал/ч,
Qoр — расчетный максимум тепловой нагрузки, Гкал/ч.
В среднем по промышленности гзем = 0,4, что указывает на кажущуюся возможность использования горючих отходов и вторичных энергоресурсов для замены части топлива, расходуемого на выработку электроэнергии и тепла только по теплофикационному циклу. Однако для предприятий ведущих отраслей промышленности > 1, например в целом для черной металлургии —1,2, а для основных заводов >2.
При этом, как было показано ранее, график выхода горючих отходов и вторичных энергоресурсов остается примерно постоянным, а тепловая нагрузка изменяется в зависимости от наружных температур. В летний период тепловые нагрузки снижаются минимально на 20—30%. В этих условиях для обеспечения круглогодового использования горючих отходов и вторичных энергоресурсов на ряде предприятий ведущих отраслей промышленности, в которых гзам>аТэц, мощность промышленной тепловой электростанции должна быть больше определяемой выработкой электроэнергии только на тепловом потреблении и оказывается необходимым частичное производство ее по конденсационному циклу. Очевидно, на таких ТЭЦ, кроме турбин с противодавлением, должны быть установлены также конденсационные турбины.
Приведенные соображения подтверждаются практикой строительства и эксплуатации ряда ТЭЦ заводов черной металлургии, мощность которых в значительной мере определяется необходимостью использования доменного газа. На этих электростанциях, как правило, устанавливаются турбины с отбором пара и выработка электроэнергии по конденсационному циклу достигает 80% общей. В дальнейшем по мере увеличения использования вторичных энергоресурсов и внедрения энерготехнологических установок, что является закономерным и экономически оправданным, конденсационные мощности будут необходимы на ТЭЦ ряда заводов цветной металлургии, химических, машиностроительных и др., несмотря на наличие связи их с энергетическими системами.
Целесообразная рабочая электрическая мощность ТЭЦ, исходя только из величины тепловой нагрузки, может быть определена из выражения
тыс. кВт,
где yv — расчетная удельная мощность, вырабатываемая на тепловом потреблении, тыс. кВт/Гкал; атэц — коэффициент теплофикации;
QoP — расчетный максимум тепловой нагрузки, Гкал\ч.
Рабочая мощность ТЭЦ при необходимости и экономической целесообразности использования в течение всего года значительного количества горючих отходов
производства и вторичных энергоресурсов определяется из выражения
где ук — расчетная удельная мощность, вырабатываемая на конденсационном режиме.
Значения остальных величин указаны выше. В этом случае значение атэц принимается равным единице, так как уменьшение его снизит выработку электроэнергии на тепловом потреблении, не уменьшая мощности ТЭЦ и необходимых капитальных затрат.
На промышленных электростанциях, связанных с системой при выводе из работы агрегатов, в результате аварий или для ремонта бесперебойное электроснабжение потребителей обеспечивается за счет получения недостающей электроэнергии из системы, в которой предусматривается достаточная резервная мощность.
В перспективе развития энергосистем общий резерв планируется в размере около 10% располагаемой мощности. Создание резервной электрической мощности непосредственно на промышленных электростанциях нецелесообразно. Очевидно, при этом потребуется установка большего количества резервных агрегатов меньшей мощности, чем при централизованном резерве в системе, и, следовательно, большие капитальные затраты. Достаточно указать, что при одном рабочем агрегате резерв по количеству и мощности должен составлять 100%, при двух агрегатах ~50% против ~10% в системе. Помимо этого, для пуска агрегатов, находящихся в холодном резерве, требуется значительное время, например 10—20 мин для газотурбинной установки и более 2—3 ч для паровых турбогенераторов, в то время как в системе имеются агрегаты, работающие с некоторой недогрузкой, и при аварии необходимое количество электроэнергии может быть получено мгновенно. Таким образом, на промышленных электростанциях, связанных с системой, установленная электрическая мощность должна равняться рабочей мощности. Возможно некоторое превышение номинальной мощности агрегатов по сравнению с требуемой, определяемое условиями их выбора из числа выпускаемых промышленностью.
Надо особо отметить, что при всех обстоятельствах рабочая производительность котельной с учетом пара от бестопочных котлов должна соответствовать мощности устанавливаемых турбогенераторов и обеспечивать возможность работы их с номинальными электрической и тепловой нагрузками. Этим создается возможность улучшения использования оборудования ТЭЦ при некотором росте нагрузок без дополнительных капитальных затрат.
Установленная номинальная производительность, котельной складывается из рабочей и резервной, необходимой для бесперебойного теплоснабжения потребителей, на каждой электростанции, работающей в системе или изолированно. Величина резервной производительности котельной определяется в основном характером и графиком теплового потребления. При производственном теплопотреблении и примерно постоянном графике нагрузок в течение года необходимая резервная производительность котельной должна быть
при этом должен быть по крайней мере один резервный агрегат с паропроизводительностью не менее наибольшего рабочего агрегата.
При таком резерве практически обеспечивается бесперебойное теплоснабжение потребителей, в том числе и при выходе из работы любого котельного агрегата при аварии или в ремонт.
Создание резерва путем увеличения единичной мощности всех рабочих агрегатов нецелесообразно, так как ухудшение эксплуатационных показателей котельных агрегатов при работе их с недогрузкой не оправдывается снижением капитальных затрат.
При преимущественно сезонном отопительном теплопотреблении и нагрузке летом менее 50% максимальной зимней при установке двух и более котельных агрегатов нет необходимости в резервной производительности котельной. Ремонт котельных агрегатов может производиться летом в период минимальной нагрузки, а создавать резерв на случай аварийного выхода из работы котельных агрегатов в короткий период зимнего максимума нет оснований. Надо отметить, что допустимо некоторое снижение отпуска тепла отопительным потребителям, учитывая большую аккумуляцию тепла зданиями в течение нескольких часов, необходимых для устранения мелких неполадок котельных агрегатов.
2. Изолированные ТЭЦ и конденсационные электростанции
Общая рабочая электрическая мощность изолированных промышленных электростанций межотраслевого назначения определяется, исходя из совмещенного максимума электрических нагрузок данного, а также смежных предприятий и района, находящегося в пределах целесообразного радиуса электроснабжения, с учетом предполагаемого роста потребления электроэнергии макс. Установленная мощность должна быть больше рабочей на величину необходимого резерва. Радиус электроснабжения выбирается путем сравнения по капитальным затратам и эксплуатационным расходам возможных вариантов электроснабжения потребителей района, в котором находится данная промышленная электростанция. Для приближенного расчета ограничиваются сопоставлением затрат в электрические сети, возрастающих с ростом дальности передачи электроэнергии, и уменьшения удельных капитальных затрат с увеличением мощности электростанции.
Тепловые нагрузки определяются, исходя, из теплоснабжения данного и смежных предприятий, а также ближайшего района, как указано выше для электростанций, работающих в системе. Максимальный отпуск тепла от турбин зависит от электрической нагрузки в данный период времени и их типа, составляя величину
где N — электрическая нагрузка в данный период времени, тыс. кВт;
Ур — расчетная удельная мощность, вырабатываемая на тепловом потреблении, тыс. кВт-ч/Гкал.
В случае недостаточного количества тепла, отпускаемого от турбин, часть его подается потребителям непосредственно из котельной. При изолированной работе электростанции должна быть обеспечена независимость графика выработки электроэнергии и тепла и, следовательно, выработка части электроэнергии на конденсационном режиме.
Использование горючих отходов и пара, полученного за счет вторичных энергетических ресурсов, возможно в пределах заданных графиков электрической и тепловой нагрузок и на выбор электрической мощности электростанции не влияет. Для бесперебойного электроснабжения потребителей на изолированной электростанции необходимо иметь резервный агрегат, мощность которого Nрез должна быть не меньше наибольшей мощности рабочего агрегата.
При этих условиях установленная мощность электростанции всегда больше рабочей:
N ytCT = N раб + Nрез
Рабочая и установленная производительности котельной электростанции определяются так же как и при связи ее с системой, с учетом пара, получаемого за счет использования вторичных энергетических ресурсов. При этом резервная производительность должна обеспечивать бесперебойный отпуск электроэнергии и тепла потребителям в случаях выхода из работы одного из котельных агрегатов в любое время года. Обычно в период максимальной тепловой нагрузки в котельной необходимо иметь один резервный котельный агрегат с производительностью наибольшего рабочего. Ремонты агрегатов должны производиться в летний период при минимальных электрических и тепловых нагрузках.
