Эффективность мини-турбин для привода механизмов тэц с поперечными связями

Определение КПД брутто установки турбопривода

Определим КПД брутто для привода гидравлического насоса мини-турбиной - турбопривода. При этом условимся, что приводная минитурбина работает в блоке с другой более крупной - главной турбиной, т.к. обычно основным источником пара для приводных мини-турбин на электростанциях является пар производственного или другого специального отбора более мощных стационарных турбин.
Для вычисления КПД какой-либо системы или установки необходимо ясно представлять процессы преобразования и передачи потоков энергии (или мощности) от самого первого этапа зарождения этого потока до конечного преобразования в рассматриваемом случае в механическую работу. В нашем случае имеем следующую цепочку преобразований энергии: тепловая мощность горения топлива преобразуется в пар в котельной установке, затем острый пар движется по паропроводам к главной турбине, из отбора главной турбины частично отработанный пар подводится к приводной мини-турбине. При этом этот пар, прежде чем попасть в отбор, также совершит работу в главной турбине и выработает дополнительную электрическую мощность в генераторе главной турбины, которую также можно использовать для получения механической мощности другого (аналогичного) насоса с электродвигателем. При этом происходит разделение потоков энергии. Часть энергии проходит главную турбину полностью, идет на генератор и далее; часть энергии поступает в приводную мини-турбину и преобразуется в механическую энергию вращения вала, рис. 2.

Предварительно определимся с КПД брутто приводной мини-турбины в отдельности.

Для определения КПД приводной мини-турбины используем известную из теории [5] формулу:

где η_ПТ· - термический КПД приводной минитурбины; η_ПО - относительный внутренний КПД приводной мини-турбины; η_ПМι - механический КПД приводной мини-турбины.

Коэффициенты η_ПО, η_ПМ - относительные, они характеризуют степень технического совершенства мини-турбины [5]. Их средние значения можно получить из многих источников. Например, из [5]: η_ПО ≈0,86; η_ПМ ≈0,99.

Более серьезное внимание следует обратить на термический КПД приводной мини-турбины η_ПТ который характеризует преобразование теплоты в цикле, может иметь очень широкий диапазон значений и, следовательно, решающее значение на величину общего значения КПД мини-турбины. Естественно предположить, что его значение будет зависеть от типа приводной мини-турбины и параметров пара, питающего мини-турбину.
Опять обратимся к теории [5]. Если экономичность турбинной установки рассматривать без учета работы питательного насоса (эти затраты можно отнести на собственные нужды и учитывать в КПД нетто), то термический КПД приводной мини-турбины можно выразить следующей формулой:

где 0_П и 0_К - подвод и отвод тепла в цикле; Н_ПК - соответствующий располагаемый теплоперепад мини-турбины. Очевидно, что формулу (2) можно представить и в таком виде:

Здесь Q_Э и Q_T - подвод теплоты на привод и на теплофикацию (или в производственный отбор), если таковой имеется, т.е. в числителе остается только полезная часть теплоты (на привод и теплофикацию).
По аналогии с (2):

где h_n, h_KA - энтальпии пара перед турбиной и после нее; h_K1 - энтальпия конденсата на выходе от теплового потребителя; h_K11 - энтальпия возвратного конденсата; Н_ПД - теплоперепад в приводной мини-турбине; Н_ПТ - теплоперепад, отражающий количество энергии, получаемое тепловым потребителем.
Итак, подставим (4) в (1) и получим выражение для КПД брутто приводной мини-турбины:

Напомним, что пар на турбопривод поступает, как правило, из отбора более мощного турбоагрегата - главной турбины. Рассчитывая эффективность использования турбопривода, необходимо учесть эффект, связанный с прохождением дополнительного количества пара, необходимого для турбопривода, через лопатки главной турбины. Этот пар выработает дополнительную мощность в генераторе главной турбины.
По определению КПД турбопривода должен быть равен отношению полезной к затрачиваемой мощности, т.е. выражению:

где Q_ПОЛ - полезная мощность, которую можно определить следующим образом:
Q_ПОЛ = Q_ДОП+Q_НАС + Q_ОТ
Здесь Q_ДОП - дополнительная электрическая мощность; Q_НАС - необходимая мощность привода; Q_OT - мощность теплофикационного или производственного отбора (в случае его наличия).
Q₃ - затраченная мощность, равная тепловой мощности дополнительного потока острого пара, поступающего в главную турбину для привода:
Q_З= Q_ПАР
Дополнительную электрическую мощность Qд_OП главной турбины можно выразить так:

где D_HАС - расход пара на приводную мини-турбину; h_O - энтальпия пара перед главной турбиной; η₀ - относительный внутренний КПД главной турбины; η_ΕΜ - электромеханический КПД главной турбины.
Необходимую мощность привода, с учетом потерь энергии пара, можно выразить следующей формулой:

Этот же расход способен выработать тепловую мощность Q_0T в случае его использования в качестве теплофикационного или производственного отбора:

Мощность пара, поступающая на привод, соответственно, будет равна:

Подставим (7)-(10) в (6) и получим:

С учетом (5) выражение можно преобразовать к виду:

Первое слагаемое в выражении можно представить в виде:

где ηг_ТУP1 - КПД по выработке электроэнергии главной турбиной дополнительным потоком пара на турбопривод; η_Т1 - термический КПД главной турбины по выработке электроэнергии в главной турбине дополнительным потоком пара на турбопривод;
Коэффициент η_Τ1 показывает какая часть теплоты потока пара на турбопривод используется для выработки электроэнергии генератором главной турбины.
Во втором слагаемом в выражении (12) введем обозначение:

где η_ГTУP2 - КПД главной турбины по использованию теплоты на турбопривод; η_Т2 - термический коэффициент главной турбины по использованию теплоты на турбопривод;
Коэффициент η_Τ2 показывает какая часть полной теплоты пара главной турбины поступает на турбопривод.
С учетом (13) и (14) преобразуем (12) к виду:

Рассчитывая эффективность установки турбопривода, необходимо учесть затраты на производство пара (в котельной установке) и на его транспортировку по паропроводам. С учетом этого суммарный КПД установки турбопривода брутто:

где η_КУ - КПД котельной установки; η_ТР - КПД транспорта теплоты, отражающий потери тепла при движении острого пара от котла к турбине. Ориентировочно, для большинства станций можно оценить значения η_КУ ≈0,9 и η_ТР ≈0,99 [5].