Рис. 1. Принципиальная схема паротурбинной установки ТЭЦ
Рис. 2. Зависимости выработки электроэнергии от температуры конденсации пара
Рассмотрим принципиальную схему паротурбинной установки ТЭЦ (рис. 1). Теплота топлива ВТЭЦ, сжигаемого в паровом котле 1, расходуется на выработку пара высокого давления, который поступает в турбину 2, соединенную с электрогенератором 3. При расширении пара в турбине вырабатывается электрическая энергия W. До того, как энергетический потенциал пара будет выработан полностью, часть его через отбор турбины поступает в конденсатор 4 отборного пара, в котором энергия Q1 передается сетевой воде системы централизованного теплоснабжения 6.
Остальной пар продолжает работу в турбине 2, вырабатывая электрическую энергию. После того, как давление энергетического пара понизится, он сконденсируется в конденсаторе 5, отдавая теплоту конденсации Q2 атмосфере через градирню 7. Если условно пренебречь тепловыми потерями в котле и в трубопроводах ТЭЦ, то ВТЭЦ = W + Q1 + Q2. Чем больше используется тепла в системе, тем меньше его выбрасывается в атмосферу.
Чтобы зашифрованные буквенными символами физические величины более предметно отражали суть процессов, рассмотрим условную систему централизованного теплоснабжения с присоединенными к ней системами отопления общей тепловой мощностью 100 Гкал/ч, которые при отсутствии автоматического регулирования потребляют 200 тыс. Гкал или около 840 тыс. ГДж в год. Для дальнейшего анализа воспользуемся данными [1] о зависимости выработки электроэнергии на тепловом потреблении ТЭЦ от температуры конденсации энергетического пара.
Эти данные для турбины, использующей пар с температурой 540 °C, иллюстрируются графиком, изображенным на рис. 2. Пользуясь графиком, определено, что при температуре конденсации отборного пара ТЭЦ 70 °C на каждом ГДж тепловой энергии можно выработать 187 кВт⋅ч электрической энергии. Таким образом, выработка электроэнергии на тепловом потреблении составит: 840 × 103 × 187 × 10–6 = 157 ГВт⋅ч/год.
Расходы условного топлива на ТЭЦ: BТЭЦ = bТЭЦW + Q1/qв [кг/ч], где bТЭЦ — величина удельного расхода условного топлива, расходуемого на выработку электроэнергии на ТЭЦ, примем [1] bТЭЦ = 0,155 кг/кВт⋅ч; qв — теплотворная способность условного топлива, равная 7000 ккал/кг или 0,029 ГДж/ кг. Для нашей условной системы: BТЭЦ = (0,155 × 157 × 106 + + 840 000/0,029) × 10–3 = 53 000 т/год.
А теперь представим себе, что системы отопления регулируются, и за отопительный период потребители израсходовали тепла на 20 % меньше, т.е. не 840 тыс., а 672 тыс. ГДж, а часть отборного пара ушла в конденсатор, где при температуре конденсации 30 °C удельная выработка электрической энергии составляет (рис. 2) 235 (кВт⋅ч)/ГДж.
Топливо на ТЭЦ при этом будет сжигаться в том же количестве, т.е. 53 тыс. тонн в год, но при этом дополнительно будет выработано: (840 – 672) × 103 × (235 – 187) × 10–6 = = 8 ГВт⋅ч/год электроэнергии, причем теоретически конденсационные электростанции энергетической системы могли бы выработать на 8 ГВт⋅ч меньше. На этих электростанциях расходуется 0,35 кг условного топлива при выработке 1 кВт⋅ч, а это означает, что в результате автоматического регулирования отопительных систем, присоединенных к ТЭЦ, на других электростанциях можно было бы сократить потребление топлива на 0,35 × 8 × 106 = 2,8 × 106 кг, или на 2800 тонн условного топлива (сокращенно т.у.т.).
Отметим, что экономия 20 % тепла в зданиях, присоединенных к котельной мощностью 100 Гкал/ч, позволила бы сократить расход условного топлива примерно на 6200 т в год. Таким образом, теоретически достижимый эффект экономии топлива вследствие регулирования в зданиях, присоединенных к ТЭЦ, в 2,5 раза ниже, чем в системе с районной котельной.
На самом деле, дополнительная электроэнергия, которая могла бы быть выработана на ТЭЦ в результате уменьшения количества отборного пара, вызванного регулированием в зданиях, может быть востребована лишь в часы максимального потребления электроэнергии. Это случается во время стояния сильных морозов, когда отопительные системы зданий работают на полную мощность, а регуляторы теплового потока бездействуют.
В остальное время дополнительная электрическая энергия, которая могла бы вырабатываться на ТЭЦ, энергетической системой приниматься не будет, поскольку в этот период электрические нагрузки покрываются крупными (в т.ч. атомными) электростанциями, работающими в базовом режиме графика потребления. В некоторых случаях администрациям ТЭЦ приходится даже платить штрафы за выработку дополнительной электрической энергии в неположенное время.
Выводы
- Теоретически возможная экономия топлива, вызванная регулированием теплового потока в зданиях, присоединенных к ТЭЦ, в 2,5 раза ниже величины экономии топлива в центральной котельной.
- Энергетическая система в период стояния относительно теплой погоды, как правило, не нуждается в дополнительной электрической энергии, которая могла бы вырабатываться из невостребованного (в результате регулирования теплового потока в зданиях) отборного пара турбин ТЭЦ. Таким образом, тепловая энергия, сэкономленная в зданиях, будет рассеиваться в окружающую среду через градирни ТЭЦ.
- Расходовать деньги налогоплательщиков на автоматизацию тепловых пунктов и на тепловую модернизацию зданий, присоединенных к ТЭЦ, не нужно, а государственные инвестиционные программы должны быть сосредоточены на модернизации домов, присоединенных к районным котельным.
