Полная мощность

(12.10)

Полезная мощность максимальна

(12.11)

Коротким
замыканием называется режим работы
цепи, при котором внешнее сопротивление
R
= 0. При этом

(12.12)

Полезная
мощность Р_а=
0.

Полная мощность

(12.13)

График
зависимости Р_а(I)
– парабола, ветви которой направлены
вниз (рис12.1). На этом же рисунке показаны
зависимость КПД 
от силы тока.

Примеры решения задач

Задача
1. Батарея
состоит из n
= 5 последовательно соединённых элементов
с Е
= 1,4 В и внутренним сопротивлением r
= 0,3 Ом каждый. При каком токе полезная
мощность батареи равна 8 Вт? Какова
наибольшая полезная мощность батареи?

Дано: Решение

n
= 5
При последовательном соединении
элементов ток в цепи

Е
= 1,4 В

(1)

Р_а
= 8 Вт Из формулы полезной
мощности

выразим

внешнее
сопротивление
R
и подставим в формулу (1)

I
— ?
-?

после
преобразований получим квадратное
уравнение, решая которое, найдём значение
токов:

А;
I₂
=
A.

Итак,
при токах I₁
и I₂
полезная мощность одинакова. При анализе
графика зависимости полезной мощности
от тока видно, что при I₁
потери мощности меньше и КПД выше.

Полезная
мощность максимальна при R
= n
r;
R
= 0,3
Ом.

Ответ:
I₁
= 2 A; I₂
=
A;P_amax
=Вт.

Задача
2. Полезная
мощность, выделяемая во внешней части
цепи, достигает наибольшего значения
5 Вт при силе тока 5 А. Найти внутреннее
сопротивление и ЭДС источника тока.

Дано: Решение

P_amax
= 5 Вт Полезная мощность
(1)

I
= 5 A
по закону Ома
(2)

. полезная
мощность максимальна при R
= r,
то из

r
— ? Е
— ? формулы (1)
0,2
Ом.

Из
формулы (2)

В.

Ответ:
r
= 0,2 Ом; Е
= 2 В.

Задача
3. От генератора,
ЭДС которого равна 110В, требуется передать
энергию на расстояние 2,5 км по двухпроводной
линии. Потребляемая мощность равна 10
кВт. Найти минимальное сечение медных
подводящих проводов, если потери мощности
в сети не должны превышать 1 %.

Дано:

Решение

Е
= 110 В
Сопротивление проводов

l
= 510³
м где 
— удельное сопротивление меди; l
– длина проводов;

Р_а
= 10⁴
Вт S
– сечение.

 =
1,710^-8
Ом^.м
Потребляемая мощность P_a
= I
E,
мощность, теряемая

Р_пр
= 100 Вт в
сети P_пр
= I
²R_пр,
а так как в пороводах и потребителе

S
— ?
ток
одинаковый,
то

откуда

Подставив числовые значения, получим

м².

Ответ:
S
= 710^-3
м².

Задача
4. Найти
внутреннее сопротивление генератора,
если известно, что мощность, выделяемая
во внешней цепи, одинакова при двух
значениях внешнего сопротивления R₁
= 5 Ом и R₂
= 0,2 Ом. Найти КПД генератора в каждом из
этих случаев.

Дано:
Решение

Р₁
= Р₂

Мощность, выделяемая во внешней цепи,
P_a
= I
²R.
По закону Ома

R₁
= 5 Ом для замкнутой цепи
тогда.

R₂
= 0,2 Ом Используя условие задачи Р₁
= Р₂,
получим

r
-?

Преобразуя
полученное равенство, находим внутреннее
сопротивление источника r:

Ом.

Коэффициентом
полезного действия называется величина

,

где
Р_а
– мощность, выделяемая во внешней цепи;
Р
– полная мощность.

Ответ:
r
= 1 Ом;
=
83 %;=
17 %.

Задача
5. ЭДС батареи
Е
= 16 В, внутреннее сопротивление r
= 3 Ом. Найти сопротивление внешней цепи,
если известно, что в ней выделяется
мощность Р_а
= 16 Вт. Определить КПД батареи.

Дано:

Решение

Е
= 16 В Мощность, выделяемая во
внешней части цепи Р_а
= I
²R.

r
= 3 Ом
Силу тока найдём по закону Ома для
замкнутой цепи:

Р_а
= 16 Вт тогда
или

-
? R
— ? Подставляем числовые значения
заданных величин в это квадратное
уравнение и решаем его относительно R:

Ом;
R₂
= 9 Ом.

Ответ:
R₁
= 1 Ом; R₂
= 9 Ом;

Задача
6. Две
электрические лампочки включены в сеть
параллельно. Сопротивление первой
лампочки 360 Ом, сопротивление второй
240 Ом. Какая из лампочек поглощает большую
мощность? Во сколько раз?

Дано:

Решение

R₁
= 360 Ом Мощность, выделяемая в
лампочке,

R₂
= 240 Ом
P
= I ²R
(1)

—
?
При параллельном соединении на лампочках
будет одинаковое напряжение, поэтому
сравнивать мощности лучше, преобразовав
формулу (1) используя закон Ома

тогда

При параллельном
соединении лампочек большая мощность
выделяется в лампочке с меньшим
сопротивлением.

Ответ:

Задача
7. Два
потребителя сопротивлениями R₁
= 2 Ом и R₂
= 4 Ом подключаются к сети постоянного
тока первый раз параллельно, а второй
– последовательно. В каком случае
потребляется большая мощность от сети?
Рассмотреть случай, когда R₁
= R₂.

Дано:

Решение

R₁
= 2 Ом Потребляемая от сети мощность

R₂
= 4 Ом
(1)

—
? где
R
– общее сопротивление потребителей;
U
– напряжение в сети. При параллельном
соединении потребителей их общее
сопротивление
а при последовательномR
= R₁
+ R₂.

В
первом случае, согласно формуле (1),
потребляемая мощность
а во второмоткуда

Таким образом, при
параллельном подключении нагрузок
потребляется большая мощность от сети,
чем при последовательном.

При

Ответ:

Задача
8.. Нагреватель
кипятильника состоит из четырёх секций,
сопротивление каждой секции R
= 1 Ом. Нагреватель питается от аккумуляторной
батареи с Е
= 8
В и внутренним
сопротивлением r
= 1 Ом. Как следует подключить элементы
нагревателя, чтобы вода в кипятильнике
нагрелась в максимально короткий срок?
Каковы при этом полная мощность,
расходуемая аккумулятором, и его КПД?

Дано:

R₁
= 1 Ом

n
= 4

Е
= 8 В

r
= 1 Ом

Решение

Мак
симальную
полезную мощность источник даёт в
случае, если внешнее сопротивление R
равно внутреннему r.

Следовательно,
чтобы воданагрелась
в максимально короткий срок, нужно
секции включить так,

чтобы
R
= r.
Это условие выполняется при смешанном
соединении секций (рис.12.2.а,б).

Мощность,
которую расходует аккумулятор, равна
Р
= I
E.
По закону Ома для замкнутой цепи
тогда

Вычислим
32
Вт;

Ответ:
Р
= 32 Вт; 
= 50 %.

Задача
9*. Ток в
проводнике сопротивлением R
= 12 Ом равномерно убывает от I₀
= 5 А до нуля в течение времени 
= 10 с. Какое количество теплоты выделяется
в проводнике за это время?

Дано:

R
= 12 Ом

I₀
= 5 А

I
= 0

 =
10 с

Q
— ?

Решение

Так
как сила тока в проводнике изменяется,
то для подсчёта количества теплоты
формулой Q
= I
²R
t
воспользоваться нельзя.

Возьмём
дифференциал dQ
= I
²R
dt,
тогда
В силу равномерности изменения тока
можно записатьI
= k
t,
где k
– коэффициент пропорциональности.

Значение
коэффициента пропорциональности k
найдём из условия, что при 
= 10 с ток I₀
= 5 А, I₀
= k,
отсюда

Подставим
числовые значения:

Дж.

Ответ:
Q
= 1000 Дж.

Исследование зависимости мощности и КПД источника тока от внешней нагрузки

ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ:

, (1)

I- сила тока в цепи; Е- электродвижущая сила источника тока, включённого в цепь; R- сопротивление внешней цепи; r- внутреннее сопротивление источника тока.

МОЩНОСТЬ, ВЫДЕЛЯЕМАЯ ВО ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ

. (2)

Из формулы (2) видно, что при коротком замыкании цепи (R®0) и при R®эта мощность равна нулю. При всех других конечных значениях R мощность Р₁> 0. Следовательно, функция Р₁ имеет максимум. Значение R₀, соответствующее максимальной мощности, можно получить, дифференцируя Р₁ по R и приравнивая первую производную к нулю:

. (3)

Из формулы (3), с учётом того, что R и r всегда положительны, а Е ? 0, после несложных алгебраических преобразований получим:

R₀ = r. (4)

Следовательно, мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает наибольшего значения при сопротивлении внешней цепи равном внутреннему сопротивлению источника тока.

При этом сила тока в цепи (5)

равна половине тока короткого замыкания. При этом мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает своего максимального значения, равного

. (6)

Когда источник замкнут на внешнее сопротивление, то ток протекает и внутри источника и при этом на внутреннем сопротивлении источника выделяется некоторое количество тепла. Мощность, затрачиваемая на выделение этого тепла равна

. (7)

Следовательно, полная мощность, выделяемая во всей цепи , определится формулой

= I²(R+r) = IE (8)

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ источника тока равен . (9)

Из формулы (8) следует, что

, (10)

т.е. Р₁ изменяется с изменением силы тока в цепи по параболическому закону и принимает нулевые значения при I = 0 и при . Первое значение соответствует разомкнутой цепи ( R>> r ), второе – короткому замыканию ( R<< r). Зависимость к.п.д. от силы тока в цепи с учётом формул (8), (9), (10) примет вид

(11)

Таким образом, к. п.д. достигает наибольшего значения h =1 в случае разомкнутой цепи ( I = 0), а затем уменьшается по линейному закону, обращаясь в нуль при коротком замыкании.

Зависимость мощностей Р₁, Р_полн = EI и к.п.д. источника тока от силы тока в цепи показаны на рис.1.

Рис.1. I₀ E/r

Из графиков видно, что получить одновременно полезную мощность и к.п.д. невозможно. Когда мощность, выделяемая на внешнем участке цепи Р₁, достигает наибольшего значения, к.п.д. в этот момент равен 50%.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

Рис. 2.

Соберите на экране цепь, показанную на рис. 2. Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши над кнопкой э.д.с. в нижней части экрана. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки. Щелкните левой кнопкой мыши в рабочей части экрана, где будет расположен источник э.д.с.

Разместите далее последовательно с источником резистор, изображающий его внутреннее сопротивление (нажав предварительно кнопку в нижней части экрана) и амперметр (кнопка там же). Затем расположите аналогичным образом резисторы нагрузки и вольтметр , измеряющий напряжение на нагрузке.

Подключите соединительные провода. Для этого нажмите кнопку провода внизу экрана, после чего переместите маркер мыши в рабочую зону схемы. Щелкайте левой кнопкой мыши в местах рабочей зоны экрана, где должны находиться соединительные провода.

4. Установите значения параметров для каждого элемента. Для этого щелкните левой кнопкой мыши на кнопке со стрелкой . Затем щелкните на данном элементе. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите на левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте величину параметра и установите числовое значение, обозначенное в таблице 1 для вашего варианта.

Таблица 1. Исходные параметры электрической цепи

5. Установите сопротивление внешней цепи 2 Ом, нажмите кнопку «Счёт» и запишите показания электроизмерительных приборов в соответствующие строки таблицы 2.

6. Последовательно увеличивайте с помощью движка регулятора сопротивление внешней цепи на 0,5 Ом от 2 Ом до 20 Ом и, нажимая кнопку «Счёт», записывайте показания электроизмерительных приборов в таблицу 2.

7. Вычислите по формулам (2), (7), (8), (9) Р₁, Р₂, Р_полн и h для каждой пары показаний вольтметра и амперметра и запишите рассчитанные значения в табл.2.

8. Постройте на одном листе миллиметровой бумаге графики зависимости P₁ = f(R), P₂ = f(R), P_полн=f(R), h = f (R) и U = f(R).

9. Рассчитайте погрешности измерений и сделайте выводы по результатам проведённых опытов.

Таблица 2. Результаты измерений и расчётов

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Запишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.
2. Что такое ток короткого замыкания?
3. Что такое полная мощность?
4. Как вычисляется к.п.д. источника тока?
5. Докажите, что наибольшая полезная мощность выделяется при равенстве внешнего и внутреннего сопротивлений цепи.
6. Верно ли утверждение, что мощность, выделяемая во внутренней части цепи, постоянна для данного источника?
7. К зажимам батарейки карманного фонаря присоединили вольтметр, который показал 3,5 В.
8. Затем вольтметр отсоединили и на его место подключили лампу, на цоколе которой было написано: Р=30 Вт, U=3,5 В. Лампа не горела.
9. Объясните явление.
10. При поочерёдном замыкании аккумулятора на сопротивления R1 и R2 в них за одно и то же время выделилось равное количество тепла. Определите внутреннее сопротивление аккумулятора.

Понимание тепловой мощности и эффективности угольных электростанций

Предлагаемые стандарты США по сокращению выбросов углерода от существующих угольных электростанций в значительной степени зависят от повышения эффективности производства. Топливо, операции и конструкция установки — все это влияет на общую эффективность установки, а также на выбросы углерода. Этот обзор основ эффективности угольных электростанций, частых проблем, снижающих эффективность, и некоторых решений по улучшению работы и снижению затрат на выработку электроэнергии должен быть полезен для электростанций, где бы они ни находились.

Сцена: Двадцать лет назад молодой инженер стоит перед группой плакеток и наград в вестибюле большой угольной электростанции. Она с интересом отмечает, что некоторые из них относятся к наградам «лучшая тепловая мощность», а также отмечает, что последней награде уже более трех лет. Седой машинист станции, похожий на Сэма Эллиотта, покрытого угольной пылью, присоединяется к ней перед дисплеем.

«Почему эта станция перестала получать награду за тепловую мощность?» она спрашивает.

«Ну, мэм, так как мы добавили скрубберы, в этом больше нет смысла. А другие электростанции перешли на уголь из бассейна Паудер-Ривер (PRB), так что они тоже пострадали от тепловыделения. Итак, кто-то просто посчитал, что, поскольку нам пришлось отказаться от теплоты, чтобы соответствовать ограничениям по выбросам, больше не было смысла получать награду».

Перенесемся в 2014 год, и картина будет совершенно иной. Усовершенствованный контроль выбросов угольных электростанций является нормой, и уголь PRB в некоторой степени используется на большинстве электростанций в США, а Агентство по охране окружающей среды (EPA) предложило стандарты для сокращения выбросов углерода от существующих электростанций в соответствии с разделом 111 (d). ) Закона о чистом воздухе. Включая множество возможных методов сокращения выбросов углерода, одним из основных элементов плана EPA является повышение полезного теплового коэффициента установки (NPHR) на 6% или более. Хотя для неспециалиста это может показаться небольшим числом, инженеры электростанций знают, что улучшение теплопроизводительности на 6% потребует серьезных усилий на многих различных уровнях в рамках их коммунальных услуг.

В этой статье изложены основы эффективности электростанции и теплопроизводительности, чтобы можно было быстро понять, где есть наилучшие возможности для улучшения для конкретного генерирующего актива. Затем рассматриваются способы достижения цели 6% NPHR.

Основы теплопроизводительности

Термин «теплопроизводительность» просто относится к эффективности преобразования энергии с точки зрения «сколько энергии необходимо затратить, чтобы получить единицу полезной работы». В электростанции внутреннего сгорания источником энергии является топливо, а полезной работой является электроэнергия, подаваемая в сеть, паровое тепло, поставляемое промышленному потребителю или используемое для отопления, или и то, и другое. Поскольку «полезная работа» обычно определяется как электроэнергия и пар, которые доставляются конечным потребителям, инженеры, как правило, работают с чистым тепловыделением станции (NPHR).

В США тепловая мощность обычно выражается с использованием смешанных английских единиц и единиц СИ БТЕ/кВтч. Хотя сначала это сбивает с толку, это просто указывает, сколько БТЕ/ч энергии требуется для производства 1 кВт полезной работы. В других странах обычно используются кДж/кВтч, ккал/кВтч или другие меры. В этой статье используется формат США.

Поскольку примерно 3412 БТЕ/час равняется 1 кВт, мы можем легко определить термодинамический КПД электростанции, разделив 3412 на теплопроизводительность. Например, угольная электростанция с теплопроизводительностью 10 000 БТЕ/кВтч имеет тепловой КПД 3 412/10 000, или 0,3412 (34,12%).

Метод ввода/вывода

Один из самых простых способов рассчитать NPHR – это разделить БТЕ/час подводимого топлива на чистую выработку (электроэнергии и пара для потребителей) в кВт. Однако определить тепловложение может быть довольно сложно.

По моему опыту, меньшинство электростанций внутреннего сгорания имеют хорошие показатели фактической скорости сжигания топлива на каждом блоке. Практическое отраслевое правило заключается в том, что точность объемных дозаторов в лучшем случае составляет +/– 5 %, а гравиметрических дозаторов — в лучшем случае +/– 2 %. На практике я обнаружил, что фактическая погрешность измерения скорости сгорания топлива может составлять от 5% до 10%.

На одной электростанции, на которой я работал, единственной возможностью оценить скорость сжигания угля было использование фотографий угольного склада, сделанных весёлой дамой из её самолёта Cessna, и сравнение предполагаемого размера склада с чеками поездов за месяц, чтобы определить, сколько угля было сожжено в целом. Потенциальная ошибка для этого метода может легко превышать 25%.

Другим важным фактором при измерении тепловложения является анализ качества топлива, особенно его теплотворной способности. (Более подробно см. «Введение в анализ качества топлива» в выпуске за январь 2015 года.) Вообще говоря, ошибка в расчете скорости сгорания топлива не может быть меньше, чем ошибка в анализе топлива, поэтому тщательный выбор методов и частоты отбора проб будет обеспечивают большую достоверность при расчете расхода топлива.

Короче говоря, метод ввода/вывода не является идеальным методом для отслеживания разницы в эффективности вашей угольной электростанции, если у вас нет точных питателей угля (рис. 1) плюс точное и регулярное определение теплотворной способности вашего топлива.

Метод тепловых потерь и три поля эффективности

Серьезная проблема с использованием метода ввода/вывода для определения теплового потока заключается в том, что если ваш тепловой поток меняется от одной ситуации к другой, вы не имеете ни малейшего представления о том, что привело к изменению. Был ли котел менее эффективным при сжигании топлива? Снижается ли КПД турбины из-за высокого противодавления в конденсаторе? Увеличилась ли мощность службы станции? Поскольку метод ввода/вывода рассматривает электростанцию ​​как черный ящик, инженер должен полагаться на более точный метод определения теплопроизводительности.

Метод тепловых потерь для определения расхода тепла по существу разделяет электростанцию ​​на три подсистемы, в которых происходит процесс преобразования энергии:

■ Котел, в котором тепло топлива преобразуется в энергию пара.

■ Турбина, в которой тепло пара преобразуется в механическую энергию вращения.

■ Генератор, в котором энергия вращения преобразуется в полную и полезную электроэнергию.

Метод тепловых потерь для расчета тепловой мощности, по существу, рисует прямоугольник вокруг каждой из этих подсистем и определяет эффективность каждого процесса преобразования энергии. Произведение всех этих значений эффективности преобразования дает общую полезную теплопроизводительность электростанции:

NPHR, БТЕ/кВт x час = NTHR, БТЕ/кВт x час / ((КПД котла, % / 100) x (Полезная мощность, кВт / Полная мощность, кВт)) /21/15.]

Как видно из этого уравнения, для снижения NPHR необходимо увеличить КПД котла, уменьшить полезную теплоотдачу турбины или увеличить полезную выработку по отношению к валовой выработке.

КПД котла

Определение КПД вашего котла – это эффективное определение всех различных неэффективностей, возникающих в процессе сжигания топлива для получения паровой энергии. Стандарты и испытательные организации, такие как Американское общество инженеров-механиков (ASME) и Немецкий институт нормирования (DIN), имеют схожие, но разные показатели для расчета потерь эффективности, но с общей точки зрения их можно сгруппировать в следующие категории.

Ощутимые потери тепла. Ощутимые потери тепла можно рассматривать как тепло, которое вы можете почувствовать непосредственно с помощью термометра. Например, воздух для горения поступает на вашу электростанцию ​​при температуре окружающей среды, а дымовые газы выбрасываются из холодного конца воздухонагревателя котла при некоторой повышенной температуре. Чем ближе температура отработавших газов к температуре окружающей среды, тем меньше тепла теряется в окружающую среду.

Прочие потери явного тепла включают тепло, содержащееся в остатках и летучей золе, удаляемой из котла, а также в пиритах и ​​горных породах, которые выбрасываются из угольных мельниц. Количество избыточного воздуха, используемого для горения, оказывает значительное влияние на эти потери, поскольку каждый фунт избыточного воздуха, проходящего через котел, несет с собой потенциально полезную энергию.

Скрытые потери тепла. Скрытые тепловые потери трудно обнаружить с помощью термометра и представляют собой потери энергии, связанные с фазовым переходом воды. Когда топливо сжигается в котле, не только вся влага, содержащаяся в топливе, испаряется в пар, но и весь водород, содержащийся в топливе, сгорает с образованием воды, которая также испаряется в пар. Если температура выхлопных газов, выходящих из воздухонагревателя котла, не ниже точки кипения воды, содержащейся в газе, вся эта скрытая теплота парообразования выйдет из котла и будет потеряна в окружающей среде.

Поскольку потери скрытого тепла в основном связаны с топливом, их нельзя легко изменить без замены или сушки топлива. (См. «Повышение эффективности установки и сокращение выбросов CO ₂ при сжигании высоковлажных углей» в выпуске за ноябрь 2014 г. )

Несгоревшие горючие потери. Несгоревшие потери с горением – это потери КПД от неполного сгорания топлива в котле. В первую очередь это измеряется в виде углеродного остатка в золе, но также включает образование монооксида углерода (CO). На эти потери обычно влияют как свойства топлива (летучесть топлива), так и методы эксплуатации (избыточный уровень воздуха, чистота топлива и т.п.). Важно отметить, что потери от несгоревших продуктов сгорания — это не то же самое, что потери при возгорании (LOI), поскольку потери от несгоревших продуктов сгорания представляют собой потери энергии, тогда как LOI рассчитывается на основе массы золы.

Радиационные и конвекционные потери. Коммунальные котлы представляют собой огромные системы оборудования с многочисленными отверстиями для труб и инструментов и очень большой площадью поверхности, подверженной воздействию окружающей среды. В результате, независимо от того, насколько хорошо спроектирована изоляция и насколько усердно работает персонал предприятия в устранении утечек воздуха, энергия все равно будет теряться на излучение и конвекцию.

Маржа и неизвестные убытки. Из-за большого размера и сложности котла часто бывает нецелесообразно измерять все возможные источники потерь энергии на электростанции. В результате для оценки этих потерь обычно используется значение «маржи» или «неизвестного убытка». Типичные значения варьируются от 0,5% до 2,0%.

Если принять во внимание все эти потери эффективности, типичный котел общего назначения может использовать энергию топлива с эффективностью от 83% до 91%.

Повышение эффективности котла. Ощутимые потери тепла можно уменьшить, установив улучшенные средства контроля горения, позволяющие точно регулировать уровень избыточного воздуха в операторах печи для снижения избыточного уровня кислорода в печи. Предварительный подогрев воздуха для горения отходящим теплом завода также повысит эффективность, и некоторые заводы рассматривают схемы использования солнечных тепловых коллекторов в качестве подогревателей воздуха в светлое время суток.

Поскольку потери скрытого тепла в значительной степени зависят от качества топлива, а современные конструкции котлов не позволяют использовать конденсационные нагреватели воздуха, за исключением перехода на более сухое топливо, практически мало что можно сделать для уменьшения потерь скрытого тепла.

Потери несгоревших продуктов сгорания можно уменьшить за счет улучшения настройки котлов и горелок, при этом некоторые установки могут повысить чистую эффективность более чем на 1% в результате незначительной настройки или капитальных вложений.

Эффективность турбины

Эффективность турбины — это, по сути, эффективность турбины по преобразованию пара из котла в полезную энергию вращения. Упрощенный способ просмотра полезной тепловой мощности турбины (NTHR) состоит в том, чтобы суммировать увеличение энтальпии питательной воды и холодного промежуточного пара на границе котла и разделить это значение на общую выработку электроэнергии.

Определение КПД турбины. Как и в случае всей установки, тепловая мощность турбинного цикла может быть выражена на основе «брутто» или «нетто». Здесь терминология становится немного сложной, так как валовая и чистая эффективность используют в своих расчетах валовую мощность генератора. Однако, если электростанция имеет электрический питательный насос котла, то чистая тепловая мощность турбины также должна вычитать мощность, потребляемую питательным насосом; в противном случае это энергопотребление может исказить ваше значение NTHR, чтобы оно выглядело чрезмерно эффективным. В результате наше упрощенное уравнение NTHR для одного цикла повторного нагрева выглядит следующим образом:

Где:

NTHR = полезная тепловая мощность турбины, БТЕ/кВтч

H _MSOUT = энтальпия основного пара, выходящего из оболочки котла, БТЕ/час

H _FWIN = энтальпия питательной воды, поступающей в кожух котла, БТЕ/ч

H _HRH = энтальпия горячего промежуточного пара, выходящего из кожуха котла, БТЕ/ч БТЕ/час

Мощность _BFP = потребляемая мощность питательного насоса котла, кВт

Повышение эффективности турбинного цикла. В идеальных условиях система ультрасверхкритического турбинного цикла может преобразовывать пар в энергию вращения с эффективностью 54% или выше, сверхкритические циклы турбины могут достигать эффективности 50%, а циклы докритической турбины могут достигать эффективности 46%. Однако система турбинного цикла вашей электростанции, по крайней мере, так же сложна, как и ваша котельная система, и существует множество мест, где эффективность может быть потеряна.

Негерметичность наконечника ковша и уплотнения может составлять 40% общей потери эффективности турбины. Шероховатость, эрозия и ремонт сопла могут составлять 35% потери эффективности, отложения на турбине — 15%, а эрозия и шероховатость ковша — 10%. Проблемы в этих областях могут привести к значительному снижению эффективности: известно, что отложения в турбине вызывают потерю эффективности почти на 5%, а утечки из корпуса турбины снижают эффективность на 3%.

Очень важно знать, что турбина является частью гораздо более крупной пароводяной системы, включающей конденсаторы, градирни, нагреватели питательной воды, деаэраторы, насосы и трубопроводы, каждая из которых имеет свои собственные потери эффективности. Например, увеличение противодавления конденсатора из-за грязных трубок размером 0,4 дюйма ртутного столба может снизить КПД цикла турбины на 0,5%. Одна разделительная перегородка в подогревателе питательной воды может снизить эффективность цикла турбины на 0,4%. Утечки в линиях отвода и заклинившие дренажные клапаны могут снизить эффективность нагревателя питательной воды, что приведет к чистому циклу потерь более 0,5%.

Улучшения турбинных лопаток доступны для большинства паровых турбин, при этом возможно улучшение до 2% при полной замене турбины низкого давления. Даже возобновляемая энергия может помочь в повышении теплоотдачи, поскольку некоторые производители изучили перспективу нагрева питательной воды с помощью солнечной энергии для повышения эффективности своего турбинного цикла, а некоторые конструкции могут достичь повышения пиковой эффективности более чем на 5%. Конечно, со всеми обновлениями вы должны изучить экономику (см. врезку).

Электрическая эффективность

Для системы генератора мы не так обеспокоены эффективностью преобразования энергии вращения в электрическую энергию, поскольку современные генераторы имеют тенденцию преобразовывать два типа энергии с 9КПД 8% и выше. Однако значительная часть неэффективности, наблюдаемой в этом блоке, связана с обслуживанием станции или потреблением вспомогательной энергии самой электростанцией.

Поскольку на электростанции требуется большинство крупных энергоемких систем, мало что можно получить, устраняя или отключая основные системы оборудования. Даже отказ от дополнительного потребления электроэнергии может иметь непредвиденные последствия. Однажды в паляще жаркий июнь я работал на электростанции в ее инженерном бюро, когда молодому человеку из корпоративного офиса пришла в голову умная идея выключить свет в офисе, включить кондиционер до 85F и отключить кофеварки, воду. фонтаны и автоматы с газировкой. Причина заключалась в том, что цены на электроэнергию превышали 1000 долларов за МВтч, поэтому он хотел иметь возможность продавать каждый возможный ватт. Чего джентльмен не учел, так это потенциальных последствий размещения группы инженеров в темном жарком офисе без холодных напитков и кофе. Это было некрасивое зрелище.

Поскольку более 80 % электроэнергии на электростанции потребляется электродвигателями, именно они должны быть в центре внимания при повышении эффективности использования электроэнергии. Только основные вентиляторы электростанции (приточный воздух, принудительная тяга и вытяжная тяга) могут потреблять от 2% до 3% валовой мощности станции. Одним из вариантов снижения энергопотребления вентилятора является использование частотно-регулируемых приводов переменного тока, особенно если установка работает при более низких нагрузках в течение продолжительных периодов времени. Переключение всех основных вентиляторов предприятия с обычных на частотно-регулируемые приводы может улучшить показатель NPHR более чем на 0,5 %.

Утечки воздуха и газа могут составлять до 25 % потребляемой вентиляторами мощности, поэтому уменьшение утечек в воздухонагревателях и воздуховодах может привести к значительной экономии энергии вентиляторов. Уменьшение избыточного воздуха в вашем котле также уменьшит потребность вентилятора. Программы оптимизации электростатических фильтров могут как повысить электрическую эффективность, так и улучшить улавливание твердых частиц.

Креативное улучшение теплоотдачи

Другие возможности, которые могут не влиять на теплоотдачу, на самом деле могут привести к значительному повышению эффективности.

Например, на одной из электростанций мне рассказали об улучшенной конструкции бункера регенерата на угольном складе, который сократил время заполнения угольных бункеров на 2 часа в день. Приблизительный анализ затрат и выгод показал, что новая конструкция бункера для предотвращения налипания влажного угля позволила сэкономить 1700 долларов США в год за пятилетний период из-за сокращения времени работы системы транспортировки угля. Хотя это звучит как мелкая картошка, метафорически говоря, это также значительно уменьшило усилия оператора угольного склада в процессе регенерации, что привело к улучшению человеческого фактора.

Сотрудники другой электростанции определили с помощью анализа влияния качества топлива, что единственным препятствием, мешающим им перейти на уголь с более высокой теплотворностью и меньшей влажностью, была модернизация сажеобдува. Чистая стоимость модернизации составила 1,3 миллиона долларов США, модернизация привела к чистому повышению теплотворной способности более чем на 2% за счет возможности использования более эффективных, но более шлакообразующих углей, а также одновременного преимущества в виде предотвращения катастрофических выпадений шлака из-за недостаточного покрытие обдува. Срок окупаемости этих инвестиций был определен в пределах от 18 до 24 месяцев (Рисунок 2).

Заключительные мысли

Я никогда не был на электростанции, где нельзя было бы добиться значительных улучшений энергоэффективности. По моему многолетнему опыту, инженеры и операторы электростанций — это умные, целеустремленные люди, которые гордятся своей работой и своим предприятием и понимают, что необходимо сделать для повышения эффективности предприятия. Столетие относительно дешевого угля и сосредоточение внимания на контроле за выбросами на предприятиях, к сожалению, отвлекло внимание от поддержания и повышения теплопроизводительности предприятия.

Хотя некоторые представители отрасли считают предложенные EPA стандарты выбросов углерода невыполнимой задачей, многие инженеры и операторы предприятий, с которыми я разговаривал, были оптимистичны в отношении того, что им может быть предоставлено финансирование и инструменты, чтобы начать выигрывать эти награды в области теплопроизводительности. снова. ■

— Уна Ноулинг, PE ([электронная почта защищена]) — адъюнкт-профессор машиностроения в Университете Миссури-Канзас-Сити, ведущий технолог по топливу в Black & Veatch и пишущий редактор POWER.