Контрольные вопросы

1. Назовите основные этапы в истории использования энергии человеком, укажите их значение.

2. Какова связь между развитием цивилизации человечества и энергопотреблением? Объясните характер их изменения во времени и укажите тенденции.

3. Дайте определение понятию «энергия». Как классифицируется энергия в естество- знании в зависимости от ее природы?

4. Приведите классификацию видов энергии в зависимости от уровня проявления?

5. Какие единицы измерения энергии Вы знаете?

6. Изобразите схему классификации первичной энергии.

7. Дайте определение понятиям «невозобновляемые и возобновляемые энергоресурсы».

8. Какие виды энергетических ресурсов относят к невозобновляемым? Охарактеризуй- те их.

9. Какие виды энергетических ресурсов относят к возобновляемым?

10. Что такое качество энергоресурсов? Для чего введено понятие условного топлива?

11. Опишите особенности электрической энергии по сравнению с другими видами. Како- вы особенности электроэнергетики Республики Беларусь?

12. Каковы прогнозы развития мирового энергетического хозяйства?

13. Чем представлены невозобновляемые энергетические ресурсы Республики Беларусь?

14. Охарактеризуйте запасы древесины в Республике Беларусь.

15. Охарактеризуйте запасы нефти в Республике Беларусь.

16. Охарактеризуйте запасы торфа в Республике Беларусь.

17. Охарактеризуйте запасы угля и горючих сланцев в Республике Беларусь.

18. В чем суть энергетического кризиса 70-х годов в Западной Европе и 90-х годах в странах СНГ?

19. Охарактеризуйте эффективность использования и потребления энергии в различных странах и в Республике Беларусь?

20. Дайте определение понятию «топливно-энергетический комплекс».

21. Каковы основные элементы технологического процесса ТЭК?

22. Какие три основные стадии включает технологический процесс преобразования при- родных энергетических ресурсов в ТЭК?

Блок 2 станции преобразования энергии. Графики нагрузки и аккумули- рование энергии. Методы прямого преобразования энергии.

0. Тепловые, атомные и гидро электростанции

Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности в электрическую, осу- ществляется на станциях, которые в своем названии содержат указание на то, какой вид первичной энергии в какой вид вторичной преобразуется на них:

• ТЭС – тепловая электрическая станция преобразует тепловую энергию в элек- трическую;

• ГЭС – гидроэлектростанция преобразует механическую энергию движения воды в электрическую;

• ГАЭС – гидроаккумулирующая станция преобразует механическую энергию дви- жения предварительно накопленной в искусственном водоеме воды в электрическую;

• АЭС – атомная электростанция преобразует атомную энергию ядерного топлива в электрическую;

• ПЭС – приливная электростанция преобразует энергию приливов в электриче- скую, и т. д.

В Республике Беларусь более 95% энергии вырабатывается на ТЭС, поэтому процесс преобразования энергии на электростанции рассмотрим на примере этого вида станции. По назначению тепловые электростанции (ТЭС) делятся на два типа:

• КЭС — конденсационные тепловые электростанции, предназначенные для выра- ботки только электрической энергии;

• ТЭЦ – теплоэлектроцентрали, на которых осуществляется совместное произ- водство электрической и тепловой энергии.

На рис. 2.1 представлена тепловая схема ТЭС. Ее основное оборудование состоит из котла-парогенератора ПГ, турбины Т и генератора Г.

В котле при сжигании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется в энергию водяного пара. В турбине Т водяной пар превращается в механическую энергию вращения. Генератор Г превращает энергию вращения в электрическую. Тепловая энергия для нужд потребления может быть взята в виде пара из турбины либо котла.

На рис. 2.1 кроме основного оборудования ТЭС показаны конденсатор пара К, в котором отработанный пар, отдавая скры- тую тепло парообразования ох- лаждающей его воде, с помощью циркуляционного насоса Н в ви- де конденсата вновь подается в котел-парогенератор. Схема ТЭЦ отличается тем, что взамен кон- денсатора устанавливается теп- лообменник, где пар при значи- тельном давлении нагревает во-

Рис. 2.1. Тепловая схема ТЭС.

ду, подаваемую в главные тепло- вые магистрали.

Технология преобразований энергии на ТЭС может быть представлена в виде цепи следующих превращений:

внутренняя	тепловая		механическая
химическая энергия топлива	► энергия воды и пара	►	энергия вращения	► электрическая энергия

Отметим некоторые особенности работы ТЭС.

Топливо и окислитель, которым обычно служит воздух, непрерывно поступает в топку котла. В качестве топлива чаще всего используются уголь, сланцы, природный газ и мазут (продукт переработки нефти - остаток после отгонки из нефти бензина, керосина и других легких фракций). Однако использование природного газа и особенно мазута в перспективе должно сокращаться, так как это слишком ценные вещества, чтобы их использовать в каче- стве котельного топлива. За счет тепла, образующегося в результате сжигания топлива, в па- ровом котле вода превращается в пар с температурой около 550 °С. Можно было бы полу- чить пар и с более высокой температурой, но это не выгодно. КПД ТЭС – это отношение по- лученной электрической энергии к тепловой энергии, образовавшейся при сжигании топлива; он растет при повышении начальной температуры пара. Но при этом для наиболее ответст- венных деталей установки, испытывающих большие механические нагрузки в сочетании с вы- сокой температурой, приходится применять высококачественные, дорогие стали. Выигрыш в КПД не компенсирует повышенных затрат на металл.

В турбине способ преобразования тепловой энергии пара в механическую энергию со- стоит в следующем. Пар высокого давления и температуры, имеющий большую тепловую энергию, из котла поступает в сопла турбины. Сопла - это неподвижно укрепленные, не вращающиеся вместе с валом турбины, сделанные из металла каналы, в которых темпера- тура и давление пара уменьшаются, а значит, уменьшается и его тепловая энергия, но зато увеличивается скорость движения потока пара. Таким образом, за счет уменьшения тепло- вой энергии пара возрастает его механическая (кинетическая) энергия. Струя пара с высо- кой скоростью непрерывно вытекает из сопел и поступает на рабочие лопатки турбины, ук- репленные на диске, жестко связанном с валом. Вал, диск и рабочие лопатки вращаются со- вместно с большой скоростью (3000 об./мин.). Скорость потока пара на рабочих лопатках, его механическая энергия уменьшается следующим образом. Канал между рабочими лопат- ками криволинеен. Поток пара, протекая по криволинейному каналу, меняет направление и величину скорости. Благодаря центробежной силе он оказывает давление на вогнутые поверхности лопаток. Вследствие этого рабочие лопатки, диск, вал – весь ротор приходит во вращение. При этом механическая энергия потока пара превращается в механическую энергию ротора турбины, а точнее – в механическую энергию турбогенератора, так как ва- лы турбины и электрического генератора соединены между собой.

Современные паровые турбины для ТЭС - весьма совершенные, быстроходные, высокоэкономичные машины. Они многоступенчаты, т е. имеют обычно несколько десят- ков дисков с рабочими лопатками и такое же количество перед каждым диском групп со- пел, через которые протекает струя пара. Давление и температура пара постепенно сни- жаются.

После паровой турбины водяной пар, имея уже низкое давление - около 0,04 бара и температуру 25-23°С, поступает в конденсатор. Здесь пар с помощью охлаждающей воды, прокачиваемой по расположенным внутри конденсатора трубкам, превращается в воду, ко- торая с помощью насоса снова подается в котел. Цикл начинается заново.

Количество охлаждающей воды должно быть в несколько десятков раз больше, чем количество конденсируемого пара. Поэтому ТЭС строят поблизости от крупных водных ис- точников.

Процесс производства электроэнергии на ТЭС условно можно paзделить на три цикла:

1. химический – горение, в результате которого внутренняя химическая энергия то- плива превращается в тепловую и передается пару;

2. механический – тепловая энергия пара превращается в энергию вращения турбины и ротора турбогенератора;

3. электрический – механическая энергия превращается в электрическую.

Общий коэффициент полезного действия ТЭС равен произведению коэффициентов полезного действия всех названных циклов:

КПД_ТЭС 

КПД _ХИМ КПД_МЕХ  КПД_ЭЛ

(2.1)

Коэффициенты полезного действия химического и электрического циклов состав- ляют около 90%. Коэффициент полезного действия идеального механического цикла опре- деляется закономерностями цикла Карно:

КПД

МЕХ ^

Т Т * _{ 100}

Т

(2.2)

где Т и Т* - соответственно температура пара на входе и выходе паровой турбины. На современных ТЭС Т = 550 °С (823 °К), Т* = 23 °С (296 °К). При этих темпера-

турах пара КПД паровой турбины составляет

КПД

_55027323 273_{100% }

63%

МЕХ

550 

273

Следовательно, КПД конденсационной тепловой электростанции теоретически равен:

КПД _КЭС 

0,9 0,63 0,9 

0,5

Практически с учетом потерь КПД КЭС имеет меньшее значение и находится в пре- делах 36-39%.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), где осуществляется комплексная выработка электриче- ской и тепловой энергии, обладают КПД в 1,5-1.7 раз выше, достигающим 60—65%. Ком- плексная выработка электроэнергии и тепла очень выгодна.

В табл. 2.1 представлены в процентном выражении потери энергии в элементах элек- трических станций. Очевидно, коэффициенты полезного действия КЭС и ТЭЦ определяют- ся соответственно выражениями:

КПД

КЭС ^

^Ээл. _

Э

39%,

КПД

ТЭЦ ^

^Ээл. ^

Э

^Этопл. _

62%,

топл.

топл.

Таблица 2.1.

Потери энергии ΔЭ,%	в котельном агрегате ΔЭ кот.	в турбо- генераторе ΔЭ тг	в конден- саторе ΔЭ конд.	в трубо- проводах ΔЭ т. пр.
ЭС	12	6	41	2
ТЭЦ	12	4	20	2

Многим отраслям промышленности: химической, металлургической, текстильной, пищевой и др. - тепло необходимо для технологических целей. Примерно 50% добываемого топлива расходуется на тепловые нужды предприятий. Отработанный в турбинах КЭС пар имеет температуру 25-30°С и давление около 0,04 бара (0,04·10^-7 МПа) и непригоден

для использования в технологических целях на предприятиях. Во многих производствах требуется пар давлением 0,5-0,9 МПа, а иногда и до 2 МПа для приведения в движение прессов, паровых молотов, турбин. Иногда требуется горячая вода, нагретая до 70-150 °С. Требуется горячая вода и для отопления жилых зданий.

Тепловая энергия в виде нара указанных параметров и горячей воды может произво- диться централизованно на ТЭЦ и в крупных котельных или децентрализованно на заво- дских мини-ТЭЦ и в индивидуальных котельных.

На ТЭЦ для получения пара с необходимыми потребителю параметрами используют специальные турбины с промежуточными отборами пара. В них, после того, как часть энер- гии пара израсходуется на приведение в движение турбины и параметры его понизятся, про- изводится отбор некоторой доли пара для потребителей. Оставшаяся доля пара обычным способом используется в турбине для приведения ее во вращение и затем поступает в кон- денсатор. Поскольку для части пара перепад давления оказывается меньшим, то несколько возрастает расход топлива на выработку электроэнергии. Однако это увеличение, в конеч- ном счете, меньше по сравнению с расходом топлива в случае раздельной выработки элек- трической энергии и тепла на небольших котельных. При сжигании топлива только для по- лучения тепла, например для отопления, весь «температурный напор» примерно от 1500 °С до 100°С, т.е. от температуры получаемой при сжигании топлива, до температуры, нужной

для отопления, никак не используется. Выгоднее использовать этот температурный интервал больше 1000 °С для получения из тепловой энергии механической, а тепло (около 100 °С) направить на отопление. Конечно, в этом случае механической энергии при том же количе- стве сжигаемого топлива получится меньше за счет повышения конечной температуры примерно на 70 °С (с 30 до 100 °С). Такое повышение необходимо для обеспечения темпера- туры воды на нужды отопления. Горячая вода и пар под давлением до 3 МПа доставляются потребителям по трубопроводам. Совокупность трубопроводов для передачи тепла называ- ется тепловой сетью. Передача тепла в виде пара неэкономична на расстояние более 5-7 км.

Централизованное теплоснабжение на базе комплексной выработки тепловой и элек- трической энергии обеспечивает в настоящее время основную долю потребности в тепле промышленного и жилищно-коммунального хозяйства, уменьшает расход топливно- энергетических ресурсов, а также материальных и трудовых затрат в системах теплоснабже- ния, имеет экологические преимущества.

Однако при максимальной централизации теплоснабжения на ТЭЦ можно вырабо- тать только 25-30% требуемой электрической энергии. Работа же конденсационных станций определяется условиями выработки электроэнергии, которую технологически и экономи- чески возможно передавать на значительные расстояния. Это делает благоприятным кон- центрацию больших электрических мощностей и позволяет быстро наращивать электро- энергетический потенциал страны. Поэтому в национальной энергетической системе не- обходимо и целесообразно сочетание КЭС и ТЭЦ.

Атомная электростанция (АЭС) по своей сути также является тепловой электро- станцией и имеет ту же принципиальную схему (рис. 2.1). Однако вместо котла, где сжига- ется органическое топливо, используется ядерный реактор. Внутриядерная энергия превра-

щается в тепловую энергию пара, которая затем - в механическую энергию вращения турбогенератора и в электрическую энер- гию. Наличие термодинамического цикла на АЭС ограничивает КПД этой станции, как и обычных тепловых станций. Недос- таток АЭС заключается также в отсутст- вии маневренности: пуск и останов блоков и агрегатов этих станций требует значи- тельных затрат времени и труда.

Значительно более высоким КПД об- ладают гидроэлектростанции (ГЭС) вви- ду отсутствия на них термодинамического цикла (преобразования тепловой энергии в механическую). На ГЭС используется энергия рек. Путем сооружения плотины создается разность уровней воды. Вода, пе- ретекая с верхнего уровня (бьефа) на ниж-

ний либо по специальным трубам – тур-

Рис. 2.2. Схема русловой ГЭС:

1 плотина; 2 затворы; 5 максимальный уро- вень верхнего бьефа; 4 минимальный уровень верхнего бьефа; 5 гидравлический подъемник; 6 сороудерживаюшая решетка; 7 гидрогенера- тор; 8 гидравлическая турбина; 9 минималь- ный уровень нижнего бьефа; 10 максималь- ный паводковый уровень.

бинным трубопроводам, либо по выпол- ненным в теле плотины каналам, приобре- тает большую скорость. Струя воды по- ступает далее на лопасти гидротурбины. Ротор гидротурбины приводится во враще- ние под воздействием центробежной силы струи воды. Таким образом, на ГЭС осу- ществляется преобразование:

механическая энергия воды ► электрическая энергия воды

Поэтому теоретически их КПД может достигать 90%. Кроме того. ГЭС являются ма- невренными станциями, время пуска их агрегатов исчисляется минутами.

Заметим, что в энергосистеме желательно иметь сочетание различных типов станций. Комбинируя их характеристики, можно добиться наилучших характеристик энергосистемы в целом, в том числе наибольшей энергоэффективности.