17. Цикл Карно
19. Типы тепловых электростанций.
20. Устройство и функционирование тэс.
Рис. 1.1. Общая схема тепловой электростанции на угле
Тепловой электростанцией называют комплекс сооружений и оборудования, в которых тепловая энергия поступающего на станцию органического топлива преобразуется в электрическую энергию, передаваемую в энергетическую систему или непосредственно потребителям. На тепловых электростанциях, называемых теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), кроме электрической энергии, вырабатывается еще и тепловая, которая при помощи теплотрасс передается потребителям и распределяется между ними.
Электроэнергию на электростанциях производят за счет использования энергии, скрытой в различных природных ресурсах (уголь, газ, нефть, мазут, уран и др.), по достаточно простому принципу, реализовывая технологию преобразования энергии. Общая схема ТЭС (см. рис. 1.1)
отражает последовательность такого преобразования одних видов энергии в другие и использования рабочего тела (вода, пар) в цикле тепловой электростанции. Топливо (в данном случае уголь) сгорает в котле, нагревает воду и превращает ее в пар. Пар подается в турбины, преобразующие тепловую энергию пара в механическую энергию и приводящие в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию (см. раздел 4.1).
Современная тепловая электростанция – это сложное предприятие, включающее большое количество различного оборудования. Состав оборудования электростанции зависит от выбранной тепловой схемы, вида используемого топлива и типа системы водоснабжения.
Основное оборудование электростанции включает: котельные и турбинные агрегаты с электрическим генератором и конденсатором. Эти агрегаты стандартизованы по мощности, параметрам пара, производительности, напряжению и силе тока и т.д. Тип и количество основного оборудования тепловой электростанции соответствуют заданной мощности и предусмотренному режиму её работы. Существует и вспомогательное оборудование, служащее для отпуска теплоты потребителям и использования пара турбины для подогрева питательной воды котлов и обеспечения собственных нужд электростанции. К нему относится оборудование систем топливоснабжения, деаэрационно-питательной установки, конденсационной установки, теплофикационной установки (для ТЭЦ), систем технического водоснабжения, маслоснабжения, регенеративного подогрева питательной воды, химводоподготовки, распределения и передачи электроэнергии (см. раздел 4).
На всех паротурбинных установках применяется регенеративный подогрев питательной воды, существенно повышающий тепловую и общую экономичность электростанции, поскольку в схемах с регенеративным подогревом потоки пара, отводимые из турбины в регенеративные подогреватели, совершают работу без потерь в холодном источнике (конденсаторе). При этом для одной и той же электрической мощности турбогенератора расход пара в конденсаторе снижается и в результате к.п.д. установки растет.
Тип применяемого парового котла (см. раздел 2) зависит от вида топлива, используемого на электростанции. Для наиболее распространённых топлив (ископаемые угли, газ, мазут, фрезторф) применяются котлы с П-, Т-образной и башенной компоновкой и топочной камерой, разработанной применительно к тому или иному виду топлива. Для топлив с легкоплавкой золой используются котлы с жидким шлакоудалением. При этом достигается высокое (до 90%) улавливание золы в топке и снижается абразивный износ поверхностей нагрева. Из этих же соображений для высокозольных топлив, таких как сланцы и отходы углеобогащения, применяются паровые котлы с четырехходовой компоновкой. На тепловых электростанциях используются, как правило, котлы барабанной или прямоточной конструкции.
Турбины и электрогенераторы согласуются по шкале мощности. Каждой турбине соответствует определенный тип генератора. Для блочных тепловых конденсационных электростанций мощность турбин соответствует мощности блоков, а число блоков определяется заданной мощностью электростанции. В современных блоках используются конденсационные турбины мощностью 150, 200, 300, 500, 800 и 1200 МВт с промежуточным перегревом пара.
На ТЭЦ применяются турбины (см. подраздел 4.2) с противодавлением (типа Р), с конденсацией и производственным отбором пара (типа П), с конденсацией и одним или двумя теплофикационными отборами (типа Т), а также с конденсацией, промышленным и теплофикационными отборами пара (типа ПТ). Турбины типа ПТ также могут иметь один или два теплофикационных отбора. Выбор типа турбины зависит от величины и соотношения тепловых нагрузок. Если преобладает отопительная нагрузка, то в дополнение к турбинам ПТ могут быть установлены турбины типа Т с теплофикационными отборами, а при преобладании промышленной нагрузки – турбины типов ПР и Р с промышленным отбором и противодавлением.
В
настоящее время на ТЭЦ наибольшее
распространение имеют установки
электрической мощностью 100 и 50 МВт,
работающие на начальных параметрах
12,7 МПа, 540–560°С. Для ТЭЦ крупных городов
созданы установки электрической
мощностью 175–185 МВт и 250 МВт (с турбиной
Т-250-240). Установки с турбинами Т-250-240
являются блочными и работают при
сверхкритических начальных параметрах
(23,5 МПа, 540/540°С).
Особенностью работы электрических станций в сети является то, что общее количество электрической энергии, вырабатываемой ими в каждый момент времени, должно полностью соответствовать потребляемой энергии. Основная часть электрических станций работает параллельно в объединенной энергетической системе, покрывая общую электрическую нагрузку системы, а ТЭЦ одновременно и тепловую нагрузку своего района. Есть электростанции местного значения, предназначенные для обслуживания района и не подсоединенные к общей энергосистеме.
Графическое изображение зависимости электропотребления во времени называют графиком электрической нагрузки. Суточные графики электрической нагрузки (рис.1.5) меняются в зависимости от времени года, дня недели и характеризуются обычно минимальной нагрузкой в ночной период и максимальной нагрузкой в часы пик (пиковая часть графика). Наряду с суточными графиками большое значение имеют годовые графики электрической нагрузки (рис. 1.6), которые строятся по данным суточных графиков.
Графики электрических нагрузок используются при планировании электрических нагрузок электростанций и систем, распределении нагрузок между отдельными электростанциями и агрегатами, в расчетах по выбору состава рабочего и резервного оборудования, определении требуемой установленной мощности и необходимого резерва, числа и единичной мощности агрегатов, при разработке планов ремонта оборудования и определении ремонтного резерва и др.
При работе с полной нагрузкой оборудование электростанции развивает номинальную или максимально длительную мощность (производительность), которая является основной паспортной характеристикой агрегата. На этой наибольшей мощности (производительности) агрегат должен длительно работать при номинальных значениях основных параметров. Одной из основных характеристик электростанции является ее установленная мощность, которая определяется как сумма номинальных мощностей всех электрогенераторов и теплофикационного оборудования с учетом резерва.
Р
абота
электростанции характеризуется также
числом часов использования установленной
мощности, которое зависит от того, в
каком режиме работает электростанция.
Для электростанций, несущих базовую
нагрузку, число часов использования
установленной мощности составляет
6000–7500 ч/год, а для работающих в режиме
покрытия пиковых нагрузок – менее
2000–3000 ч/год.
Нагрузку, при которой агрегат работает с наибольшим к.п.д., называют экономической нагрузкой. Номинальная длительная нагрузка может быть равна экономической. Иногда возможна кратковременная работа оборудования с нагрузкой на 10–20% выше номинальной при более низком к.п.д. Если оборудование электростанции устойчиво работает с расчетной нагрузкой при номинальных значениях основных параметров или при изменении их в допустимых пределах, то такой режим называется стационарным.
Рис.
1.8. Суммарный годовой график тепловой
нагрузки по продолжительности: І –
отопительный период; ІІ – летний период
Режимы работы с установившимися нагрузками, но отличающимися от расчетных, или с неустановившимися нагрузками
называют нестационарными или переменными режимами. При переменных режимах одни параметры остаются неизменными и имеют номинальные значения, другие – изменяются в
определенных допустимых пределах. Так, при частичной нагрузке блока давление и температура пара перед турбиной могут оставаться номинальными, в то время как вакуум в конденсаторе и параметры пара в отборах изменятся пропорционально нагрузке. Возможны также нестационарные режимы, когда изменяются все основные параметры. Такие режимы имеют место, например, при пуске и остановке оборудования, сбросе и набросе нагрузки на турбогенераторе, при работе на скользящих параметрах и называются нестационарными.
Тепловая нагрузка электростанции используется для технологических процессов и промышленных установок, для отопления и вентиляции производственных, жилых и общественных зданий, кондиционирования воздуха и бытовых нужд. Для производственных целей обычно требуется пар давлением от 0,15 до 1,6 МПа. Однако, чтобы уменьшить потери при транспортировке и избежать необходимости непрерывного дренирования воды из коммуникаций, с электростанции пар отпускают несколько перегретым. На отопление, вентиляцию и бытовые нужды ТЭЦ подает обычно горячую воду с температурой от 70 до 180°С.
Тепловая нагрузка, определяемая расходом тепла на производственные процессы и бытовые нужды (горячее водоснабжение), зависит от наружной температуры воздуха. В условиях Украины летом эта нагрузка (так же как и электрическая) меньше зимней. Промышленная и бытовая тепловые нагрузки изменяются в течение суток, кроме того, среднесуточная тепловая нагрузка электростанции, расходуемая на бытовые нужды, меняется в рабочие и выходные дни. Типичные графики изменения суточной тепловой нагрузки промышленных предприятий и горячего водоснабжения жилого района приведены на рис 1.7 и 1.8.
Эффективность работы ТЭС характеризуется различными технико-экономическими показателями, одни из которых оценивают совершенство тепловых процессов (к.п.д., расходы теплоты и топлива), а другие характеризуют условия, в которых работает ТЭС. Например, на рис. 1.9 (а,б) приведены примерные тепловые балансы ТЭЦ и КЭС.
Как видно из рисунков, комбинированная выработка электрической и тепловой энергии обеспечивает значительное повышение тепловой экономичности электростанций благодаря уменьшению потерь теплоты в конденсаторах турбин.
Наиболее важными и полными показателями работы ТЭС являются себестоимости электроэнергии и теплоты.
Рис.
1.9. Тепловой баланс:
а) – теплоэлектроцентрали ТЭЦ; б) – конденсационной электростанции КЭС
Тепловые электростанции имеют как преимущества, так и недостатки в сравнении с другими типами электростанций. Можно указать следующие достоинства ТЭС:
относительно свободное территориальное размещение, связанное с широким распространением топливных ресурсов;
способность (в отличие от ГЭС) вырабатывать энергию без сезонных колебаний мощности;
площади отчуждения и вывода из хозяйственного оборота земли под сооружение и эксплуатацию ТЭС, как правило, значительно меньше, чем это необходимо для АЭС и ГЭС;
ТЭС сооружаются гораздо быстрее, чем ГЭС или АЭС, а их удельная стоимость на единицу установленной мощности ниже по сравнению с АЭС.
В то же время ТЭС обладают крупными недостатками:
для эксплуатации ТЭС обычно требуется гораздо больше персонала, чем для ГЭС, что связано с обслуживанием весьма масштабного по объему топливного цикла;
работа ТЭС зависит от поставок топливных ресурсов (уголь, мазут, газ, торф, горючие сланцы);
переменность режимов работы ТЭС снижают эффективность, повышают расход топлива и приводят к повышенному износу оборудования;
существующие ТЭС характеризуются относительно низким к.п.д. (в основном до 40%);
ТЭС оказывают прямое и неблагоприятное воздействие на окружающую среду и не являются эколигически «чистыми» источниками электроэнергии.
Наибольший ущерб экологии окружающих регионов приносят электростанции, работающие на угле, особенно высокозольном. Среди ТЭС наиболее «чистыми» являются станции, использующие в своем технологическом процессе природный газ.
По оценкам экспертов, ТЭС всего мира выбрасывают в атмосферу ежегодно около 200–250 млн. тонн золы, более 60 млн. тонн сернистого ангидрида, большое количество оксидов азота и углекислого газа (вызывающего так называемый парниковый эффект и приводящего к долгосрочным глобальным климатическим изменениям), поглощая большое количество кислорода. Кроме того, к настоящему времени установлено, что избыточный радиационный фон вокруг тепловых электростанций, работающих на угле, в среднем в мире в 100 раз выше, чем вблизи АЭС такой же мощности (уголь в качестве микропримесей почти всегда содержит уран, торий и радиоактивный изотоп углерода). Тем не менее, хорошо отработанные технологии строительства, оборудования и эксплуатации ТЭС, а также меньшая стоимость их сооружения приводят к тому, что на ТЭС приходится основная часть мирового производства электроэнергии. По этой причине совершенствованию технологий ТЭС и снижению отрицательного влияния их на окружающую среду во всем мире уделяется большое внимание (см. раздел 6).
21. Устройство и функционирование ТЭЦ
22 Устройство и функционирование КЭС
18. Цикл Ренкина
26. Паротурбинные установки
23. Турбины в теплофикационных установках
24,25 Газотурбинные установки, парогазовые
27. Устройство и функционирование АЭС
28. Классификация и основное оборудование ГЭС
29. Получение энергии на ГЭС
Электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции (ГЭС) обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.
Гидроресурсы — возобновляемый и наиболее экологичный источник энергии, использование которого позволяет снижать выбросы в атмосферу тепловых электростанций и сохранять запасы углеводородного топлива для будущих поколений.
Для эффективного производства электричества на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа.
Принцип
работы ГЭС достаточно прост. Цепь
гидротехнических сооружений обеспечивает
необходимый напор воды, поступающей
на лопасти гидротурбины, которая приводит
в действие генераторы, вырабатывающие
электроэнергию.
Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.
Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции (ГЭС) располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля за работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.
Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:
мощные — вырабатывают от 25 МВТ до 250 МВт и выше;
средние — до 25 МВт;
малые гидроэлектростанции (ГЭС) — до 5 МВт.
Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции (ГЭС).
Гидроэлектростанции (ГЭС) также делятся в зависимости от максимального использования напора воды:
высоконапорные — более 60 м;
средненапорные — от 25 м;
низконапорные — от 3 до 25 м.
В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях (ГЭС) применяются различные виды турбин. Для высоконапорных — ковшовые и радиально осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных — поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож — вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины различаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами — железными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.
Гидроэлектрические станции также разделяются в зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды. Здесь можно выделить следующие ГЭС:
Русловые и приплотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции (ГЭС) строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.
Плотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.
Деривационные гидроэлектростанции (ГЭС). Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние — спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида безнапорные, или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище — такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.
Гидроаккумулирующие электростанции. Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные моменты (времена не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы, и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный газопровод и, соответственно, приводит в действие дополнительные турбины.
Преимущества гидроэлектростанций:
• ГЭС являются ключевым элементом обеспечения системной надежности единой энергетической системы страны.
• Отсутствие топливной составляющей в производстве электроэнергии ГЭС способствует снижению зависимости стоимости электроэнергии от изменения стоимости органического топлива.
• Для производства электроэнергии ГЭС используют возобновляемые источники энергии, что способствует глобальным усилиям в борьбе за сокращение выбросов парниковых газов.
На 2005 год гидроэнергетика обеспечивает производство до 63 % возобновимой и до 19 % всей электричества в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 715 ГВт.
Лидерами по выработке гидроэнергии на гражданина являются Норвегия, Исландия и Канада. Наиболее активное гидростроительство на начало 2000-х ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии, в этой же стране размещено до половины малых гидроэлектростанций (ГЭС) мира.
«Золотой век» отечественной гидроэнергетики пришелся на период с 1930 по 1990 гг. До этого времени в России и СССР работало лишь небольшое число гидростанций. Общая установленная мощность гидроагрегатов в СССР к 1930 г. не превышала 600 тыс. кВт. Спустя 60 лет наша страна вышла на второе место в мире по установленной мощности ГЭС (65 млн. кВт.), уступая только США, а по производству электроэнергии на ГЭС (233 млрд кВт·ч/год) на третье место после США и Канады.
В настоящее время на территории России работают 102 гидростанции мощностью свыше 100 МВт. Общая установленная мощность гидроагрегатов на ГЭС в России составляет примерно 45 млн кВт (5 место в мире), а выработка порядка 165 млрд кВт·ч/год (также 5 место) — в общем объеме производства электроэнергии в России доля ГЭС не превышает 21 %. При этом по экономическому потенциалу гидроэнергоресурсов Россия занимает второе место в мире (порядка 852 млрд кВт·ч, после Китая), однако, по степени их освоения — 20 % — уступает практически всем развитым странам и многим развивающимся государствам. Так, во Франции и Швейцарии этот показатель превышает 90 %, Канаде и Норвегии — 70 %, США и Бразилии — 50%.
Государственная политика в сфере использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на период до 2030 года предусматривает принятие мер по поддержке данного направления и созданию благоприятных условий для привлечения инвестиций. Объявлен плановый показатель производства электроэнергии на базе ВИЭ к 2030 году не менее 80–100 млрд кВт*ч в год
Проблемы
За прошедшие годы возникли серьезные опасения по поводу влияния гидроэлектростанций на экологию. Гидроэлектростанции изменяют поток реки до и после дамбы. Это подрывает экосистему реки. Дамба препятствует миграции рыб, двигающихся вверх по течению. Турбины уничтожают часть рыбы, мигрирующей вниз по течению. Так как меняется скорость течения, падает уровень кислорода в воде. Это вредит флоре и фауне в самой реке и на ее берегах. Уровень воды повышается и понижается в зависимости от потребления энергии, заставляя водные виды жить в условиях частых изменений уровня.
|
для решения этих проблем. На некоторых электростанциях есть так называемые лестницы для рыб: серия неглубоких ступеней, между которыми могут переплывать рыбы или специальные лифты, помогающие рыбе мигрировать вверх по течению для нереста. В некоторых дамбах предусмотрены специальные разделительные каналы, направляющие рыб, мигрирующих вниз, на других уменьшается скорость вращения тубин в пик миграции. На многих станциях с помощью различных методик в воду добавляется кислород, чтобы улучшить ее качество для жизни флоры и фауны.
Масштабность некоторых новых проектов вызывает обеспокоенность у людей, живущих в этих регионах. В ходе реализации огромного проекта "Три ущелья" был переселен 1 миллион человек. Исторические города и постройки погружаются в воду по мере наполнения водохранилища. Дамбы находятся в зоне землетрясений, разрушение дамбы повлечет катастрофические последствия.
Данные последних исследований показывают, что гидроэлектростанции в тропических регионах могут вырабатывать столько же метана (парникового газа), что и станции, работающие на ископаемом топливе. Причина: разложение растительных веществ. Часть растений уничтожается изначально при заполнении водохранилища. Позже растения растут и разлагаются по мере того как уровень воды увеличивается и уменьшается. Этот вопрос в настоящий момент изучается.
По течению
В развивающихся странах строятся небольшие гидроэлектростанции для удовлетворения локальных нужд. В таких странах как США и Канада есть множество маленьких гидроэлектростаций, которые уже не работают. Теоретически их можно обновить и вернуть в эксплуатацию. Однако экологи предпочитают разрушать неиспользуемые дамбы и высвобождать реки. Старые дамбы чаще убирают, а не восстанавливают.
Технологии, используемые на гидроэлектростанциях, продолжают улучшаться. К примеру, сейчас появились более эффективные турбины.