1.2. Виды электростанций
Электрические станции, которые стали интенсивно строиться в 70–80-х гг. ХIХ в. и продолжают строиться в настоящее время, можно классифицировать по первичной энергии на следующие виды:
тепловые, включая атомные; гидравлические; ветровые; гелиостанции; геотермальные; приливные и др.
Тепловые электростанции, в зависимости от типа первичного двигателя (а электрическая энергия пока является только вторичной энергией), подразделяются на электростанции: с паровыми турбинами – КЭС (конденсационные) или ГРЭС (государственная районная электростанция), вырабатывающие только электрическую энергию; с теплофикационными турбинами – ТЭЦ, в которых одна часть тепло-
вой энергии отдается потребителям в виде горячей воды или пара, а другая часть идет на выработку электроэнергии; с поршневыми машинами – локомобилями или дизелями; с газовыми турбинами; атомные и др.
Тепловые электростанции
Тепловые электростанции используют для выработки энергии органическое топливо. По виду вырабатываемой энергии ТЭС бывают конденсационными (КЭС), вырабатывающими только электрическую энергию, и теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), вырабатывающими не только электрическую, но и тепловую энергию.
Тепловые электростанции (ТЭС) состоят из основных крупных узлов, представленных на рис. 4.1.
Котельная установка (реактор) служит для выработки пара из воды за счет использования тепла топлива (угля, торфа, нефти, мазута и т. д.). В котельную установку входит топка, где происходит сжигание топлива, и паровой котел. Кроме этого в нее входит пароперегреватель, экономайзер (для подогрева питательной воды), воздухоподогреватель (для подогрева воздуха для топки). Котельная установка имеет также вспомогательное оборудование: тягодувное устройство – естественное (в виде высокой трубы) или искусственное (дутьевые вентиляторы); золоуловители (фильтры); систему водоподготовки (очистка воды).
Рис. 4.1. Схема ТЭС
Рис. 4.2. Паровая турбина
Рис. 4.3. Схема КЭС
Паровая турбина (рис. 4.2) состоит из вала, на котором прочно насажены диски. На ободах этих дисков закреплены особо изогнутые рабочие лопатки. Вал вращается на подшипниках. Пар из котла по соплам поступает на рабочие лопатки турбины и заставляет вал турбины вращаться. Выходя из пространства турбины, пар конденсируется, чтобы создать больший перепад давления, ускорить протекание пара и повысить эффективность цикла. Давление уменьшается со 100 до 0,4 атм.
Электрогенератор вырабатывает электрическую энергию, которая поступает на преобразовательную подстанцию. Его ротор находится на одном валу с турбиной.
Технологическая схема КЭС, приведенная на рис. 4.3, включает в себя: топливное хозяйство 1 и топливоподачу 2, где топливо проходит специальную обработку. Например, уголь дробится, сушится и измельчается в пыль; котел и воздухоотдувку. В топке котла 3 происходит сгорание топлива
и нагревание теплоносителя – воды, проходящей по трубам через топку; наряду с топливом в котел поступает воздух, подаваемый специальным насосом – воздухоотдувкой 5; пароперегреватель – паропровод – паровую турбину – генератор. На выходе из котла теплоноситель перегревается в пароперегревателе 4 и по паропроводу 9 поступает в паровую турбину 10; в турбине энергия пара преобразуется в механическую работу вращения вала, связанного специальной муфтой с валом генератора 13, преобразующего механическую энергию в электрическую; газовоздушный тракт – золоуловитель, дымосос, дымовую трубу и
конденсатор. Продукты сгорания из котла проходят очистку в золоуловителях 7 и фильтрах, очищенные газы с помощью дымососов 6 выбрасываются через дымовую трубу 8 в атмосферу. На выходе из турбины пар охлаждается в конденсаторе 11, превращается в воду – конденсат, и часть ее подается насосом 12 обратно в котел, а другая часть по водопроводу 16 поступает в водохранилище 17. В качестве охладителя пара используется, как правило, подаваемая циркуляционными насосами 14 по водопроводу 15 холодная вода из специально создаваемых водоемов 17 – водохранилищ, брызгальных бассейнов, градирен.
Газотурбинные электростанции
Газотурбинные электростанции работают примерно по тому же принципу, что и паротурбинные, но в качестве рабочего вещества используется не водяной пар, а газ – продукт сгорания топлива или природный газ. Применение газовых турбин в настоящее время – одно из перспективных путей снижения затрат на получение электрической и тепловой энергии. Для них характерно блочно-модульное исполнение, высокие технические характеристики, малые габариты (так как не требуется паровой котел и паропроводы). Для повышения эффективности они укомплектовываются водяным котломутилизатором, КПД с таким котлом примерно равно 77 %.
Гидроэлектростанции
В гидростанциях (ГЭС) для производства электроэнергии используется энергия движущейся воды. Первичными двигателями электрогенераторов являются гидротурбины, в которых потенциальная и кинетическая энергия воды преобразуется в механическую энергию для вращения ротора генератора.
Гидротурбина состоит из рабочего колеса и направляющего устройства. Рабочее колесо жестко закреплено на валу турбины, имеет на своем ободе по всему периметру ряд особо изогнутых лопаток.
Направляющее устройство придает движению воды нужное направление и регулирует количество воды, поступающее в турбину с помощью поворотных лопаток. Механизм разворота направляющих лопаток связан с регулятором турбины, поддерживающим постоянное число оборотов турбины и тем самым частоту тока. Из рабочего колеса вода отводится через всасывающую трубу в нижний бьеф гидростанции.
Мощность Рт, развиваемая турбиной на валу, зависит от расхода воды Q‚ м3/с, напора воды Н, м (т. е. от разности высот воды между верхним и нижним бьефом реки), и коэффициента полезного действия k гидротурбины:
Рт = QНk.
Гидроэнергетика России характеризуется высокой степенью концентрации мощностей. Крупнейшие российские ГЭС приведены в табл. 4.1.
На рис. 4.5 показан вид Саяно-Шушенской ГЭС, высота ее плотины – 245 м.
В 60–80-е гг. XX в. во многих странах наметился некоторый спад в строительстве крупных гидроузлов. Однако в 1990-е он был преодолен. Например, в Китае в настоящее время строятся 70 плотин высотой более 15 м и сооружается самая крупная в мире ГЭС «Три ущелья» мощностью 18,2 млн. кВт. В табл. 4.2 представлены крупнейшие электростанции мира.
Рис. 4.4. Схема плотины ГЭС Рис. 4.5. Саяно-Шушенская ГЭС
. Атомные электростанции
Первоначальные затраты при строительстве АЭС в 1,5–2 раза выше, чем при строительстве ТЭЦ, но себестоимость электроэнергии ниже в 1,3– 1,7 раза.
АЭС для получения электроэнергии и тепла используют ядерное горючее. Вместо котельного агрегата на атомных станциях используется ядерный реактор и особые парогенераторы.
В качестве топлива на АЭС применяется вещество, способное к самопроизвольному расщеплению ядер атомов с выделением энергии в виде тепла.
Важнейшим ядерным топливом являются тяжелые элементы: уран-235, уран-233, плутоний-239.
Расщепление ядер урана-235 происходит под воздействием нейтронов по цепной реакции, при этом выделяется большое количество тепловой энергии (83 %) и так называемого ядерного излучения (17 %).
Существует несколько типов реакторов на тепловых нейтронах, однако всем им присущи некоторые общие элементы. Реакторы имеют так называемую активную зону, в которую загружается ядерное топливо, содержащее уран-235 и замедлитель (обычно графит или вода). Для сокращения утечки нейтронов активная зона окружена отражателем, за которым размещается бетонная защита от радиоактивных излучений. Количество ядерного топлива в реакторе значительно превышает критическую массу. Поэтому в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней из карбида бора. По мере выгорания топлива регулирующие стержни извлекают из активной зоны. Нагретый теплоноситель отводится по трубам в теплообменник-парогенератор, где передает свое тепло рабочему телу (например, воде, проходящей по змеевикам и превращающейся в пар). Рабочее тело (пар) поступает в турбину, вращает вал турбины, соединенный с валом генератора. Отработавший в турбине пар попадает в конденсатор, после чего сконденсированная вода вновь идет в теплообменник.
Все ядерные реакторы имеют специальную биологическую защиту, чтобы предохранить обслуживающий персонал от опасных радиоактивных излучений, которые вызывают ионизацию молекул клеток.
Коэффициент полезного действия АЭС на медленных нейтронах обычно составляет 25–35 %.