«Физика - 11 класс»

Производство электроэнергии

Производится электроэнергия на электрических станциях в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов.
Существует два основных типа электростанций: тепловые и гидроэлектрические.
Различаются эти электростанции двигателями, вращающими роторы генераторов.

На тепловых электростанциях источником энергии является топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы.
Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания.

Тепловые паротурбинные электростанции - ТЭС наиболее экономичны.

В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару.
В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору.
Вал турбины жестко соединен с валом генератора.
Паровые турбогенераторы весьма быстроходны: число оборотов ротора составляет несколько тысяч в минуту.

КПД тепловых двигателей увеличивается с повышением начальной температуры рабочего тела (пара, газа).
Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру - почти до 550 °С и давление - до 25 МПа.
Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.

Тепловые электростанции - ТЭЦ позволяют значительную часть энергии отработанного пара использовать на промышленных предприятиях и для бытовых нужд.
В результате КПД ТЭЦ достигает 60-70%.
В России ТЭЦ дают около 40% всей электроэнергии и снабжают электроэнергией сотни городов.

На гидроэлектростанциях - ГЭС для вращения роторов генераторов используется потенциальная энергия воды.

Роторы электрических генераторов приводятся во вращение гидравлическими турбинами.
Мощность такой станции зависит от создаваемого плотиной напора и массы воды, проходящей через турбину в каждую секунду.

Гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии.

Атомные электростанции - АЭС в России дают около 10% электроэнергии.

Использование электроэнергии

Главным потребителем электроэнергии является промышленность - 70% производимой электроэнергии.
Крупным потребителем является также транспорт.

Большая часть используемой электроэнергии сейчас превращается в механическую энергию, т.к. почти все механизмы в промышленности приводятся в движение электрическими двигателями.

Передача электроэнергии

Электроэнергию не удается консервировать в болыпих масштабах.
Она должна быть потреблена сразу же после получения.
Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния.

Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи. В соответствии с законом Джоуля - Ленца энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой

где
R - сопротивление линии,
U - передаваемое напряжение,
Р - мощность источника тока.

При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной.
Значительно снизить сопротивление линии R практически весьма трудно, поэтому приходится уменьшать силу тока I.

Так как мощность источника тока Р равна произведению силы тока I на напряжение U, то для уменьшения передаваемой мощности нужно повысить передаваемое напряжение в линии передачи.

Для этого на крупных электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы.
Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько раз уменьшает силу тока.

Чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Генераторы переменного тока настраивают на напряжения, не превышающие 16-20 кВ. Более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.

Это достигается с помощью понижающих трансформаторов.

Понижение напряжения (и соответственно увеличение силы тока) осуществляются поэтапно.

При очень высоком напряжении между проводами может начаться разряд, приводящий к потерям энергии.
Допустимая амплитуда переменного напряжения должна быть такой, чтобы при заданной площади поперечного сечения провода потери энергии вследствие разряда были незначительными.

Электрические станции объединены высоковольтными линиями электропередачи, образуя общую электрическую сеть, к которой подключены потребители.
Такое объединение, называемое энергосистемой, дает возможность распределять нагрузки потребления энергии.
Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям.
Сейчас в нашей стране действует Единая энергетическая система европейской части страны.

Использование электроэнергии

Потребность в электроэнергии постоянно увеличивается как в промышленности, на транспорте, в научных учреждениях, так и в быту. Удовлетворить эту потребность можно двумя основными способами.

Первый - строительство новых мощных электростанций: тепловых, гидравлических и атомных.
Однако строительство крупной электростанции требует нескольких лет и больших затрат.
Кроме того, тепловые электростанции потребляют невозобновляемые природные ресурсы: уголь, нефть и газ.
Одновременно они наносят большой ущерб равновесию на нашей планете.
Передовые технологии позволяют удовлетворить потребности в электроэнергии другим способом.

Второй - эффективное использование электроэнергии: современные люминесцентные лампы, экономия освещения.

Большие надежды возлагаются на получение энергии с помощью управляемых термоядерных реакций.

Приоритет должен быть отдан увеличению эффективности использования электроэнергии, а не повышению мощности электростанций.

Электричество делает жизнь людей лучше, ярче и чище. Но прежде, чем пойти по проводам высоковольтных ЛЭП, а затем распределиться по домам и предприятиям, электрическая энергия должна быть сгенерирована электростанцией.

Как генерируется электроэнергия

В 1831 году М. Фарадей обнаружил, что когда магнит вращается вокруг катушки с проводом, в проводнике течет электроток. Генератор электроэнергии – устройство, преобразующее другую форму энергии в электрическую. Эти агрегаты работают на основе взаимосвязи электрического и магнитного полей. Практически всю потребляемую мощность производят генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую.

Производство электроэнергии обычным способом осуществляется генератором с электромагнитом. Он имеет серию изолированных катушек из проволоки, образующих неподвижный цилиндр (статор). Внутри цилиндра находится вращающийся электромагнитный вал (ротор). При вращении электромагнитного вала в катушках статора возникает электроток, который и передается затем через линии электропередач к потребителям.

На электростанциях для производства электрической энергии используются турбины в качестве генераторов, которые бывают различного типа:

• паровые;
• турбины газового сгорания;
• водяные;
• ветряные.

В турбогенераторе движущаяся жидкость или газ (пар) попадают на лопатки, установленные на валу, и вращают вал, соединенный с генератором. Таким образом, механическая энергия воды или газа превращается в электрическую.

Интересно. В настоящее время 93% электроэнергии в мире дают паровые, газовые и водяные турбины, использующие биомассу, уголь, геотермальную, ядерную энергию, природный газ.

Другие типы устройств, которые генерируют электричество:

• электрохимические батареи;
• топливные устройства;
• солнечные фотогальванические элементы;
• термоэлектрические генераторы.

История электроэнергетики

До появления электричества люди сжигали растительное масло, восковые свечи, жир, керосин, газифицированный уголь для освещения домов, улиц и мастерских. Электричество позволило иметь чистое, безопасное, яркое освещение, для которого и была построена первая электростанция. Томас Эдисон запустил ее в нижнем Манхэттене (Нью-Йорк) в 1882 году и навсегда отодвинул тьму, открыв новый мир. Станция Pearl Street, работающая на угле, стала прототипом для всей развивающейся энергетики. Она состояла из шести динамо-генераторов, каждый весом 27 тонн и мощностью 100 кВт.

В России первые электростанции начали появляться в конце 80-х-90-х годов 19-го века в Москве, Санкт-Петербурге и Одессе. По мере развития передачи электроэнергии электрические станции укрупнялись и переносились ближе к источникам сырья. Мощный толчок к производству и использованию электрической энергии дал план ГОЭЛРО, принятый в 1920 г.

Станции на ископаемом топливе

Ископаемое топливо – это остатки растительной и животной жизни, подвергшиеся воздействию высоких температур, высоких давлений в течение миллионов лет и оказавшиеся в форме углеродов: торфа, угля, нефти и природного газа. В отличие от самого электричества ископаемое топливо может храниться в больших количествах. Электростанции, работающие на ископаемом топливе, в целом надежны, они эксплуатируются десятилетиями.

Недостатки тепловых электростанций:

1. Сжигание топлива приводит к загрязнениям двуокисью серы и азотно-оксидному, требующим дорогостоящих систем очистки;
2. Сточные воды от использованного пара могут переносить загрязняющие вещества в водоемы;
3. Текущие трудности – большое количество углекислого газа и золы от угля.

Важно! Добыча и транспортировка ископаемых ресурсов создают экологические проблемы, которые могут привести к катастрофическим последствиям для экосистем.

КПД тепловых электростанций ниже 50%. Для его повышения применяются ТЭЦ, в которых тепловая энергия использованного пара идет на отопление и снабжение горячей водой. При этом КПД увеличивается до 70%.

Газовые турбины и станции на биомассе

Некоторые агрегаты на природном газе могут производить электроэнергию без пара. Они используют турбины, очень похожие на турбины реактивных самолетов. Однако вместо авиационного керосина они сжигают природный газ, приводя в действие генератор. Такие установки удобны, потому что их можно быстро запускать в ответ на временные скачки спроса на электроэнергию.

Существуют агрегаты, работа которых основана на сжигании биомассы. Этот термин применяется к древесным отходам или другим возобновляемым растительным материалам. Например, станция Okeelanta во Флориде сжигает отходы травы, образовавшиеся в процессе переработки сахарного тростника, в одну часть года и древесные отходы – в оставшееся время.

Гидроэлектростанции

В мире работает два типа гидроэлектростанций. Первый тип берет энергию от быстро движущегося потока, чтобы вращать турбину. Поток воды в большинстве рек может широко варьироваться в зависимости от количества осадков, и существует несколько подходящих мест вдоль русла реки для строительства электростанций.

Большинство гидроэлектростанций использует резервуар для компенсации периодов засухи и повышения давления воды в турбинах. Эти искусственные водохранилища покрывают большие площади, создавая живописные объекты. Необходимые массивные плотины также удобны для борьбы с наводнениями. В прошлом мало кто сомневался, что выгоды от их строительства превышают издержки.

Однако сейчас точка зрения изменилась:

1. Теряются огромные земельные площади под водохранилища;
2. Плотины вытеснили людей, уничтожили ареал дикой природы и археологические объекты.

Некоторые издержки можно компенсировать, например, строить проходы для рыбы в плотине. Однако другие остаются, и строительство гидроэлектростанций вызывает широкие протесты местных жителей.

Второй тип гидроэлектростанций – ГАЭС, или гидроаккумулирующие. Агрегаты в них работают в двух режимах: насосном и генераторном. ГАЭС используют периоды низкого спроса (ночь) для перекачивания воды в резервуар. Когда спрос возрастает, часть этой воды направляется в гидротурбины для выработки электроэнергии. Эти станции экономически выгодны, так как используют для перекачки дешевую электроэнергию, а вырабатывают дорогую.

АЭС

Несмотря на некоторые важные технические различия, атомные электростанции являются тепловыми и производят электроэнергию во многом так же, как и установки на ископаемом топливе. Разница в том, что они генерируют пар, используя тепло атомного деления, а не от сжигания угля, нефти или газа. Затем пар работает так же, как и в тепловых агрегатах.

Особенности АЭС:

1. Атомные установки не используют много топлива и редко заправляются, в отличие от угольных, в которые топливо грузится вагонами;
2. Парниковые газы и вредные выбросы минимальны при правильной эксплуатации, что делает атомную энергетику привлекательной для людей, обеспокоенных качеством воздуха;
3. Сточные воды более горячие, большие градирни предназначены для решения этой проблемы.

Наметившееся было стремление к ядерной энергетике дрогнуло перед лицом социальных проблем, связанных с вопросами безопасности окружающей среды и экономики. Создание лучших механизмов безопасности увеличивает затраты на строительство и эксплуатацию. До сих пор не решена проблема утилизации отработавшего ядерного топлива и загрязненных аксессуаров, которые могут оставаться опасными тысячи лет.

Важно! Авария на острове Три-Майл в 1979 г. и в Чернобыле в 1986 г. были серьезными катастрофами. Продолжающиеся экономические проблемы сделали АЭС менее привлекательными. Несмотря на то, что они производят 16% мировой электроэнергии, будущее ядерной энергетики не определено и горячо обсуждается.

Ветровая энергия

Ветровые электростанции не нуждаются в хранилищах воды и не загрязняют воздух, который несет гораздо меньше энергии, чем вода. Поэтому требуется построить либо очень большие агрегаты, либо много маленьких. Затраты на строительство могут быть высокими.

Кроме того, существует немного мест, где ветер дует предсказуемо. Турбины проектируются с помощью специальной передачи для вращения ротора с постоянной скоростью.

Альтернативные виды энергии

1. Геотермальная. Яркий пример тепла, доступного под землей, виден при извержении гейзеров. Недостаток геотермальных электростанций – необходимость строительства в районах с сейсмической опасностью;
2. Солнечная. Солнечные батареи сами являются генератором. Они используют возможность превращения солнечного излучения в электроэнергию. До недавнего времени солнечные элементы были дорогими, повышение их КПД – также сложная задача;

1. Топливные элементы. Используются, в частности, в космических аппаратах. Там они химически объединяют водород и кислород для образования воды и получения электроэнергии. Пока такие установки дороги и не нашли широкого применения. Хотя в Японии уже создана центральная электростанция на топливных элементах.

Использование электроэнергии

1. Две трети от получаемой энергии идет на нужды промышленности;
2. Второе главное направление – использование электроэнергии в транспорте. Электротранспорт: железнодорожный, трамваи, троллейбусы, метро работают на постоянном и переменном токе. В последнее время появляется все больше электромобилей, для которых строится сеть заправочных станций;
3. Меньше всего потребляет электроэнергии бытовой сектор: жилые дома, магазины, офисы, образовательные учреждения, больницы и др.

По мере совершенствования технологий электрогенерации и повышения экологической безопасности сама концепция строительства крупных централизованных станций ставится под сомнение. В большинстве случаев уже экономически невыгодно обогревать дома из центра. Дальнейшее развитие топливных элементов и солнечных батарей могут полностью изменить картину производства и передачи электроэнергии. Эта возможность тем более привлекательна, если учитывать стоимость и возражения при строительстве крупных электростанций и ЛЭП.

Видео

Рассмотрим движение проводника в плоскости, перпендикулярной направлению поля, когда один конец проводника неподвижен, а другой описывает окружность. Электродвижущая сила на концах проводника определяется формулой закона электромагнитной индукции. Машина, работающая...

Под производством энергии следует понимать преобразование энергии из «неудобной» для использования человеком формы в «удобную». К примеру, солнечный свет можно использовать, принимая непосредственно от Светила, а можно выработать из него , которая в свою очередь будет преобразована в свет внутри помещения. Можно сжигать газ в двигателе внутреннего сгорания, преобразуя в – вращение вала. А можно сжигать газ в топливном элементе, преобразуя ту же химическую энергию связей в электромагнитную энергию, которая затем будет преобразована в механическую энергию вращения вала. КПД различных алгоритмов преобразования энергии различается. Однако, это не следствие «ущербности» тех или иных энергетических цепочек. Причина различия КПД в разном уровне развития технологий. К примеру, КПД больших дизельных двигателей, устанавливаемых на океанских нефтеналивных танкерах и контейнеровозах существенно выше, чем КПД автомобильного дизеля. Однако с автомобильного двигателя снимают в разы больше лошадиных сил, и платить в итоге приходится снижением КПД.

Вообще, централизованная энергетика выглядит привлекательно лишь на первый взгляд

К примеру, ГЭС дают множество дармовой электроэнергии, но они очень дороги в постройке, оказывают разрушительное воздействие на экологию региона, вынуждают переносить поселки и строить города. А в засушливых странах последствия строительства ГЭС приводят к обезвоживанию целых регионов, где жителям не хватает воды даже для питья, а не то, что для сельского хозяйства. Атомные станции выглядят привлекательно, но производство , создает проблему утилизации и захоронения высокорадиоактивных отходов. Тепловые станции тоже не так плохи, ведь они составляют подавляющую часть производства и электричества. Но они выбрасывают в атмосферу углекислый газ и сокращают запасы полезных ископаемых. Но почему мы строим все эти станции, передаем, преобразуем и теряем огромные объемы энергии. Дело в том, что нам нужна конкретная энергия – электричество. Но ведь возможно построение таких производственных и жизненных процессов, когда не потребуется ни производить энергию в значительном удалении от потребителя, ни передавать ее на большие расстояния. Например, проблема получения водорода будет очень сложной, если начать производить его как топливо для автомобилей в мировых масштабах. Выделение водорода из воды электролизом – очень энергетически затратный процесс, который потребует удвоения мирового производства электроэнергии, в случае перевода всех авто на водород.

Но разве обязательно «сажать» водородное производство на старые мощности?

Ведь можно выделять водород из океанской воды на плавучих платформах, используя для этого энергию солнца. Тогда получится, что солнечная энергия надежно «консервируется» в водородном топливе и перевозится куда необходимо. Ведь это куда выгоднее, нежели передавать и хранить электроэнергию. Сегодня для производства энергии применяются следующие устройства и сооружения: печи, двигатели внутреннего сгорания, электрогенераторы, турбины, солнечные батареи , Ветровые установки и электростанции, дамбы и ГЭС, приливные станции, геотермальные станции, атомные станции, термоядерные реакторы.

Введение

В настоящем издании приведены общие сведения о процессах производства, передачи и потребления электрической и тепловой энергии, взаимной связи и объективных закономерностях этих процессов, о различных типах электростанций, их характеристиках, условиях совместной работы и комплексного использования. В отдельной главе рассмотрены вопросы энергосбережения.

Производство электрической и тепловой энергии

Общие положения

Энергетика - это совокупность естественных, природных и искусственных, созданных человеком систем, предназначенных для получения, преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Энергоресурсами являются все материальные объекты, в которых сосредоточена энергия для возможного использования ее человеком.

Среди различных видов энергии, используемых людьми, электроэнергия выделяется рядом существенных достоинств. Это относительная простота ее производства, возможность передачи на очень большие расстояния, простота преобразования в механическую, тепловую, световую и иную энергию, что делает электроэнергетику важнейшей отраслью жизнедеятельности человека.

Процессы, происходящие при производстве, распределении, потреблении электрической энергии, неразрывно взаимосвязаны. Также взаимосвязаны и объединены установки по выработке, передаче, распределению и преобразованию электроэнергии. Такие объединения называются электроэнергетическими системами (рис.1.1) и являются составной частью энергетической системы. В соответствии с энергетической системой называют совокупность электрических станций, котельных, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электроэнергии и теплоты при общем управлении этими режимами.

Составной частью электроэнергетической системы является система электроснабжения, представляющая собой совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией.

Аналогичное определение можно дать системе теплоснабжения.

Тепловые электрические станции

Получение энергии из топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) посредством их сжигания в настоящее время является наиболее простым и доступным способом производства энергии. Поэтому до 75% всей электроэнергии в стране вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС). При этом возможны как совместная выработка тепловой и электрической энергии, например, на тепловых электростанциях (ТЭЦ), так и их раздельное производство (рис. 1.2).

Структурная схема ТЭС приведена на рис. 1.3. Работа происходит следующим образом. Система топливоподачи 1 обеспечивает поступление твердого, жидкого или газообразного топлива к горелке 2 парового котла 3. Предварительно топливо соответствующим образом подготавливается, например, уголь дробится до пылевидного состояния в дробилке 4, подсушивается и насыщается воздухом, который дутьевым вентилятором 5 от воздухо-заборника 6 через подогреватель 7 также подается к горелке. Тепло, выделяемое в топке котла, используется для нагрева воды в теплообменниках 8 и образования пара. Вода подается насосом 9 после того, как проходит специальную систему водоподготовки 10. Пар из барабана 11 при высоком давлении и температуре поступает в паровую турбину 12, где энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины и электрического генератора 13. Синхронный генератор вырабатывает переменный трехфазный ток. Отработанный в турбине пар конденсируется в конденсаторе 14. Для ускорения этого процесса используется холодная вода естественного или искусственного водоема 15 или специальные охладители - градирни. Конденсат насосами вновь подается в парогенератор (котел). Такой цикл называется конденсационным. Электростанции, использующие этот цикл (КЭС), вырабатывают только электрическую энергию. На ТЭЦ часть пара из турбины забирается при определенном давлении до конденсатора и используется для нужд потребителей тепла.

Рис. 1.1.

G - генераторы электроэнергии; Т - трансформаторы; Р - электрические нагрузки;

W - линии электропередачи (ЛЭП); АТ - автотрансформаторы

Рис.1.2.

а - совмещенное производство; б - раздельное производство

Рис.1.3.

Топливо и его приготовление. На ТЭС используется твердое, жидкое или газообразное органическое топливо. Его общая классификация приведена в таблице 1.1 .

Таблица 1.1. Общая классификация топлива

Топливо в том виде, в каком оно сжигается, называется "рабочим топливом”. В состав рабочего топлива (твердого и жидкого) входят: углерод С, водород Н, кислород О, азот N, зола А и влага W. Выражая компоненты топлива в процентах, отнесенных к одному килограмму массы, получают уравнение состава рабочей массы топлива.

Сера называется летучей и составляет часть общего количества серы, находящейся в топливе, остальная негорючая часть серы входит в состав минеральных примесей.

Естественное газообразное топливо содержит: метан, этан, пропан, бутан, углеводороды, азот, углекислый газ. Последние два компонента - балласт. Искусственное газообразное топливо имеет в своём составе метан, окись углерода, водород, углекислый газ, водяные пары, азот, смолы.

Основной теплотехнической характеристикой топлива является теплота сгорания, которая показывает, какое количество теплоты в килоджоулях выделяется при сжигании одного килограмма твердого, жидкого или одного кубического метра газообразного топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, выделяемой топливом при полном его сгорании c учётом теплоты, выделившейся при конденсации водяных паров, которые образуются при горении.

Низшая теплота сгорания отличается от высшей тем, что не учитывает теплоту, затрачиваемую на образование водяных паров, которые находятся в продуктах сгорания. При расчётах используют низшую теплоту сгорания, т.к. теплота водяных паров бесполезно теряется с уходящими в дымовую трубу продуктами сгорания.

Взаимосвязь высшей и низшей теплоты сгорания для рабочеймассы топлива определяется уравнением

Для сравнения различных видов топлива по величине теплоты сгорания введено понятие "условное топливо" (у. т.). Условным считают топливо, низшая теплота сгорания которого при рабочей массе равна 293 кДж/кг для твёрдого и жидкого топлива или 29300 кДж/м3 для газообразного топлива. В соответствии с этим каждое топливо имеет свой тепловой эквивалент Эт = QНР / 29300.

Перевод расхода рабочего натурального топлива в условное производится по уравнению

Вусл = Эт? Вт.

Краткая характеристика отдельных видов топлива приведена в табл.1.2.

Таблица 1.2. Характеристика топлива

Особо следует отметить низшую теплоту сгорания в кДж/кг мазута - 38000...39000, природного газа - 34000...36000, попутного газа - 50000...60000. Кроме того, это топливо практически не содержит влаги и минеральных примесей.

Перед подачей топлива в топку производят его подготовку. Особенно сложна система приготовления твердого топлива, которое последовательно проходит очистку от механических примесей и посторонних предметов, дробление, сушку, пылеприготовление, перемешивание с воздухом.

Система подготовки жидкого и особенно газообразного топлива значительно проще. Кроме тоготакое топливо экологически более чистое, практически не имеет зольности.

Простота транспортировки, легкость автоматизации управления процессами горения, высокая теплота сгорания обусловливают перспективность использования в энергетике природного газа. Однако запасы этого сырья ограничены.

Водоподготовка. Вода, являясь теплоносителем на ТЭС, непрерывно циркулирует по замкнутому контуру. При этом особое значение имеет очистка воды, подаваемой в котел. Конденсат от паровой турбины (рис.1.3) поступает в систему 10 очистки от химических примесей (химводоочистка - ХВО) и свободных газов (деаэрация). В технологическом цикле вода -пар-конденсат неизбежны потери. Поэтому от внешнего источника 15 (пруд, река) через водозабор 16 производится подпитка водяного тракта. Вода, поступающая в котел, предварительно подогревается в экономайзере (теплообменнике) 17 уходящими продуктами сгорания.

Паровой котел. Котел является парогенератором на ТЭС. Основные конструкции представлены на рис.1.4.

Котел барабанного типа имеет стальной барабан 1, в верхней части которого собирается пар. Питательная вода подогревается в экономайзере 2, находящемся в камере 3 уходящих газов, и поступает в барабан. Коллектор 4 замыкает паро-водяной цикл котла. В топочной камере 5 горение топлива при температуре 1500. ..20000С обеспечивает закипание воды. По стальным подъемным трубам 6, имеющим диаметр 30...90 мм и покрывающим поверхность топочной камеры, вода и пар поступают в барабан. Пар из барабана через трубчатый пароперегреватель 7 подается в турбину. Пароперегреватель может выполняться двух - трехступенчатым и предназначен для дополнительного нагрева и сушки пара. Система имеет опускные трубы 8, по которым вода из нижней части барабана опускается в коллектор.

В котле барабанного типа обеспечивается естественная циркуляция воды и пароводяной смеси за счет их разной плотности.

Такая система позволяет получить докритические параметры пара (критической называется точка состояния, в которой исчезает различие в свойствах жидкости и пара): давление до 22,5 МПа, а практически не более 20 МПа; температура до 374°С (без пароперегревателя). При большем давлении нарушается естественная циркуляция воды и пара. Принудительная циркуляция пока не нашла применения в мощных барабанных котлах из-за своей сложности. Поэтому котлы данного типа используются в энергоблоках мощностью до 500 МВт при паропроизводителъности до 1600 тонн в час.

В котле прямоточного типа специальные насосы осуществляют принудительную циркуляцию воды и пара. Питательная вода насосом 9 через экономайзер 2 подается в трубы-испарители 10,где превращается в пар. Через пароперегреватель 7 пар поступает в турбину. Отсутствие барабана и принудительна циркуляция воды и пара позволяют получить сверхкритические параметры пара: давление до 30 МПа и температуру до 590°С. Это соответствует энергоблокам мощностью до 1200 МВт и паропроизводителъности до 4000 т/ч.

Котлы, предназначенные только для теплоснабжения и устанавливаемые в местных или районных котельных, выполняются на тех же принципах, что рассмотрены выше. Однако параметры теплоносителя, определяемые требованиями потребителей тепла, существенно отличаются от рассмотренных ранее (некоторые технические характеристики таких котлов приведены в табл.1.3).

Таблица 1.3. Технические данные котлов отопительных систем

Например, котельные, пристроенные к зданиям, допускают применение котлов с давлением пара до 0,17 МПа и температурой воды до 1150С, а максимальная мощность встроенных котельных не должна превышать 3,5 МВт при работе на жидком и газообразном топливе или I,7 МВт при работе на твёрдом топливе. Котлы отопительных систем различаются по виду теплоносителя (вода, пар), по производительности и тепловой мощности, по конструкции (чугунные и стальные, малометражные и шатровые и др.).

Эффективность работы системы парогенерации или подготовки горячей воды во многом определяется коэффициентом полезного действий (КПД) котлоагрегата.

В общем случае КПД парового котла и расход топлива определяются выражениями:

Кг/с, (1.1)

где hk - КПД парового котла, %; q2, q3, q4, q5, q6 - потеря теплоты соответственно с уходящими газами, химическим недожогом, механическим недожогом, на наружное охлаждение, со шлаком, %; В - полный расход топлива, кг/с; QПК - теплота, воспринятая рабочей средой в паровом котле, кДж/м; - располагаемая теплота поступающего в топку топлива, кДж/кг.

Рис.1.4.

а - барабанного типа; б - прямоточного типа

1- барабан; 2 - экономайзер; 3 - камера уходящих газов; 4 - коллектор; 5 - топочная камера; 6 - подъёмные трубы; 7 - пароперегреватель; 8 - опускные трубы; 9 - насос; 10 - трубы-испарители

Если теплота уходящих газов не используется, то

а при разомкнутой системе сушки топлива уходящими газами

где Нух, Нотб, - энтальпия соответственно уходящих газов, газов в месте отбора на сушку и холодного воздуха, кДж/кг; r - доля отбора газов на сушку; ?yx - избыток воздуха в уходящих газах.

Энтальпия газа при температуре Т численно равна количеству теплоты, которое подведено к газу в процессе нагревания его от нуля градусов Кельвина до температуры Т при постоянном давлении.

При разомкнутой системе сушки все данные о топливе относят к подсушенному топливу.

В этом случае расход сырого топлива при изменении влажности от WР до Wсуш составляет

где Всуш - расход подсушенного топлива по (1.1), кг/с; Wсуш, WР - влажность подсушенного и неподсушенного топлива, %.

При изменении влажности меняется и низшая теплота сгораниятоплива от до:

КДж/кг (1.4)

Низшая теплота сгорания соответствует количеству теплоты, выделяемой топливом при полном его сгорании без учёта теплоты, затрачиваемой на образование водяных паров, которые находятся в продуктах сгорания.

Полная располагаемая теплота поступающего в топку топлива

КДж/кг, (1.5)

где - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; - дополнительная теплота, вносимая в котел подогретым снаружи воздухом, паровым дутьем и т.д., кДж/кг.

Для ориентировочных расчетов.

Теплота, воспринимаемая рабочей средой в паровом котле

КДж/с, (1.6)

где Dп - паропроизводительность котла, кг/с; hпп, hпв - энтальпия перегретого пара и питающей воды, кДж/кг; ?Qпк - дополнительно воспринимаемая теплота при наличии в котле пароперегревателя, продувки водой и т.д., кДж/с.

Для ориентировочных расчетов?Qпк=0,2…0,3 Dп(hпп - hпв).

где?ун- доля уноса золы с продуктами сгорания; Ншл - энтальпия шлака, кДж/кг; АР - рабочая зольность топлива, %.

Значения q3, q4, q5, Wр, Aр, приводятся в специальной литературе, а также в учебных пособиях .

При твердом шлакоудалении можно принять?ух=1,2…1,25; ?ун=0,95; Ншл=560 кДж/кг.

Кроме того, при температуре воздуха перед котлом 300С =223 кДж/кг, а при температуре уходящих газов 1200С Нух=1256 кДж/кг.

Пример расчета. Определить КПД и расход топлива для парового котла при следующих условиях: Dп=186 кг/с; топливо - подсушенный Березовский угль с Wсуш=13%; разомкнутая система сушки, r=0,34; отбираемый на сушку газ имеет Нотб=4000кДж/кг; энтальпия перегретого пара и питательной воды соответственно hпп =3449 кДж/кг, hпв=1086,5 кДж/кг.

Решение. Предварительно по (1.4) определяется низшая теплота сгорания подсушенного топлива.

Здесь Wр=33% и =16200 кДж/кг приняты по .

Принимая по (1.5)

находим по (1.2)

По находим: q3=1%, q4=0,2%, q5=0,26% и с учётом (1.7)

Для расчета расхода топлива по (1.6) находим

Расход подсушенного топлива по (1.1)

Расход сырого топлива при Wр =33% по (1.3) составляет

Паровая турбина. Это тепловой двигатель, в котором энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора (вала) и закреплённых на нём рабочих лопаток. Упрощенная схема устройства паровой турбины приведена на рис.1.5. На валу 1 турбины крепятся диски 2 с рабочими лопатками 3. На эти лопатки из сопла 4 подаётся пар из котла, подводимый по паропроводу 5. Энергия пара приводит во вращение рабочее колесо турбины, а вращение вала передаётся через муфту 6 валу 7 синхронного генератора. Отработавший пар через камеру 8 направляется в конденсатор.

Паровые турбины по конструкции разделяются на активные и реактивные. В активной турбине (рис.1.5в) объем пара V2 при входе на рабочие лопатки равен объёму пара V3 при выходе с лопаток. Расширение объёма пара от V1 до V2 происходит только в соплах. Там же изменяется давление от р1 до p2 и скорость пара от с1 до с2. В этом случае остаётся неизменным давление пара на входе р2 и выходе р3 с лопаток, а скорость пара падает от с2 до с3 за счет передачи кинетической энергии пара лопаткам турбины:

Gп?(с2-с3)2 / 2 Gт?ст2 / 2,

где Gп, Gт - масса пара и рабочего колеса турбины; с2, с3, ст - скорость пара на входе и выходе с лопаток и скорость перемещения рабочего колеса.

Конструкция лопаток реактивной турбины такова (рис.1.5г), что пар расширяется не только в соплах от V1 до V2, но и между лопатками рабочего колеса от V2 до V3. При этом изменяется давление пара от р2 до р3 и скорость пара от с2 до с3. Поскольку V2p3 и в соответствии с первым законом термодинамики элементарная работа расширения единицы пара

где F - площадь лопатки, м2; (р2 - р3) - разность давления на входе и выходе с лопаток, Па; dS - перемещение лопатки, м.

При этом - работа, используемая для вращения рабочего колеса турбины. Таким образом, в реактивных турбинах помимо центробежных сил, возникающих при изменении скорости движения пара, на лопатки действуют реактивные силы, вызванные расширением пара.

Современные турбины выполняются как активными, так и реактивными. В мощных агрегатах параметры пара на входе приближается к значениям 30 МПа и 6000С. При этом истечение пара из сопла происходит со скоростью, превышающей скорость звука. Это ведёт к необходимости большой частоты вращения ротора. Возникают огромные центробежные силы, действующие на вращающиеся части турбины.

Практически частота вращения ротора, обусловленная конструктивными особенностями, как самой турбины, так и синхронного генератора, составляет 3000 1/мин. При этом линейная скорость на окружности колеса турбины диаметром один метр составляет 157 м/с. В этих условиях частицы стремятся оторваться с поверхности колеса с силой в 2500 раз превышающей их вес. Инерционные нагрузки уменьшают применением ступеней скорости и давления. Каждой ступени отдаётся не вся энергия пара, а только часть ее. Это обеспечивает и оптимальный теплоперепад на ступени, который составляет 40...80 кДж/кг при окружной скорости 140...210 м/с. Общий теплоперепад, срабатываемый в современных турбинах, составляет 1400...1600 кДж/кг.

По конструктивным соображениям 5...12 ступеней группируются в одном корпусе, который называют цилиндром. Современная мощная турбина может иметь цилиндр высокого давления (ЦВД) с давлением пара на входе 15...30 МПа, цилиндр среднего давления (ЦСД) с давлением 8...10 МПа и цилиндр низкого давления (ЦНД) с давлением 3...4 МПа. Турбины мощностью до 50 МВт обычно выполняются в одном цилиндре.

Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор для охлаждения и конденсации. В трубчатый теплообменник конденсатора подаётся охлаждающая вода с температурой 10...15°С, что способствует интенсивной конденсации пара. С этой же целью давление в конденсаторе поддерживается в пределах 3...4 кПа. Охлаждённый конденсат вновь подаётся в котёл (рис.1.5), а охлаждающая вода, нагревшаяся до 20...25°С, удаляется из конденсатора. Если вода для охлаждения забирается из водоёма и затем безвозвратно сбрасывается, система называется разомкнутой прямоточной. В замкнутых системах охлаждения вода, нагревшаяся в конденсаторе, подается насосами на градирни - конусообразные башни. С верхней части градирен с высоты 40…80 м вода струится вниз, охлаждаясь при этом до необходимой температуры. Затем вода снова поступает в конденсатор.

Обе системы охлаждения имеют свои достоинства и недостатки и находят применение на электростанциях.

Рис.1.5. Устройство паровой турбины:

а - рабочее колесо турбины; б - схема трехступенчатой активной турбины; в - работа пара в активной ступени турбины; г - работа пара в реактивной ступени турбины.

1 - вал турбины; 2 - диски; 3 - рабочие лопатки; 4 - сопла; 5 - паропровод; 6 - муфта; 7 - вал синхронного генератора; 8 - камера отработавшего пара.

Турбины, у которых весь поданный в них пар после совершения работы поступает в конденсатор, называются конденсационными и используются для получения только механической энергии с последующим преобразованием её в электрическую. Такой цикл называется конденсационным, используется на ГРЭС и КЭС. Пример конденсационной турбины - К300-240 мощностью 300 МВт с начальными параметрами пара 23,5 МПа и 600°С.

В теплофикационных турбинах часть пара отбирается до конденсатора и используется для подогрева воды, которая затем направляется в систему теплоснабжения жилых, административных, производственных зданий. Цикл называется теплофикационным и используются на ТЭЦ и ГРЭС. Например, турбина Т100-130/565 мощностью 100 МВт на начальные параметры пара 13 МПа и 5650С имеет несколько регулируемых отборов пара.

Промышленно-теплофикационные турбины имеют конденсатор и несколько регулируемых отборов пара для теплофикационных и промышленных нужд. Они используется на ТЭЦ и ГРЭС. Например, турбина П150-130/7 мощностью 50 МВт на начальные параметры пара 13 МПа и 5650С обеспечивает промышленный отбор пара при давлении 0,7 МПа.

Турбины с противодавлением работают без конденсатора, а весь отработавший пар поступает теплофикационным и промышленным потребителям. Цикл называется противодавленческим, а турбины используются на ТЭЦ и ГРЭС. Например, турбина Р50-130/5 мощностью 50 МВт на начальное давление пара 13 МПа и конечное давление (противодавление) 0,5 МПа с несколькими отборами пара.

Использование теплофикационного цикла позволяет достичь на ТЭЦ КПД до 70% с учетом отпуска тепла потребителям. При конденсационном цикле КПД составляет 25...40% в зависимости от начальных параметров пара и мощности агрегатов. Поэтому КЭС размещаются в местах добычи топлива, что снижает затрата на транспортировку, а ТЭЦ приближаются к потребителям тепла.

Синхронные генераторы. Конструкция и характеристики этой машины, преобразующей механическую энергию в электрическую, подробно рассматриваются в специальных дисциплинах. Поэтому ограничимся общими сведениями.

Основные элементы конструкции синхронного генератора (рис.1.6): ротор 1, обмотка 2 ротора, статор 3, обмотка 4 статора, корпус 5, возбудитель 6 - источник постоянного тока.

Неявнополюсной ротор быстроходных машин - турбогенераторов (n = 3000 1/мин) выполняется из листовой электротехнической стали в форме цилиндра, находящегося на валу 7. Тихоходные машины - гидрогенераторы (n ? 1500 1/мин) имеют явнополюсный ротор (показан пунктиром). В пазах на поверхности ротора располагается медная изолированная обмотка, подключённая с помощью скользящих контактов 8 (щёток) к возбудителю. Статор представляет собой полный цилиндр из электротехнической стали, на внутренней поверхности которого в пазах располагаются три фазные обмотки - А, В, С. Обмотки выполняется медным изолированным проводом, идентичны друг другу и имеют осевую симметрию, занимая секторы по 120°. Начала фазных обмоток А, В, С через изоляторы выводятся наружу, а концы обмоток Х, У, Z соединяются в общую точку N - нейтраль.

Работа генератора происходит следующим образом. Ток возбуждения iB в обмотке ротора создает магнитный поток Ф, пересекающий обмотки статора. Вал генератора приводится во вращение турбиной. Тем самым обеспечивается равномерное вращение магнитного поля ротора с угловой частотой?=2?f, где f - частота переменного тока, 1/с - Гц. Для получения частоты переменного тока 50 Гц при числе пар магнитных полюсов р необходима частота вращения ротора n=60?f /p.

При р = 1, что соответствует наявнополюсному ротору, n= 3000 1/мин. Вращающееся магнитное поле пересекая обмотки статора наводит в них электродвижущую силу (ЭДС). В соответствии с законом электромагнитной индукции мгновенное значение ЭДС

где w - число витков.

ЭДС в обмотках статора наводятся синхронно с изменением магнитного поля по мере вращения ротора.

Рис.1.6.

а - конструкция генератора; б - схема соединения обмоток;

в - ЭДС на выводах обмоток генератора

1 - ротор; 2 - обмотка ротора; 3 - статор; 4 - обмотка статора; 5 - корпус; 6 - возбудитель; 7 - вал (ось) ротора; 8 - контактные кольца

При равномерном вращении ротора и осевой симметрии обмоток статора мгновенные значения фазных ЭДС равны:

где ЕМ - амплитудное значение ЭДС.

Если к выводам обмоток статора генератора подключена электрическая нагрузка Z во внешней цепи протекает электрически ток

где - напряжение на выводах обмоток при протекании в них тока i и сопротивлении обмотки статора Zвн.

На практике удобнее использовать не мгновенные, а действующие значения электрических величин. Необходимые соотношения известны из курса физики и теоретических основ электротехники.

Работа генератора во многом зависит от режима возбуждения и охлаждения машины. Различные системы возбуждения (независимое и самовозбуждение, электромашинное и тиристорное и т.д.) позволяют изменять величину iB и, следовательно, магнитного потока Ф и ЭДС в обмотках статора. Это даёт возможность регулировать напряжение на выводах генератора в определённых пределах (обычно ±5%).

Величина активной мощности, отдаваемой турбогенератором в электрическую сеть, определяется мощностью на валу турбины и регулируется подачей в турбину пара.

В процессе работы генератора происходит его нагрев, прежде всего из-за выделения тепла в обмотках, обтекаемых током. Поэтому существенное значение имеет эффективность системы охлаждения.

Генераторы малой мощности (1...30 МВт) имеют воздушное охлаждение внутренних поверхностей по проточной (разомкнутой) или регенеративной (замкнутой) схеме. На генераторах средней мощности (25...100 МВт) применяют поверхностное водородное охлаждение по замкнутой схеме, что более эффективно, но требует применения специальных мер безопасности. Мощные генераторы (более 100 МВт) имеют форсированное водородное, водяное или масляное охлаждение, при котором охладитель прокачивается под давлением внутри статора, ротора, обмоток по специальным полостям (каналам).

Основные технические характеристики генераторов: номинальное напряжение на выводах обмотки статора генератора, Uном: 6,3-10,5-21 кВ (бoльшие значения соответствуют более мощным генераторам); номинальная активная мощность, Рном, МВт; номинальный коэффициент мощности; номинальный КПД, составляющий 90...99%.

Эти параметры связаны между собой:

Собственные нужды электростанций. Не вся электрическая и тепловая энергия, произведённая на ТЭС, отдаётся потребителям. Часть остаётся на станции и используется для обеспечения её работы. Основными потребителями этой энергии являются: система транспортировки и подготовки топлива; насосы подачи воды, воздуха; система очистки воды, воздуха, уходящих газов и др.; отопление, освещение, вентиляция бытовых и производственных помещений, а также целый ряд других потребителей.

Многие элементы собственных нужд относятся к первой категории по надёжности электроснабжения . Поэтому они подключаются, по крайней мере, к двум независимым источникам энергии, например, к источникам на своей станции и к энергосистеме.

Распределительное устройство. Электроэнергия, выработанная генераторами, собирается на распределительном устройстве (РУ), а затем распределяется между потребителями. Для этого выводы обмоток статоров генераторов через специальные коммутационные аппараты (выключатели, разъединители и др.) жесткими или гибкими проводниками (шинами) присоединяются к сборным шинам РУ. Каждое присоединение в РУ осуществляется посредством специальной ячейки, содержащей необходимый комплект аппаратуры. Поскольку передача, распределение и генерация электроэнергии, а также ее потребление происходят при разном напряжении, на станции есть несколько РУ. На номинальное напряжение генераторов, например, 10,5 кВ, выполняется РУ генераторного напряжения. Обычно оно находится в здании станции и по конструкции является закрытым (ЗРУ). К этому РУ подключаются близко расположенные потребители. Для передачи электроэнергии по линиям электропередачи (ЛЭП) на большие расстояния и связи с другими станциями и системой необходимо использовать напряжение 35...330 кВ. Такая связь осуществляется с помощью отдельных РУ, обычно открытого исполнения (ОРУ), где устанавливаются повышающие трансформаторы. Для подключения потребителей собственных нужд служит - РУСН. С шин РУСН электроэнергия непосредственно и через понижающие трансформаторы передаётся потребителям на электростанции.

Схожие принципы используются и при распределении тепловой энергии, вырабатываемой на ТЭЦ. Специальные коллекторы, паропроводы, насосы обеспечивают подачу тепла промышленным и коммунальным потребителям, а также в систему собственных нужд.

Интерактивное приложение «Как работает ТЭЦ»

На картинке слева - электростанция « Мосэнерго» , где вырабатывается электроэнергия и тепло для Москвы и области. В качестве топлива используется самое экологически чистое топливо - природный газ. На ТЭЦ газ поступает по газопроводу в паровой котел. В котле газ сгорает и нагревает воду.

Чтобы газ лучше горел, в котлах установлены тягодутьевые механизмы. В котел подается воздух, который служит окислителем в процессе сгорания газа. Для снижения уровня шума механизмы снабжены шумоглушителями. Образовавшиеся при горении топлива дымовые газы отводятся в дымовую трубу и рассеиваются в атмосфере.

Раскаленный газ устремляется по газоходу и нагревает воду, проходящую по специальным трубкам котла. При нагревании вода превращается в перегретый пар, который поступает в паровую турбину. Пар поступает внутрь турбины и начинает вращать лопатки турбины, которые связаны с ротором генератора. Энергия пара превращается в механическую энергию. В генераторе механическая энергия переходит в электрическую, ротор продолжает вращаться, создавая в обмотках статора переменный электрический ток.

Через повышающий трансформатор и понижающую трансформаторную подстанцию электроэнергия по линиям электропередач поступает потребителям. Отработавший в турбине пар направляется в конденсатор, где превращается в воду и возвращается в котел. На ТЭЦ вода движется по кругу. Градирни предназначены для охлаждения воды. На ТЭЦ используются вентиляторные и башенные градирни. Вода в градирнях охлаждается атмосферным воздухом. В результате выделяется пар, который мы и видим над градирней в виде облаков. Вода в градирнях под напором поднимается вверх и водопадом падает вниз в аванкамеру, откуда поступает обратно на ТЭЦ. Для снижения капельного уноса градирни оснащены водоуловителями.

Водоснабжение осуществляется от Москвы-реки. В здании химводоочистки вода очищается от механических примесей и поступает на группы фильтров. На одних она подготавливается до уровня очищенной воды для подпитки теплосети, на других - до уровня обессоленной воды и идет на подпитку энергоблоков.

Цикл, используемый для горячего водоснабжения и теплофикации, также замкнутый. Часть пара из паровой турбины направляется в водонагреватели. Далее горячая вода направляется в тепловые пункты, где происходит теплообмен с водой, поступающей из домов.

Высококлассные специалисты « Мосэнерго» круглосуточно поддерживают процесс производства, обеспечивая огромный мегаполис электроэнергией и теплом.

Как работает парогазовый энергоблок