Способы производства тепловой энергии

2 Билет

2)Методы производства тепловой энергии.

В соответствии с этим имеются следующие методы производства тепловой энергии:

1) метод сжигания органического топлива в окислительной среде, в основе которого лежат экзотермические химические реакции, сопровождающиеся образованием газообразных продуктов реакции с высокой температурой, теплота от которых передается другому теплоносителю (воде пли водяному пару), более удобному для дальнейшего использования;

2) метод, основанный на самоуправляющейся цепной ядерной реакции деления тяжелых ядер трансурановых элементов под действием нейтронов с последующим преобразованием образующейся ядерной энергии в тепловую энергию теплоносителя, вводимого в активную зону реактора; таким теплоносителем обычно является вода или водяной пар, в перспективе им может стать и гелий;

3) метод преобразования электрической энергии в тепловую путем разогрева нагревателя с высоким электросопротивлением с последующей передачей теплоты от этого нагревателя рабочему телу (газу или жидкости) путем теплопереноса;

4) метод преобразования солнечной энергии б тепловую в специальных устройствах, воспринимающих энергию Солнца, — гелиоприемниках с последующей передачей от них теплоты рабочему телу — воде или воздуху;

5) метод, основанный на передаче теплоты от геотермальных вод, в теплообменнике к рабочему телу, нагреваемому за счет тепловой энергии этих вод до заданных параметров и направляемому потребителю;

6) метод преобразования тепловой энергии теплоносителя с низким энергетическим потенциалом в высокопотенциальную тепловую энергию другого теплоносителя с затратами некоторого количества других видов энергии, подводимых извне (например, электроэнергии в тепловых насосах и т. д.). Эффективность и область использования каждого из методов определяются совершенством технологической схемы преобразования энергии, стоимостью исходного источника энергии, а также параметрами, которые должен иметь теплоноситель, направляемый потребителю.

21. Сжигание топлива в потоке воздуха.

Скорость воздуха и топлива примерно равная. При скорости газового потока, превышающей скорость витания частиц, они выносятся из слоя, оказываются взвешенными в казовоздужном потоке и начинают перемешиваться вместе с ним, сгорая во время движения в пределах топочного объема. Поскольку время движения топлива ограничено размерами топочного объема.

Для обеспечения необходимой степени выгорания, твердое топливо подвергают тщательной подготовке. Его измельчают до пылевидного состояния. Жидкое распылевают каплей микронных размеров. Газообразное, либо предварительно перемешивают с окислителем заранее, либо перемешивают при вводе в топочный объем.

В связи с тем, что скорость частиц (капель или газовых объемов (молей)) в факеле, практически равна средней скорости потока, этот способ сжигания отличается достаточно слабой интенсивностью. (см кривые О2 и СО2), растянутый зоной горенья и резкой неизотермичностью по длине факела. Малая концентрация топлива, в топочном объеме, в сочетании с большой протяжённостью зоны горения является причиной относительно-низки тепловых напряжений на единицу объема.

не превышающем 0,12 — 0,46 Мвт / м3

При сжигании топлива движущегося в потоке воздуха, необходимо обеспечить высокую температуру среды в зоне воспламенения, (870-2100 кельвинов, в зависимости от видов топлива) Для тех углей, у которых высокий выход летучих не нужны большие температуры для воспламенения и наоборот.

Высокая температура достигается внутренней или внешней рециркуляцией (возвратным к истоку путем) продуктов сгорания газообразных продуктов к корню факела, а так же к разделениию вводимого воздуха на пераичный (для воспламенения) и вторичный, для обемпечению топлива

Необходимой интенсивности перемешивания топлива, при сжегании в потоке достигают установкой специальных горелочных устройств, у с уввеличением избытка возжеха, (до 25% к теоретически необходимому при сжегании твердого топлива) Тем не менее, тепловые потери с механической неполнотой сгорания, при этом способе сжегания, состовляет от 0,5 до 6 проценто (антрацит)

а с химической неполнотой сгорания до 1,5 процентов

При факельном сжегании топлива в центра факела, его ядре, образуются высокие температуры 1800-2300 кеьвинов, что в сочитании со слабым перемешиванием потоков приводит к опасности шлакования стенок топочного объема. При сжегании твердого топлива и образовании вредных выбрасов (продуктов химической неполноты сгорания — окислов серы, азота и др)

Способ очень чувствителен вк входным условиям: степени измельчения массы топлива, избытку воздуха, степени подогрева воздуха и т.д. В тоже время этот способ сжигание позволяет создать топочные устройства с единичной тепловой мощностью от 2,8 до 3000 МВт при полной автоматизации процесса сжигание. Именно поэтому этот способ нашел широкое применение в топочной технике во всех отраслях промышленности.

Источник

Способы получения тепловой энергии

При оуществлеиии технологических процессов наиболее часто используются тепло­вая и электрическая энергии. Многим отраслям промышленности: химической, металлурги­ческой, текстильной, пищевой и др. — тепло необходимо для технологических целей. При­мерно 50 % добываемого топлива расходуется на тепловые нужды предприятий. 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. Горячая вода необходима и для отопления жилых зданий.

Тепловая энергия в виде пара указанных параметров и горячей воды может произво­диться централизованно на ТЭЦ и в крупных котельных или децентрализованно на заво­дских мини-ТЭЦ и в индивидуальных котельных. Для получения тепловой энергии служат различного вида паровые котлы и котлоагрегаты.

В водотрубных котлах почти вся вода сосредоточена в многочисленных тонких и длинных трубах, нагреваемых горячими газами. Трубы в котлах расположены вертикально или горизонтально и соединены с небольшого диаметра барабанами, в которых пар отделя­ется от воды. Увеличение поверхности нагрева водотрубных котлов позволило значительно повысить паропроизводительность, увеличить давление пара, коэффициент полезного дей­ствия горячих газов до 90 %.

В прямоточных котлах барабаны для отделения пара от воды отсутствуют. Вода пе­реходит в пар по мере перемещения по трубам. Количество труб, которые имеют криволи­нейную форму, составляет несколько десятков, их длина может составлять более тысячи метров.

В котельном агрегате конструктивно объединён в единое целое комплекс устройств для получения под давлением пара или горячей воды за счёт сжигания топлива. Главной частью агрегата являются топочная камера и газоходы, в которых размещены поверхности нагрева, воспринимающие тепло продуктов сгорания топлива (пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель). Элементы котлоагрегата опираются на каркас и за­щищены от потерь тепла обмуровкой и изоляцией. Котлоагрегаты применяются на тепло­вых электростанциях для снабжения паром турбин, в промышленных и отопительных ко­тельных для выработки пара и горячей воды на технологические и отопительные нужды, в судовых котельных установках. Конструкция котлоагрегата зависит от его назначения, вида применяемого топлива и способа сжигания, единичной паропроизводительности, а также от давления и температуры вырабатываемого пара.

В топочной камере происходят сгорание топлива и частичное охлаждение продуктов сгорания в результате лучистого теплообмена между нагретыми газами и покрывающими стены топочной камеры трубами, по которым циркулирует вода или пар. Система этих труб образует топочный экран. На выходе из топки газы имеют температуру порядка 1000 °С. Для дальнейшего охлаждения газов на их пути устанавливают трубчатые поверхности на­грева (пароперегреватели), выполняемые обычно в виде ширм — трубчатых змеевиков, со­бранных в плоские пакеты. Теплообмен в ширмовых поверхностях осуществляется излуче­нием и конвекцией, поэтому эти поверхности называются полурадиационными. Пройдя ширмовый пароперегреватель, газы с температурой 800 — 900 °С поступают в конвектив­ные пароперегреватели высокого и низкого давления, представляющие собой пакеты труб. Теплообмен в этих и последующих поверхностях нагрева осуществляется в основном кон­векцией, и они называются конвективными.

После пароперегревателя на пути газов, имеющих температуру 600 — 700 °С, уста­навливается водяной экономайзер, далее воздухоподогреватель, в котором газы (в зависи­мости от вида сжигаемого топлива) охлаждаются до 130 — 170 °С. Дальнейшему снижению температуры уходящих газов и полезному использованию их тепла для нагрева рабочей среды препятствует конденсация на поверхностях нагрева паров воды и серной кислоты, которые образуются при сжигании сернистых топлив. При этом происходит интенсивное загрязнение поверхностей нагрева золовыми частицами. Охлаждённые газы, пройдя уст­ройства очистки от золы и в некоторых случаях от серы, выбрасываются дымовой трубой в атмосферу. Твёрдые продукты сгорания топлива, уловленные в агрегате, периодически или непрерывно удаляются через системы золо- и шлакоудаления. Для поддержания поверхно­стей нагрева в чистоте периодически производят их обдув и обмывку, вибро- и дробеочист- ку.

По характеру движения рабочей среды котлоагрегаты бывают с многократной есте­ственной или принудительной циркуляцией и прямоточные. В агрегатах с многократной циркуляцией рабочая среда непрерывно движется по замкнутому контуру, который состоит из обогреваемых и необогреваемых труб, соединённых между собой промежуточными ка­мерами — коллекторами и барабанами, и частично испаряется в обогреваемой части кон­тура. Образовавшийся пар отделяется от воды в барабане, а испарённая часть котловой во­ды возмещается водой, подаваемой насосом в водяной экономайзер и далее в барабан. Дви­жение рабочей среды по циркуляционному контуру в агрегатах с естественной циркуляци­ей осуществляется вследствие разности плотностей пароводяной смеси в обогреваемой (подъёмной) части контура и воды в необогреваемой или слабообогреваемой (опускной) его части. В котлоагрегатах с принудительной циркуляцией рабочая среда по контуру переме­щается под действием циркуляционного насоса. Непрерывное упаривание котловой воды в агрегатах с многократной циркуляцией приводит к возрастанию концентрации растворён­ных и взвешенных в ней примесей (солей, окислов, гидратов окислов), которые, откладыва­ясь на внутренней поверхности обогреваемых труб, ухудшают условия их охлаждения и могут стать причиной перегрева металла и аварии из-за разрыва труб. Кроме того, чрезмер­ное повышение концентрации примесей в котловой воде недопустимо из-за уноса их паром из барабана с капельками воды или в виде парового раствора в пароперегреватель, а также в турбину, где примеси оседают на лопатках турбомашины, уменьшая её КПД. Для исключе­ния возрастания концентрации примесей в котловой воде производятся непрерывные и пе­риодические продувки котла. Предельно допустимая концентрация примесей определяется конструкцией и параметрами котлоагрегата, составом воды и тепловыми напряжениями эк­ранных поверхностей нагрева.

В прямоточном агрегате нагрев, испарение воды и перегрев пара осуществляются за один проход среды по тракту. При такой организации процесса генерации пара примеси, содержащиеся в воде, не могут быть выведены продувкой части котловой воды и часть примесей осаждается на внутренней поверхности труб, а часть (вместе с паром) поступает в турбину, где откладываясь на лопатках. Поэтому к воде, используемой для прямоточных агрегатов, предъявляются более строгие требования в отношении качества, поэму на пред­варительно обрабатывается в системе водоподготовки.

В энергетических установках для повышения экономичности используются схемы с вторичным (промежуточным) перегревом; пар после срабатывания части его тепловой энергии в турбине возвращается в котлоагрегат, подвергается дополнительному перегреву в пароперегревателе низкого давления и вновь возвращается в турбину.

Котлоагрегаты значительной мощности представляют собой большие сооружения. Так, котлоагрегат для энергоблока мощностью 300 МВт имеет высоту более 50 м, занима­ет площадь более 1000 квадратных метров. Для его сооружения требуется около 4,5 тыс.

тонн металла, в том числе 3000 тонн труб, работаю под давлением более 25 МН/м (250

кг*с/см ). Коэффициент полезного действия таких агрегатов превышает 90 %.

Для обогрева и снабжения горячей водой отдельных зданий используются котлы не­большой мощности. В них используется жидкое, газообразное и твёрдое топливо. Конст­рукции и оснащение многих котлов позволяют переходить с одного вида топлива на другое. Вместо труб в таких котлах используются литые секции. КПД котлов достигает 95 %.

Источник

Основные способы генерации электроэнергии в России

Чтобы более точно прогнозировать производственные показатели, выручку и себестоимость генерирующих компаний для их последующего фундаментального анализа, необходимо понимать как производится электроэнергия и какие факторы влияют на ее выработку.

Производство электроэнергии

Невозобновляемые источники энергии:

Возобновляемые источники энергии:

Электрическая энергия, по большей части, образуется за счет механической энергии от вращения турбины. Отличия лишь в том, за счет чего приводится в движение эта турбина.

Производство электроэнергии можно разделить по способам получения на 2 основных типа: из невозобновляемых источников энергии (использование в качестве топлива такого сырья как природный газ, уголь, мазут или дизельное топливо) и из возобновляемых источников энергии, где в качестве ресурсов используется энергия воды, ветра, солнца и пр.

Еще есть атомная энергетика, где в качестве источника электроэнергии используется ядерная энергия, выделяемая при делении атомов. Подробно рассмотрен этот тип не будет, т.к. в России все атомные электростанции (АЭС) принадлежат государственной корпорации «Росатом», акции которой не котируются на Московской бирже.

Тепловая генерация

К производству электроэнергии из невозобновляемых источников относится тепловая генерация. Электричество производится на тепловых электростанциях (ТЭС), которые бывают двух типов: конденсационные (КЭС) и теплофикационные (ТЭЦ). Принцип работы одинаковый, а отличие лишь в том, что КЭС производят в основном электроэнергию, а ТЭЦ еще и тепловую энергию, используемую для отопления и горячего водоснабжения. КЭС называют ГРЭС — государственная районная электростанция, которые часто можно спутать с ГЭС — гидроэлектростанция, о них будет рассказано другой части статьи.

На данный момент тепловая генерация — это самый популярный способ производства энергии основными генерирующими компаниями, которые торгуются на Московской бирже («Интер РАО», «РусГидро», «Юнипро», «Мосэнерго», «ОГК-2», «ТГК-1», «Энел Россия»).

На картинке представлена схема работы компании «Мосэнерго»:

https://mosenergo.gazprom.ru/about/business-model/

В тепловой генерации, как следует из названия, приводит в движение турбину тепловая энергия в виде пара, которая образуется в результате сжигания органического топлива.

Более детальная схема работы ТЭЦ «Мосэнерго» представлена на картинке:

https://mosenergo.gazprom.ru/about/business-model/tpp-operation-sheme/

Еще более наглядно узнать про принцип работы ТЭЦ можно в коротком познавательном видео:

Все больше компаний, акции которых торгуются на Московской бирже, на своих ТЭС переходят на газ, как более экологически чистое топливо, постепенно отказываясь от угля и прочих видов топлива. Это важно, т.к. львиную долю в себестоимости генерирующих компаний составляет топливообеспечение, которое формируется в зависимости от цен, в основном, на газ.

Если ТЭЦ производят электроэнергию и тепло, то котельные производят только тепловую энергию, которая направляется потребителям для отопления помещений и обеспечения горячего водоснабжения.

Принцип работы котельной «Мосэнерго» представлен на рисунке:

https://mosenergo.gazprom.ru/about/business-model/boiler-operation-sheme/

Котельные существенно уступают в энергоэффективности ТЭЦ, которые вырабатывают еще и электроэнергию. Поэтому компании, у которых еще есть котельные постепенно от них отказываются, перенаправляя нагрузку на ТЭЦ, что позволяет повысить эффективность работы и экономит топливо.

Перейдем к рассмотрению производства электроэнергии благодаря возобновляемым источникам энергии. Так называемая «зеленая» энергия образуется за счет постоянно восстанавливающихся или неиссякаемым по человеческим меркам ресурсов. Это может быть поток воды, ветер, солнечный свет или тепловая энергия недр Земли.

Гидрогенерация

На гидроэлектростанциях (ГЭС) вращает турбину поток воды. Обычно строится плотина, которая перекрывает реку. В месте перекрытия образуется водохранилище. В плотине есть специальные водозаборные отверстия, через которые вода по трубам поступает к турбине, вращает ее и продолжает свой путь обратно в русло реки, расположенное ниже уровня водохранилища. Вращающаяся турбина приводит в движение генератор, который, непосредственно, и вырабатывает электроэнергию. Таким образом энергия водного потока преобразуется в электрическую.

Схема работы гидроэлектростанции (ГЭС):

https://www.kp.ru/best/krsk/metalenergy/

На динамику выработки электроэнергии ГЭС влияет уровень воды в водохранилищах. Чем он выше, тем больше выработка.

Из достоинств стоит отметить дешевизну электроэнергии по сравнению с тепловой генерацией.

В России явным лидером в гидрогенерации является «РусГидро».

Ветряная генерация

На ветряных электростанциях (ВЭС) в движение турбину приводит ветер. Ветряная электростанция представляет собой ветропарк, который состоит из нескольких ветрогенераторов. Принцип работы простой: ветер вращает лопасти, которые соединены с генератором, производящим электроэнергию. Необходимая скорость ветра для размещения ветряной электростанции составляет от 4,5 м/с. Так как скорость ветра возрастает с повышением высоты, то ВЭС стараются строить на возвышенности, а сами ветрогенераторы высотой 30-60 метров.

Схема работы ветрогенератора:

http://tdap.ru/press/news/podshipniki-dlya-vetrogeneratorov/

На российском рынке на ветряную генерацию делает ставку и активно развивает данное направление «Энел Россия».

Следующие виды генерации электроэнергии не используются в российской энергетике широко.

Солнечная генерация

Солнечные электростанции (СЭС) состоят из большого количества солнечных батарей, которые чаще всего представляют собой фотоэлемент, являющийся полупроводниковым устройством, преобразующим солнечную энергию в электрическую.

Отличительной особенностью от других видов генераций, является иной принцип преобразования энергии без использования турбин. Из недостатков следует отметить зависимость от погодных условий и времени суток, сезонность в средних и высоких широтах, необходимость использования довольно большой площади.

В России солнечную генерацию использует «РусГидро».

Геотермальная генерация

На геотермальных электростанциях (ГеоТЭС) электрическая энергия вырабатывается за счет тепловой энергии из недр Земли. Принцип работы аналогичен тепловым электростанциям, но нет необходимости в сжигании топлива, т.к. тепло уже имеется в виде пара или горячей воды, благодаря гейзерам.

В России ГеоТЭС расположены в Камчатском крае и принадлежат ПАО «Камчатскэнерго», которое входит в группу «РусГидро».

Ниже представлена сводная таблица с разбивкой установленных мощностей основных генерирующих компаний, представленных на Московской бирже, по видам производства энергии:

Источник