Как производится электроэнергия на тепловой электростанции (ТЭЦ)

Тепловые электростанции подразделяют на станции:

по виду приводного двигателя — паротурбинные, газотурбинные, с двигателями внутреннего сгорания;

по виду топлива — с твердым органическим топливом (уголь, дрова, торф), жидким топливом (нефть, бензин, керосин, дизельное топливо), работающие на газе.

На тепловых электростанциях энергия сжигаемого топлива преобразуется в тепловую энергию, которая используется для нагрева воды в котле и образования пара. Энергия водяного пара приводит во вращение паровую турбину, соединенную с генератором.

Тепловые электростанции, в которых пар полностью используется для получения электроэнергии, называются конденсационными электростанциями (КЭС). Мощные КЭС располагаются вблизи районов добычи топлива, удалены от потребителей электроэнергии, поэтому передача электроэнергии осуществляется при высоких напряжениях (220 — 750 кВ). Строятся электростанции блоками.

В городах широко используются теплофикационные электростанции или теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). На этих электростанциях пар, частично отработавший в турбине, используется для технологических нужд, а также для отопления и горячего водоснабжения в жилищно-коммунальном хозяйстве. Одновременное производство электрической и тепловой энергии снижает затраты на электро- и теплоснабжение по сравнению с раздельным производством электрической и тепловой энергии.

На тепловых электростанциях, для получения из воды большого количества пара под высоким давлением, используют тепло, образуемое в процессе сжигания органического топлива, такого как нефть, газ, уголь или мазут. Как понимаете, пар тут хотя и выступает теплоносителем из эпохи паровых машин, тем не менее он вполне способен вращать турбогенератор.

Пар из котла подается в турбину, с валом которого соединен генератор трехфазного переменного тока. Механическая энергия вращения турбины преобразуется в электрическую энергию генератора и передается потребителям на генераторном напряжении либо на повышенном напряжении через повышающие трансформаторы.

Давление подаваемого к турбине пара составляет порядка 23,5 МПа, при этом его температура может доходить до 560°С. А вода применяется на тепловой электростанции именно потому, что разогревается она типичным для таких станций ископаемым органическим топливом, запасы которого в недрах нашей планеты пока еще достаточно велики, хотя и дают огромный минус в виде вредных выбросов, загрязняющих окружающую среду.

Так вот, вращающийся ротор турбины сопряжен здесь с якорем турбогенератора огромной мощности (несколько мегаватт), который в конечном счете и генерирует электроэнергию на данной тепловой электростанции.

По энергоэффективности тепловые электростанции в принципе таковы, что преобразование тепла в электроэнергию осуществляется на них с КПД порядка 40%, при том очень большое количество тепла оказывается в худшем случае просто сброшенным в окружающую среду, а в лучшем — сразу же подается в системы отопления и горячего водоснабжения близлежащих потребителей. Таким образом, если высвобождаемое на электростанции тепло тут же используется для теплоснабжения, то КПД такой станции в целом достигает уже 80%, а станция называется теплоэлектроцентралью или ТЭЦ.

Самая обычная турбина генератора тепловой электростанции содержит на своем валу множество колес с лопатками, разнесенных в две отдельные группы. Пар под наиболее высоким давлением — тот, что выбрасывается из котла, он сразу попадает на проточную часть генераторной установки, где и вращает первую группу рабочих колес с лопатками. Далее этот же пар дополнительно подогревается в пароподогревателе, после чего попадает уже на вторую группу колес, работающих при давлении пара пониже.

В итоге турбина, напрямую связанная с ротором генератора, совершает 50 оборотов в секунду (с соответствующей частотой вращается и магнитное поле якоря, пересекающее обмотку статора генератора). Чтобы генератор не нагревался бы в процессе работы сверх меры, на станции реализована система охлаждения генератора, предотвращающая его перегрев.

Внутри котла тепловой электростанции установлена горелка, на которой сгорает топливо, образуя высокотемпературное пламя. К примеру, сжигаться может угольная пыль с подачей кислорода. Пламя охватывает большую площадь трубопровода сложной конфигурации с движущейся по нему водой, которая разогреваясь становится паром, вырывающимся наружу под высоким давлением.

Вырывающийся под высоким давлением водяной пар подается на лопатки турбины, передавая ей свою механическую энергию. Турбина вращается, и энергия механическая преобразуется в электрическую. Преодолев систему лопаток турбины, пар направляется в конденсатор, где попадая на трубы с холодной водой, он конденсируется, то есть снова становится жидкостью — водой. Такая тепловая электростанция называется конденсационной электростанцией (КЭС).

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), в отличие от конденсационных электростанций (КЭС), содержат в своем составе систему отбора тепла у пара, после того как он прошел через турбину и уже поспособствовал выработке электроэнергии.

Пар отбирается с разными параметрами, что зависит от вида конкретной турбины, при том количество отбираемого от турбины пара также регулируется. Отобранный для получения тепла пар конденсируется в сетевых подогревателях воды, где он отдает свою энергию воде из сети, а вода насосами направляется в пиковые водогрейные котельные и тепловые пункты. Далее вода подается в систему тепломагистралей.

При необходимости отбор тепла у пара на ТЭЦ может быть полностью перекрыт, тогда теплоэлектроцентраль превратится в обычную КЭС. Таким образом ТЭЦ способна работать в одном из двух режимов: в тепловом режиме — когда приоритет на выработку тепла или в электрическом — когда приоритет электричеству, например летом.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Тепловая электростанция ТЭС

Тепловая электростанция — это энергоустановка для преобразования энергии топлива в механическую энергию

ИА Neftegaz.RU. Тепловая электростанция ( тепловая электрическая станция) — энергетическая установка, на которой вырабатывается электрическая энергия за счет преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала электрогенератора.

1	Cooling tower	Градирня
2	Cooling water pump	Насос водяного охлаждения; Циркуляционный насос
3	Transmission line (3-phase)	Линия электропередачи (3-х фазная)
4	Step-up transformer (3-phase)	Повышающий трансформатор
5	Electrical generator (3-phase)	Электрогенератор; Электромашинный генератор
6	Low pressure steam turbine	Паровая турбина низкого давления
7	Condensate pump	Конденсатный насос
8	Surface condenser	Поверхностный конденсатор
9	Intermediate pressure steam turbine	Паровая турбины среднего давления
10	Steam control valve	Клапан регулировки подачи пара
11	High pressure steam turbine	Паровая турбина высокого давления
12	Deaerator	Деаэратор
13	Feedwater heater	Подогреватель питательной воды
14	Coal conveyor	Транспортёр угля
15	Coal hopper	Бункер угля
16	Coal pulverizer	Углеразмольная мельница; Мельница для измельчения угля
17	Boiler drum	Барабан котла
18	Bottom ash hopper	Шлаковый бункер
19	Superheater	Пароперегреватель; Перегреватель пара
20	Forced draught (draft) fan	Дутьевой вентилятор; Тягодутьевой вентилятор
21	Reheater	Промежуточный пароперегреватель
22	Combustion air intake	Заборник первичного воздуха; Заборник воздуха в топку
23	Economiser	Экономайзер
24	Air preheater	Предварительный воздухоподогреватель
25	Precipitator	Золоуловитель
26	Induced draught (draft) fan	Дымосос; Вытяжной вентилятор
27	Flue-gas stack	Дымовая труба
28	Feed pump	Питательный насос

Уголь транспортируется (14) из внешней шахты и измельчается в очень мелкий порошок крупными металлическими сферами в мельнице (16).

Там он смешивается с предварительно подогретым воздухом (24), нагнетаемым вентилятором поддува (20).

Горячая воздушно-топливная смесь принудительно, при высоком давлении, попадает в котел, где быстро воспламеняется.

Вода поступает вертикально вверх по трубчатым стенкам котла, где превращается в пар и поступает в барабан котла (17), в котором пар отделяется от оставшейся воды.

Пар проходит через коллектор в крышке барабана в подвесной подогреватель (19), где его давление и температура быстро возрастают до 200 бар и 570°С, достаточных для того, чтобы стенки труб светились тускло-красным цветом.

Затем пар поступает в турбину высокого давления (11), первую из трех в процессе генерации электроэнергии.

Клапан регулировки подачи пара (10) обеспечивает как ручное управление турбиной, так и автоматическое по заданным параметрам.

Пар выпускается из турбины высокого давления как со снижением давления, так температуры, после чего он возвращается на подогрев в промежуточный пароперегреватель (21) котла.

ТЭС — основной тип электростанций в России, доля вырабатываемой ими электроэнергии составляет 67% на 2000 г.

В промышленно развитых странах этот показатель доходит до 80%.

Тепловая энергия на ТЭС используется для нагрева воды и получения пара — на паротурбинных электростанциях или для получения горячих газов — на газотурбинных (ГТЭС).

Для получения тепла органическое топливо сжигают в котлоагрегатах ТЭС.

В качестве топлива используется:

• уголь, торф,
• природный газ,
• мазут, горючие сланцы.

1.1. Конденсационные электростанции (КЭС, исторически получили название ГРЭС — государственная районная электростанция)

1.2.Теплоэлектроцентрали (теплофикационные электростанции, ТЭЦ)

3.Электростанции на базе парогазовых установок

4.Электростанции на основе поршневых двигателей

Источник

Технологический процесс производства электроэнергии на электростанциях

Тепловые конденсационные электрические станции (КЭС)

На тепловых электростанциях химическая энергия сжигаемого топлива преобразуется в котле в энергию водяного пара, приводящего во вращение турбоагрегат (паровую турбину, соединенную с генератором). Механическая энергия вращения преобразуется генератором в электрическую. Топливом для электростанций служат уголь, торф, горючие сланцы, а также газ и мазут. В отечественной энергетике на долю КЭС приходится до 60% выработки электроэнергии.

Основными особенностями КЭС являются: удаленность от потребителей электроэнергии, что определяет в основном выдачу мощности на высоких и сверхвысоких напряжениях, и блочный принцип построения электростанции. Мощность современных КЭС обычно такова, что каждая из них может обеспечить электроэнергией крупный район страны. Отсюда еще одно название электростанций этого типа — государственная районная электрическая станция (ГРЭС).

Рис.1. Общий вид современной КЭС
1 — главный корпус, 2 — вспомогательный корпус,
3 — открытое распределительное устройство, 4 — склад топлива

Рис.2. Принципиальная технологическая схема КЭС
1 — склад топлива и система топливоподачи,
2 — система топливоприготовления, 3 — котел,
4 — турбина, 5 — конденсатор, 6 — циркуляционный насос,
7 — конденсатный насос, 8 — питательный насос,
9 — горелки котла, 10 — вентилятор, 11 — дымосос,
12 — воздухоподогреватель, 13 — водяной экономайзер,
14 — подогреватель низкого давления, 15 — деаэратор,
16 — подогреватель высокого давления.

На рис.1 показан общий вид современной КЭС, а на рис.2 — упрощенная принципиальная технологическая схема энергоблока КЭС. Энергоблок представляет собой как бы отдельную электростанцию со своим основным и вспомогательным оборудованием и центром управления — блочным щитом. Связей между соседними энергоблоками по технологическим линиям обычно не предусматривается. Построение КЭС по блочному принципу дает определенные технико-экономические преимущества, которые заключаются в следующем:

• облегчается применение пара высоких и сверхвысоких параметров вследствие более простой системы паропроводов, что особенно важно для освоения агрегатов большой мощности;
• упрощается и становится более четкой технологическая схема электростанции, вследствие чего увеличивается надежность работы и облегчается эксплуатация;
• уменьшается, а в отдельных случаях может вообще отсутствовать резервное тепломеханическое оборудование;
• сокращается объем строительных и монтажных работ; уменьшаются капитальные затраты на сооружение электростанции;
• обеспечивается удобное расширение электростанции, причем новые энергоблоки при необходимости могут отличаться от предыдущих по своим параметрам.

Технологическая схема КЭС состоит из нескольких систем: топливоподачи; топливоприготовления; основного пароводяного контура вместе с парогенератором и турбиной; циркуляционного водоснабжения; водоподготовки; золоулавливания и золоудаления и, наконец, электрической части станции (рис.2).

Механизмы и установки, обеспечивающие нормальное функционирование всех этих элементов, входят в так называемую систему собственных нужд станции (энергоблока).

Наибольшие энергетические потери на КЭС имеют место в основном пароводяном контуре, а именно в конденсаторе, где отработавший пар, содержащий еще большое количество тепла, затраченного при парообразовании, отдает его циркуляционной воде. Тепло с циркуляционной водой уносится в водоемы, т.е. теряется. Эти потери в основном определяют КПД электростанции, составляющий даже для самых современных КЭС не более 40-42%.

Электроэнергия, вырабатываемая электростанцией, выдается на напряжении 110-750 кВ и лишь часть ее отбирается на собственные нужды через трансформатор собственных нужд, подключенный к выводам генератора.

Генераторы и повышающие трансформаторы соединяют в энергоблоки и подключают к распределительному устройству высокого напряжения, которое обычно выполняется открытым (ОРУ). Варианты расположения основных сооружений могут быть различными, что иллюстрируется рис.3.

Рис. 3. Варианты расположения основных сооружений КЭС
1 — главный корпус; 2 — склад топлива;
3 — дымовые трубы; 4 — трансформаторы блоков;
5,6 — распределительные устройства; 7 — насосные станции;
8 — промежуточные опоры электрических линий

Современные КЭС оснащаются в основном энергоблоками 200-800 МВт. Применение крупных агрегатов позволяет обеспечить быстрое наращивание мощностей электростанций, приемлемые себестоимость электроэнергии и стоимость установленного киловатта мощности станции.

Наиболее крупные КЭС в настоящее время имеют мощность до 4 млн кВт. Сооружаются электростанции мощностью 4-6,4 млн кВт с энергоблоками 500 и 800 МВт. Предельная мощность КЭС определяется условиями водоснабжения и влиянием выбросов станции на окружающую среду.

Современные КЭС весьма активно воздействуют на окружающую среду: на атмосферу, гидросферу и литосферу. Влияние на атмосферу сказывается в большом потреблении кислорода воздуха для горения топлива и в выбросе значительного количества продуктов сгорания. Это в первую очередь газообразные окислы углерода, серы, азота, ряд которых имеет высокую химическую активность. Летучая зола, прошедшая через золоуловители, загрязняет воздух. Наименьшее загрязнение атмосферы (для станций одинаковой мощности) отмечается при сжигании газа и наибольшее — при сжигании твердого топлива с низкой теплотворной способностью и высокой зольностью. Необходимо учесть также большие уносы тепла в атмосферу, а также электромагнитные поля, создаваемые электрическими установками высокого и сверхвысокого напряжения.

КЭС загрязняет гидросферу большими массами теплой воды, сбрасываемыми из конденсаторов турбин, а также промышленными стоками, хотя они проходят тщательную очистку.

Для литосферы влияние КЭС сказывается не только в том, что для работы станции извлекаются большие массы топлива, отчуждаются и застраиваются земельные угодья, но и в том, что требуется много места для захоронения больших масс золы и шлаков (при сжигании твердого топлива).

Влияние КЭС на окружающую среду чрезвычайно велико. Например, о масштабах теплового загрязнения воды и воздуха можно судить по тому, что около 60% тепла, которое получается в котле при сгорании всей массы топлива, теряется за пределами станции. Учитывая размеры производства электроэнергии на КЭС, объемы сжигаемого топлива, можно предположить, что они в состоянии влиять на климат больших районов страны. В то же время решается задача утилизации части тепловых выбросов путем отопления теплиц, создания подогревных прудовых рыбохозяйств. Золу и шлаки используют в производстве строительных материалов и т.д.

Теплофикационные электростанции — теплоэлектроцентрали (ТЭЦ)

Этот вид электростанций предназначен для централизованного снабжения промышленных предприятий и городов электроэнергией и теплом. Являясь, как и КЭС, тепловыми электростанциями, они отличаются от последних использованием тепла «отработавшего» в турбинах пара для нужд промышленного производства, а также для отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения. При такой комбинированной выработке электроэнергии и тепла достигается значительная экономия топлива по сравнению с раздельным энергоснабжением, т.е. выработкой электроэнергии на КЭС и получением тепла от местных котельных. Поэтому ТЭЦ получили широкое распространение в районах (городах) с большим потреблением тепла и электроэнергии. В целом на ТЭЦ производится около 25% всей электроэнергии, вырабатываемой в России.

Рис.4. Особенности технологической схемы ТЭЦ
1 — сетевой насос; 2 — сетевой подогреватель

Особенности технологической схемы ТЭЦ показаны на рис.4. Части схемы, которые по своей структуре подобны таковым для КЭС, здесь не указаны. Основное отличие заключается в специфике пароводяного контура и способе выдачи электроэнергии.

Специфика электрической части ТЭЦ определяется расположением электростанции вблизи центров электрических нагрузок. В этих условиях часть мощности может выдаваться в местную сеть непосредственно на генераторном напряжении. С этой целью на электростанции создается обычно генераторное распределительное устройство (ГРУ). Избыток мощности выдается, как и в случае КЭС, в энергосистему на повышенном напряжении.

Существенной особенностью ТЭЦ является также повышенная мощность теплового оборудования по сравнению с электрической мощностью электростанции. Это обстоятельство предопределяет больший относительный расход электроэнергии на собственные нужды, чем на КЭС.

Размещение ТЭЦ преимущественно в крупных промышленных центрах, повышенная мощность теплового оборудования в сравнении с электрическим повышают требования к охране окружающей среды. Так, для уменьшения выбросов ТЭЦ целесообразно, где это возможно, использовать в первую очередь газообразное или жидкое топливо, а также высококачественные угли.

Размещение основного оборудования станций данного типа, особенно для блочных ТЭЦ, соответствует таковому для КЭС. Особенности имеют лишь те станции, у которых предусматривается большая выдача электроэнергии с генераторного распределительного устройства местному потребителю. В этом случае для ГРУ предусматривается специальное здание, размещаемое вдоль стены машинного зала (рис.5).

Рис.5. Вариант размещения основного оборудования
на площадке ТЭЦ с отдельным зданием ГРУ
1 — дымовые трубы; 2 — главный корпус; 3 — многоамперные токопроводы;
4 — здание ГРУ; 5 — трансформатор связи; 6 — ОРУ;
7 — градирни (склад топлива для ТЭЦ не показан)

Атомные электростанции (АЭС)

АЭС — это по существу тепловые электростанции, которые используют тепловую энергию ядерных реакций.

Один из основных элементов АЭС — реактор. В России, как и во многих странах мира, используют в основном ядерные реакции расщепления урана U-235 под действием тепловых нейтронов. Для их осуществления в реакторе, кроме топлива (U-235), должен быть замедлитель нейтронов и, естественно, теплоноситель, отводящий тепло из реактора. В реакторах типа ВВЭР (водо-водяной энергетический) в качестве замедлителя и теплоносителя используется обычная вода под давлением. В реакторах типа РБМК (реактор большой мощности канальный) в качестве теплоносителя используется вода, а в качестве замедлителя — графит. Оба эти реактора нашли широкое применение на АЭС в России.

Рис.6. Принципиальная технологическая схема АЭС с реактором типа ВВЭР
1 — реактор; 2 — парогенератор;
3 — турбина; 4 — генератор;
5 — трансформатор; 6 — конденсатор турбины;
7 — конденсатный (питательный) насос;
8 — главный циркуляционный насос

Схемы АЭС в тепловой части могут выполняться в различных вариантах. На рис.6 в качестве примера представлена двухконтурная схема АЭС для электростанций с реакторами ВВЭР. Видно, что эта схема близка к схеме КЭС, однако вместо парогенератора на органическом топливе здесь используется ядерная установка.

АЭС, так же как и КЭС, строятся по блочному принципу как в тепломеханической, так и в электрической части.

Ядерное топливо, запасы которого достаточно велики, обладает очень высокой теплотворной способностью (1 кг U-235 заменяет 2900 т угля), поэтому АЭС особенно эффективны в районах, бедных топливными ресурсами, например в европейской части России.

АЭС выгодно оснащать энергоблоками большой мощности. Тогда по своим технико-экономическим показателям они не уступают КЭС, а в ряде случаев и превосходят их. В настоящее время разработаны реакторы электрической мощностью 440 и 1000 МВт типа ВВЭР, а также 1000 и 1500 МВт типа РБМК. При этом энергоблоки формируются следующим образом: реактор сочетается с двумя турбоагрегатами (реактор ВВЭР-440 и два турбоагрегата по 220 МВт, реактор 1000 МВт и два турбоагрегата по 500 МВт, реактор РБМК-1500 и два турбоагрегата по 750 МВт), или реактор сочетается с турбоагрегатом одинаковой мощности (реактор 1000 МВт и турбоагрегат 1000 МВт единичной мощности).

Рис.7. Принципиальная технологическая схема АЭС с реактором типа БН
а — принцип выполнения активной зоны реактора;
б — технологическая схема:
1 — реактор; 2 — парогенератор; 3 — турбина; 4 — генератор;
5 — трансформатор; 6 — конденсатор турбины;
7 — конденсатный (питательный) насос; 8 — теплообменник натриевых контуров;
9 — насос нерадиоактивного натрия; 10 — насос радиоактивного натрия

Перспективными являются АЭС с реакторами на быстрых нейтронах (БН), которые могут использоваться для получения тепла и электроэнергии, а также и для воспроизводства ядерного горючего. Технологическая схема энергоблока такой АЭС представлена на рис.7. Реактор типа БН имеет активную зону, где происходит ядерная реакция с выделением потока быстрых нейтронов. Эти нейтроны воздействуют на элементы из U-238, который обычно в ядерных реакциях не используется, и превращают его в плутоний Рn-239, который может быть впоследствии использован на АЭС в качестве ядерного горючего. Тепло ядерной реакции отводится жидким натрием и используется для выработки электроэнергии.

Схема АЭС с реактором БН трехконтурная, в двух из них используется жидкий натрий (в контуре реактора и промежуточном). Жидкий натрий бурно реагирует с водой и водяным паром. Поэтому, чтобы избежать при авариях контакта радиоактивного натрия первого контура с водой или водяным паром, выполняют второй (промежуточный) контур, теплоносителем в котором является нерадиоактивный натрий. Рабочим телом третьего контура является вода и водяной пар.

В настоящее время в эксплуатации находится ряд энергоблоков типа БН, из них наиболее крупный БН-600.

АЭС не имеют выбросов дымовых газов и не имеют отходов в виде золы и шлаков. Однако удельные тепловыделения в охлаждающую воду у АЭС больше, чем у ТЭС, вследствие большего удельного расхода пара, а следовательно, и больших удельных расходов охлаждающей воды. Поэтому на большинстве новых АЭС предусматривается установка градирен, в которых теплота от охлаждающей воды отводится в атмосферу.

Важной особенностью возможного воздействия АЭС на окружающую среду является необходимость захоронения радиоактивных отходов. Это делается в специальных могильниках, которые исключают возможность воздействия радиации на людей.

Чтобы избежать влияния возможных радиоактивных выбросов АЭС на людей при авариях, применены специальные меры по повышению надежности оборудования (дублирование систем безопасности и др.), а вокруг станции создается санитарно-защитная зона.

Возможное размещение основных сооружений АЭС на примере станции с блоками ВВЭР-1000 показано на рис.8.

Рис.8. Вариант размещения основных узлов АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000
1 — помещение реактора; 2 — машинный зал; 3 — площадка трансформаторов;
4 — сбросной канал (закрытый); 5 — насосные станция;
6 — водоподводящий канал (открытый); 7 — ОРУ; 8 — щит ОРУ;
9 — объединенный вспомогательный корпус; 10 — дизель-электрическая станция;
11 — здание специальной водоподготовки; 12 — административно-бытовой комплекс

Гидроэлектростанции (ГЭС)

На ГЭС для получения электроэнергии используется энергия водных потоков (рек, водопадов и т.д.). В настоящее время на ГЭС вырабатывается около 15% всей электроэнергии. Более интенсивное строительство этого вида станций сдерживается большими капиталовложениями, большими сроками строительства и спецификой размещения гидроресурсов по территории России (большая часть их сосредоточена в восточной части страны).

В настоящее время водные ресурсы используются в основном путем строительства мощных гидроэлектростанций, таких как Красноярская ГЭС (6 млн. кВт), Братская ГЭС (4,5 млн. кВт), Саяно-Шушенская ГЭС (6,4 млн. кВт), Усть-Илимская ГЭС (4,32 млн. кВт) и др.

Первичными двигателями на ГЭС являются гидротурбины, которые приводят во вращение синхронные гидрогенераторы. Мощность, развиваемая гидроагрегатом, пропорциональна напору Н и расходу воды Q, т.е.

Таким образом, мощность ГЭС определяется расходом и напором воды.

Рис.9. Принципиальная технологическая схема ГЭС

На ГЭС, как правило, напор воды создается плотиной (рис.9). Водное пространство перед плотиной называется верхним бьефом, а ниже плотины — нижним бьефом. Разность уровней верхнего (УВБ) и нижнего бьефа (УНБ) определяет напор Н.

Верхний бьеф образует водохранилище, в котором накапливается вода, используемая по мере необходимости для выработки электроэнергии.

В состав гидроузла на равнинной реке входят: плотина, здание электростанции, водосбросные, судопропускные (шлюзы), рыбопропускные сооружения и др.

На горных реках сооружаются ГЭС, которые используют большие естественные уклоны реки Однако при этом обычно приходится создавать систему деривационны, сооружений. К ним относятся сооружения, направляющие воду в обход естественного русла реки деривационные каналы, туннели, трубы.

В электрической части ГЭС во многом подобны конденсационным электростанциям. Как и КЭС, гидроэлектростанции обычно удалены от центров потребления, так как место их строительства определяется в основном природными условиями. Поэтому электроэнергия, вырабатываемая ГЭС, выдается на высоких и сверхвысоких напряжениях (110-500 кВ). Отличительной особенностью ГЭС является небольшое потребление электроэнергии на собственные нужды, которое обычно в несколько раз меньше, чем на ТЭС. Это объясняется отсутствием на ГЭС крупных механизмов в системе собственных нужд.

При сооружении ГЭС одновременно с энергетическими решаются важные народнохозяйственные задачи: орошение земель и развитие судоходства, обеспечение водоснабжения крупных городов и промышленных предприятий и т.д.

Технология производства электроэнергии на ГЭС довольно проста и легко поддается автоматизации. Пуск агрегата ГЭС занимает не более 50с, поэтому резерв мощности в энергосистеме целесообразно обеспечить именно этими агрегатами.

Коэффициент полезного действия ГЭС обычно составляет около 85-90%.

Благодаря меньшим эксплуатационным расходам себестоимость электроэнергии на ГЭС, как правило, в несколько раз меньше, чем на тепловых электростанциях.

Рис.10. Схема ГАЭС

Особую роль в современных энергосистемах выполняют гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Эти электростанции имеют как минимум два бассейна — верхний и нижний с определенными перепадами высот между ними (рис.10). В здании ГАЭС устанавливаются так называемые обратимые гидроагрегаты. В часы минимума нагрузки энергосистемы генераторы ГАЭС переводят в двигательный режим, а турбины — в насосный. Потребляя мощность из сети, такие гидроагрегаты перекачивают воду по трубопроводу из нижнего бассейна в верхний В период максимальных нагрузок, когда в энергосистеме образуется дефицит генераторной мощности, ГАЭС вырабатывает электроэнергию. Срабатывая воду из верхнего бассейна, турбина вращает генератор, который выдает мощность в сеть.

Таким образом, применение ГАЭС помогает выравнивать график нагрузки энергосистемы, что повышает экономичность работы тепловых и атомных электростанций.

Воздействие ГЭС и ГАЭС на окружающую среду связано с сооружением плотин и водохранилищ. Это обстоятельство, кроме отчуждения больших площадей земли с их природными богатствами, сказывается на изменении ландшафта, уровня грунтовых вод, на переформировании берегов, увеличении испарения воды и т.д. При сооружении крупных водохранилищ ГЭС, кроме того, создаются условия для развития тектонической активности.

Размещение основных объектов, входящих в состав электростанций, показано на примере приплотинной ГЭС (рис.11).

Рис. 11. Размещение основных объектов приплотинной ГЭС
а — план:
1 — здание ГЭС; 2 — станционная бетонная плотина; 3 — бетонный водослив;
4 — право- и левобережная каменно-набросные плотины; 5 — ОРУ ВН и СВН;
б — разрез по станционной плотине:
1 — плотина; 2 — водовод;
3 — площадка электротехнического оборудования высокого напряжения;
4 — здание машинного зала ГЭС

Газотурбинные электростанции

Основу современных газотурбинных электростанций составляют газовые турбины мощностью 25-100 МВт. Упрощенная принципиальная схема энергоблока газотурбинной электростанции представлена на рис.12.

Рис.12. Принципиальная технологическая схема электростанции с газовыми турбинами
КС — камера сгорания; КП — компрессор; ГТ — газовая турбина;
G — генератор; Т — трансформатор; М — пусковой двигатель

Топливо (газ, дизельное горючее) подается в камеру сгорания, туда же компрессором нагнетается сжатый воздух. Горячие продукты сгорания отдают свою энергию газовой турбине, которая вращает компрессор и синхронный генератор. Запуск установки осуществляется при помощи разгонного двигателя и длится 1-2 мин, в связи с чем газотурбинные установки (ГТУ) отличаются высокой маневренностью и пригодны для покрытия пиков нагрузки в энергосистемах. Основная часть теплоты, получаемая в камере сгорания ГТУ, выбрасывается в атмосферу, поэтому общий КПД таких электростанций составляет 25-30%.

Для повышения экономичности газовых турбин разработаны парогазовые установки (ПГУ), В них топливо сжигается в топке парогенератора, пар из которого направляется в паровую турбину. Продукты сгорания из парогенератора, после того как они охладятся до необходимой температуры, направляются в газовую турбину. Таким образом, ПГУ имеет два электрических генератора, приводимых во вращение: один — газовой турбиной, другой — паровой турбиной.

Нетрадиционные типы электростанций

Это в первую очередь электростанции с магнитогидродинамическими генераторами (МГД-генераторами). МГД-генераторы планируется сооружать в качестве надстройки к станции типа КЭС. Они используют тепловые потенциалы в 2500-3000 К, недоступные для обычных котлов.

Рис.13. Принципиальная схема КЭС с МГД-генератором
1 — камера сгорания; 2 — МГД-канал; 3 — магнитная система;
4 — воздухоподогреватель; 5 — парогенератор (котел); 6 — паровые турбины;
7 — компрессор; 8 — конденсатный (питательный) насос

Принципиальная схема ТЭС с МГД-установкой показана на рис.13. Газообразные продукты сгорания топлива, в которые вводится легкоионизируемая присадка (например, К₂СО₃), направляются в МГД-канал, пронизанный магнитным полем большой напряженности. Кинетическая энергия ионизированных газов в канале преобразуется в электрическую энергию постоянного тока, который, в свою очередь, преобразуется в трехфазный переменный и направляется в энергосистему потребителям.

Выхлоп МГД-канала при температуре около 2000 К направляется в котел и используется по обычной схеме на парообразование с применением энергии пара в паровой турбине ТЭС.

Вот уже много лет во многих передовых и технически развитых странах мира проводятся работы по овладению энергией термоядерного синтеза. Сущность термоядерной реакции, в которой может быть высвобождено колоссальное количество энергии, состоит в слиянии двух атомов (ионов) легких элементов (обычно ионов изотопов водорода — дейтерия и трития либо водорода и дейтерия). В результате образуется частица с массой, меньшей, чем суммарная масса исходных элементов, а высвобождающаяся энергия соответствует разности масс.

Реакция может быть осуществлена при весьма специфических условиях: температура исходного вещества должна быть около 10 8 К, т.е. оно находится в состоянии высокотемпературной плазмы; давление в плазме несколько сот мегапаскаль; время ее удержания не менее 1с. При использовании энергии реакции в промышленных целях эти условия должны создаваться циклически. Осуществить эти требования чрезвычайно сложно. В настоящее время видны два основных пути достижения поставленной цели: удержание плазмы мощным статическим магнитным полем или инерционное удержание, при котором топливо в виде малых порций нагревается и сжимается сконцентрированными лучами лазера или пучками электронов.

Рис. 14. Принципиальная схема термоядерной электростанции на базе реактора типа «Токамак»
1 — дейтерий-тритиевая плазма; 2 — вакуумное пространство;
3 — сверхпроводящий магнит; 4 — бланкет;
5 — теплообменник первого контура; 6 — теплообменник второго контура;
7 — трансформатор разогрева плазмы

Бывший СССР являлся одним из лидеров в разработке способов магнитного удержания плазмы в установках типа Токамак. Прообраз термоядерной электростанции на основе реактора этого типа показан на рис.14. Основу реактора и блока электростанции представляет тороидальная камера, по оси которой в вакууме 2 концентрируется плазма 1, где и происходит термоядерная реакция. Удержание плазмы осуществляется мощным сверхпроводящим магнитом 3, разогрев — трансформатором 7.

Рассматривается реакция дейтерий + тритий. Если дейтерий может быть выделен из природной воды, то тритий получают искусственно, что требует больших затрат энергии и труда. Чтобы воспроизвести тритий, который расходуется в процессе реакции, в камере реактора сооружается бланкет из лития 4. Литий, облученный нейтронами в процессе реакции, частично образует гелий и тритий, который может быть выделен из лития и возвращен в реактор. Так может быть осуществлено его воспроизводство.

Литий бланкета выполняет еще одну функцию — переносит тепло, образующееся при термоядерном синтезе. Будучи в жидком состоянии, он циркулирует через теплообменник 5 и отдает тепло промежуточному жидкометаллическому теплоносителю (например, калию), а тот, в свою очередь, нагревает воду в следующем теплообменнике 6, работающем подобно паровому котлу ТЭС или парогенератору АЭС. Рассмотренная схема дает лишь очень упрощенное представление об одном возможном пути создания станции такого типа.

Создание термоядерной электростанции поднимает ряд серьезных теоретических и практических проблем, требующих проведения сложных исследований, и поэтому окончательное овладение термоядерным синтезом является делом, может быть, не столь отдаленного, но все же будущего. Как показывает опыт, это одна из самых трудных технологических задач, за которую когда-либо бралось человечество. Однако в случае успеха будет обеспечено практически безграничное количество энергии.

Наряду с поисками новых мощных источников энергии ведется разработка и строительство станций на возобновляемых энергоресурсах экологически «чистого» типа, воздействие которых на окружающую среду минимально. Это станции, использующие энергию солнца, ветра, приливов и т.д.

Энергию солнца можно использовать через фотоэлементы путем прямого получения электроэнергии, или путем использования теплового излучения солнца, сфокусированного зеркалами на парогенераторе, пар из которого вращает турбину с генератором. Первый вид гелиостанций используется пока ограниченно и лишь в специальных установках, но по мере снижения стоимости и повышения отдачи фотоэлементов появится возможность широкого использования их в большой энергетике. Второй тип гелиостанций проще в реализации. Так, в СССР была построена опытно-промышленная станция мощностью 5 МВт.

Ветроэлектростанций (ВЭС) в России не получили еще распространения для удовлетворения нужд энергосистем. Они используются для сравнительно небольших автономных потребителей. Однако в пользу ВЭС говорят исследования по мощным электростанциям такого типа, выполненные в России (до нескольких десятков мегаватт в комплекте) и за рубежом (до нескольких мегаватт в единице с диаметром двухлопастного ветроколеса до 100 м).

О достоинствах приливных электростанций можно судить по факту успешной эксплуатации при высоте приливов до 13 м Кислогубской ПЭС, сооруженной на Кольском полуострове. Выявлен ряд районов России, где возможно и целесообразно сооружение ПЭС мощностью от десятков до сотен мегаватт.

Геотермальные электростанции используют энергию подземных термальных вод. В России есть районы, где можно строить ГеоТЭС (Камчатка, Кавказ и др.). Работоспособность таких станций доказана опытом их эксплуатации в США, Италии, Новой Зеландии, Мексике и других странах. На Камчатке успешно работает Паужетская ГеоТЭС.

Источник