ГРЭС - это государственная районная электрическая станция. Сокращение появилось еще во времена СССР. Известно, что тогда все электростанции принадлежали государству. А то, что аббревиатура расшифровывается так, что в ней присутствует слово «районная», объясняется тем, что станции возводились для покрытия электронагрузок районов.
Как работает электростанция?
Электрическая установка представленного типа работает как по парогазовому, так и по паровому циклу. Все зависит от типа блоков, которые установлены на ней.
В том случае, если электростанция производит работу по паровому циклу, на ней должны присутствовать турбины конденсационные K типа. В качестве топлива в данном варианте выступают газ либо уголь. Можно применять и мазут, но из-за его высокой стоимости это нецелесообразно.
Ряд тепловых филиалов России работает на парогазовом цикле. В этом случае на станции устанавливаются парогазовые установки. При этом в энергоблоках находится газовая турбина, работающая за счет продуктов сгорания (в основном природного газа). Затем по циклу располагается специальный котел, выполняющий функцию утилизатора, а также паровая турбина. Указанный способ работы станции наиболее эффективен и экономичен. Газовые турбины для станций выпускаются как отечественными, таки импортными производителями.
Несмотря на то, что ГРЭС расшифровка аббревиатуры - это электрическая станция, часто используется она и для получения тепла . В свою очередь тепло применяют для обогрева поселков, расположенных поблизости.
Основные характеристики электрической станции
Аббревиатура ГРЭС напоминает такие сокращения как ГЭС и ТЭС. Все это станции, но принцип работы у них разный. Электростанция отличается от других установок тем, что ее целью является производство электрической энергии посредством конденсационных турбин. Раньше об объекте говорили, как о районной станции. Сейчас, употребляя сокращение, имеют в виду конденсационную электростанцию, которая может обладать высокой мощностью и осуществлять работу с другими объектами по выработке электричества. Объемы производимого продукта при этом зависят от качества применяемого топлива и от его количества. А в сравнении с гидроэлектростанцией электрическая станция способна в течение всего года производить одинаковый объем продукции, оставаясь функционирующей даже в сильные морозы.
Самые известные электростанции России
Итак, ГРЭС расшифровка, надеемся, вам понятна. Теперь следует разобраться, какие объекты имеют огромное значение для различных областей. Как правило, установки, отличающиеся большой мощностью, ставят в местах добычи топлива. При этом чем больше станция, тем на большие расстояния она способна передавать электричество.
Строительство станций меньшей мощности ориентировано на применение для них местных видов топлива. Их располагают в основном около городов, и нацелены они на конечного потребителя. Объекты, осуществляющие работу на высококалорийном топливе, также ориентированы на потребителя. Работающие же на мазуте станции располагают вблизи нефтеперерабатывающих производств.
Самые известные электростанции в России, это:
- Сургутская ГРЭС - наиболее большой объект для производства электричества, мощность которого равна 5597 МВт. Такой мощности хватает для обеспечения электричеством 5 млн. домов россиян;
- Сахалинская ГРЭС - тепловая электростанция, которая находится в Сахалинской области, вблизи поселка Лермонтовка. Объект подает электричество в южную и центральную часть о. Сахалин;
- ГРЭС Симферополь - объект, расположенный недалеко от Симферополя. Обеспечивает электричеством окрестности города;
- ГРЭС Мыски или Томь-Усинская - крупный государственный объект на юге Западной Сибири. Всего в нем находится 9 блоков, общая масса которых составляет 1272 МВт. Установка является частью СУЭК, входит в ТГК-12. Ее основная цель - покрытие нагрузок энергетической системы Кузбасса;
- Пермская ГРЭС - тепловая станция, находящаяся в Пермском крае. Она расположена в 7 км. от Перми и в 5 км. от г. Добрянка. Объект является источником электричества для различных групп потребителей: промышленного узла Верхнекамский (занимается переработкой и добычей леса, химией и нефтехимией, добычей полезных ископаемых, металлургией), промышленного центра Пермского края (занимается строительством машин, добычей и переработкой нефти, нефтехимией;
- Костромская ГРЭС - находится в Волгореченске, входит в Интер РАО. Мощность составляет 3600 МВт. Третья дымовая труба объекта имеет высоту, равную 320 метрам. Она признана одной из наиболее высоких в РФ;
- Новочеркасская ГРЭС - станция в микрорайоне города Новочеркасска. Обеспечивает электричеством Ростовскую область, является частью состава ПАО ОГК-2. Мощность равна 2112 МВт, топливом для объекта является уголь и природный газ, иногда используется мазут. Представленный объект - единственный, осуществляющий работу на отходах, которые остаются после добычи угля. Высота 3-х труб станции достигает по 250 м., одна труба равна 185 метрам;
- Троицкая ГРЭС - находится в Троицке, Челябинская область. Является частью ОГК-2. Мощность составляет 2059 МВт. Первый пуск объекта был выполнен в 1960 г. Затем неоднократно достраивались новые блоки установки. Четвертый, пятый и седьмой блоки станции имеют экологические фильтры, призванные очищать их от пыли и газа. В качестве топлива выступает мазут. Всего электричества объект потребляем в количестве 7,1 % от общей выработки;
- Харанорская ГРЭС - один из крупных объектов. Находится на р. Онон, в п. Ясногорск, который и обеспечивает теплом. В будущем может стать источником тепла для п. Ясная;
- Каширская ГРЭС - может расшифровываться как станция имени Кржижановского. Находится в г. Кашира, Московская область. Была возведена еще при В.И. Ленине.
Существуют и другие электростанции, мы представили только самые основные. Все КЭС производят электрическую энергию и обладают схожим принципом работы. Они представляют собой сложный комплекс строений, энергетического оборудования, арматуры и труб, разных автоматических систем. Влияние на гидросферу, литосферу и атмосферу подобных объектов неблагоприятно, но предпринимаются меры, позволяющие делать установки более экологичными.
Назначение конденсационных электростанций (КЭС)
В российских энергосистемах на тепловых КЭС вырабатывается две трети всей электроэнергии. Мощность отдельных станций достигает 6000 МВт и более. На новых КЭС устанавливают экономичные паротурбинные агрегаты, рассчитанные на работу в базисной части суточного графика нагрузки энергосистемы с продолжительностью использования установленной мощности 5000 часов в год и более.
Тепловые конденсационные станции с такими мощными агрегатами по технико-экономическим соображениям выполняют из нескольких автономных частей - блоков. Каждый блок (см. рис) состоит из парогенератора, турбины, электрического генератора, повышающего трансформатора. Внутри одной станции поперечные связи между тепломеханическими узлами блоков отсутствуют (паропроводы, водопроводы), т.к. это приведет к ухудшению показателей надежности. Отсутствуют также поперечные электрические связи генераторного напряжения, т.к. возможны слишком высокие токи короткого замыкания. Связь отдельных блоков возможна только на сборных шинах высшего и среднего напряжений.
КЭС обычно строят вблизи мест добычи топлива, транспортировка которого на большие расстояния экономически невыгодна. Однако, в последнее время ведется строительство КЭС, работающих на природном газе, который можно транспортировать по газопроводам на значительные расстояния. Для строительства КЭС важным условием является наличие поблизости водоема или источника водоснабжения.
КПД КЭС не превышает 32-40%.
К минусам конденсационных электростанций можно отнести недостаточную маневренность. Подготовка к пуску, синхронизация, набор нагрузки блока требуют значительного времени. Поэтому для КЭС желателен режим работы с равномерной нагрузкой, которая меняется в пределах от технического минимума до номинальной мощности.
Еще один минус - выбросы в атмосферу окислов серы и азота, углекислого газа, что приводит к загрязнению окружающей среды и созданию парникового эффекта. Парниковый эффект может привести к известным последствиям - таяние ледников, повышение уровня мирового океана, затоплению океанского побережья и изменению в климате.
Конденсационные электростанции
Конденсационные электростанции (КЭС) - тепловые паротурбинные электростанции, предназначенные для выработки электрической энергии.
Рис. 2.1. Принципиальная технологическая схема конденсационной электростанции, работающей на твердом топливе
Топливо, поступающее на электростанцию, проходит предварительную обработку. Так, наиболее часто используемое на ТЭС твердое топливо (уголь) сначала дробится, а затем подсушивается и на специальных мельничных установках размельчается до пылевидного состояния. Комплекс устройств, предназначенных для разгрузки, хранения и предварительной обработки топлива, составляет топливное хозяйство или топливоподачу. Топливоподача 1 и пылеприготовление 2 образуют топливный тракт КЭС (А на рис. 2.1.).
Угольная пыль вместе с воздушным потоком, создаваемым специальным насосом (воздуходувкой), подается в топку котла 3. Продукты сгорания топлива проходят через специальные очистительные сооружения 7 (золоуловители), где выделяются зола и другие примеси (при сжигании нефти и газа золоуловители не требуются), а оставшиеся газы с помощью дымососа 6 через дымовую трубу 8 выбрасываются в атмосферу.
Теплота, получаемая при сжигании топлива в котле, используется для получения пара, который перегревается в пароперегревателе 4 и по паропроводу 9 поступает в паровую турбину 10. В турбине энергия пара преобразуется в механическую работу вращения ее вала, который специальной муфтой соединен с валом генератора 13, вырабатывающим электроэнергию. Отработавший в турбине пар после своего расширения от начального давления при входе в турбину 13-24 МПа до конечного (на выходе) 0,0035-0,0045 МПа поступает в специальный аппарат 11 , называемый конденсатором. В конденсаторе пар превращается в воду (конденсат), которая насосом 12 подается обратно в котел, и цикл в пароводяном тракте (Б на рис. 2.1.) повторяется. Для охлаждения пара в конденсаторе используется вода, забираемая циркуляционным насосом 14 из водоема 17.
Таков общий принцип действия КЭС. На такой электростанции в процессе преобразования энергии неизбежны ее потери. Тепловой баланс, представленный на рис. 2.2., дает общее представление об этих потерях.
Рис. 2.2. Тепловой баланс конденсационной электростанции
Совершенство КЭС (ТЭС) определяется ее коэффициент полезного действия (КПД) агрегатов станции. КПД станции без учета расходов энергии на собственные нужды, например привод электродвигателей вспомогательных агрегатов, называется КПД брутто и имеет вид
η бр = [ Э выр / (G ▪ Q r)] ▪ 100% ,
где: Э выр ─ количество выработанной генератором электроэнергии, кДж;
G ─ расход топлива за это же время, кг;
Q r ─ теплота сгорания топлива, кДж/кг.
Коэффициент полезного действия (КПД) современных крупных блочных КЭС не превышает обычно 35%.
Основными элементами ТЭС являются:
Паровой котел. Это сложное техническое сооружение, предназначенное для получения (генерации) пара заданных по давлению и температуре параметров из поступающей в него питательной воды. По конструктивным признакам паровые котлы подразделяются на барабанные и прямоточные.
Упрощенная схема прямоточного котла, приведена на рис. 2.3. Циркуляция воды и пара создается насосами. Конструктивно такой котел состоит из ряда параллельно включенных витков стальных труб, в которые через экономайзер 1 поступает питательная вода. Сначала эта вода поступает в нижнюю часть экранов (витков труб) 2. Здесь она нагревается и, поднимаясь, испаряется, постепенно утрачивая свойства капельной жидкости. В верхней части экранов 3 осуществляется начальный перегрев пара, после чего он поступает в пароперегреватель 4 и далее по паропроводам в турбину. В воздухоподогревателе 5 воздух подогревается перед подачей его в топку, (давление пара свыше 22 МПа).
Рис. 2.3. Упрощенная схема прямоточного парового котла.
Паровая турбина. Паровой турбиной называют тепловой двигатель, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию, а затем в механическую работу на валу. Преобразование энергии в турбине происходит в два этапа (рис. 2.4.).
На первом этапе пар из паропровода поступает в неподвижное сопло 1 (может быть группа параллельных сопл, образующих так называемую сопловую решетку), где он расширяется и, следовательно, ускоряется в своем движении в направлении вращения рабочих лопаток. Другими словами, пар, проходящий по соплу, теряет свою тепловую энергию (температура и давление снижаются) и повышает кинетическую (скорость увеличивается). После сопл поток пара попадает в каналы, образованные рабочими лопатками 2 , закрепленными на диске 3 и жестко соединенными с вращающимся валом 4. Здесь происходит второй этап преобразования энергии: кинетическая энергия потока превращается в механическую работу вращения ротора турбины (вала с дисками и лопатками).
В зазоре между сопловой и рабочей решетками давление пара не изменяется, оно изменяется в рабочих лопатках.
Рис. 2.4. Схема ступени турбины
Совокупность соплового и лопаточного аппаратов носит название турбинной ступени. Конструктивно турбины выполняются как одноступенчатыми так и многоступенчатыми (рис.2.5.). В последнем случае неподвижные сопловые решетки чередуются с рабочими.
Все крупные турбины делают многоступенчатыми. На рис. 2.5. показана схема активной многоступенчатой турбины, которая включает несколько последовательно расположенных по ходу пара ступеней, сидящих на одном валу. Ступени отделены друг от друга диафрагмами, в которые встроены сопла. В таких турбинах давление падает при проходе пара через сопла и остается постоянным на рабочих лопатках. Абсолютная скорость пара в ступени, называемой ступенью давления, то возрастает - в соплах,
Рис. 2.5. Схема активной турбины с тремя ступенями давления:
1 - сопло; 2 - входной патрубок; 3 - рабочая лопатка 1 ступени; 4 - сопло; 5 - рабочая лопатка 2 ступени; 6 - сопло; 7 - рабочая лопатка 3 ступени; 8 - выхлопной патрубок; 9 - диафрагмы
то снижается - на рабочих лопатках. Так как объем пара по мере его расширения увеличивается, то геометрические размеры проточной части по ходу пара возрастают.
Генератор предназначен для преобразования механического движения (вращения вала турбины) в электрический ток. Электрический ток бывает постоянным и переменным. Но широко
| |
Рис. 2.6. Простейшая установка для выработки переменного электрического тока
применяется переменный ток. Это обусловлено тем, что напряжение и силу переменного тока можно преобразовывать практически без потерь энергии. Переменный ток получают при помощи генераторов переменного тока с использованием явлений электромагнитной индукции. На рис. 2.6. изображена принципиальная схема установка для выработки переменного тока.
Принцип действия установки прост. Проволочная рамка вращается в однородном магнитном поле с постоянной скоростью. Своими концами рамка закреплена на кольцах, вращающихся вместе с ней. К кольцам плотно прилегают пружины, играющие роль контактов. Через поверхность рамки непрерывно будет протекать изменяющийся магнитный поток, но поток, создаваемый электромагнитом, останется постоянным. В связи с этим в рамке возникнет ЭДС индукции.
В мировой промышленной практике широко распространен трехфазный переменный ток, который имеет множество преимуществ перед однофазным током. Трехфазной называют такую систему, которая имеет три электрические цепи со своими переменными ЭДС с одинаковыми амплитудами и частотой, но сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120° или на 1/3 периода.
Конденсатор. Экономичность работы паровой турбины в большой степени зависит от конечного давления пара, с понижением которого увеличивается используемый тепловой перепад и возрастает КПД турбоустановки. Можно сказать, что из трех параметров пара, определяющих экономичность турбины,- начального давления, начальной температуры и конечного давления - последний параметр оказывает наибольшее влияние на КПД турбины.
Рис. 2.7. Схема конденсатора.
Снижение давления пара после выхода его из турбины осуществляется с помощью устройства, называемого конденсатором, в котором поддерживается низкое абсолютное давление, равное 0,005-0,0035 МПа.
В простейшем случае конденсатор представляет собой цилиндрический корпус с большим числом трубок, закрытый с торцов (рис. 2.7.). Охлаждающая вода поступает через патрубок 1 , пройдя по трубкам 2 и нагревшись, она покидает конденсатор через патрубок 3. Пар поступает через патрубок 4, заполняя межтрубное пространство внутри корпуса, соприкасается с холодной наружной поверхностью трубок и конденсируется. Конденсат специальным насосом откачивается через патрубок 5.
Температура охлаждающей воды на входе в конденсатор обычно 12-20° С, на выходе из него 30-35° С. Таким температурам конденсации соответствует глубокий вакуум (0,0035-0,0045 МПа).
Для обеспечения вакуума воздух из конденсатора откачивается с помощью вакуумного насоса через патрубок 6 .
Количество охлаждающей воды для выработки 1 кВт-ч электроэнергии современной мощной конденсационной турбиной составляет от 0,12 до 0,16 м 3 , тогда как для КЭС установленной мощностью 1000 МВт среднегодовой расход воды будет равен не менее 20 м 3 /с. Это немногим меньше, чем, например, летний расход подмосковной р. Пахры близ железнодорожной станции «Ленинская». Нетрудно увидеть, что для технических нужд КЭС мощностью 2000-3000 МВт требуется «солидная» река. Поэтому строительство мощных КЭС возможно лишь вблизи крупных водоемов.
24 октября 2012Электрическая энергия давно вошла в нашу жизнь. Еще греческий философ Фалес в 7 веке до нашей эры обнаружил, что янтарь, потертый о шерсть начинает притягивать предметы. Но долгое время на этот факт никто не обращал внимание. Лишь в 1600 году впервые появился термин «Электричество», а в 1650 году Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. Это была первая простейшая электростатическая машина.
Прошло много лет с тех пор, но даже сегодня, в мире, заполненном терабайтами информации, когда можно самому узнать все, что тебя интересует, для многих остается загадкой как производится электричество, как его доставляют к нам в дом, офис, на предприятие…
В несколько частей рассмотрим эти процессы.
Часть I. Генерация электрической энергии.
Откуда же берется электрическая энергия? Появляется эта энергия из других видов энергии – тепловой, механической, ядерной, химической и многих других. В промышленных масштабах электрическую энергию получают на электростанциях. Рассмотрим только самые распространенные виды электростанций.
1) Тепловые электростанции. Сегодня из можно объединить одним термином – ГРЭС (Государственная Районная Электростанция). Конечно, сегодня этот термин потерял первоначальный смысл, но он не ушел в вечность, а остался с нами.
Тепловые электростанции делятся на несколько подтипов:
А) Конденсационная электростанция (КЭС) - тепловая электростанция, производящая только электрическую энергию, своим названием этот тип электростанций обязан особенностям принципа работы.
Принцип работы: В котел при помощи насосов подается воздух и топливо (газообразное, жидкое или твердое). Получается топливо-воздушная смесь, которая горит в топке котла, выделяя огромное количество теплоты. При этом вода проходит по трубной системе, которая располагается внутри котла. Выделяющаяся теплота передается этой воде, при этом ее температура повышается и доводится до кипения. Пар, который был получен в котле снова идет в котел для перегревания его выше температуры кипения воды (при данном давлении), затем по паропроводам он поступает на паровую турбину, в которой пар совершает работу. При этом он расширяется, уменьшается его температура и давление. Таким образом, потенциальная энергия пара передается турбине, а значит, превращается в кинетическую. Турбина же в свою очередь приводит в движение ротор трехфазного генератора переменного тока, который находится на одном валу с турбиной и производит энергию.
Рассмотрим некоторые элементы КЭС поближе.
Паровая турбина.
Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. Между рядами лопаток, как видите, есть промежутки. Они есть потому, что этот ротор вынут из корпуса. В корпус тоже встроены ряды лопаток, но они неподвижны и служат для создания нужного угла падения пара на движущиеся лопатки.
Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум.
Турбина и генератор, которые находятся на одном валу называются турбогенератором. Трехфазный генератор переменного тока (синхронная машина).
Он состоит из:
Который повышает напряжение до стандартного значения (35-110-220-330-500-750 кВ). При этом ток значительно уменьшается (например, при увеличении напряжения в 2 раза, ток уменьшается в 4 раза), что позволяет передавать мощность на большие расстояния. Следует отметить, что когда мы говорим о классе напряжения, то мы имеем в виду линейное (междуфазное) напряжение.
Активную мощность, которую вырабатывает генератор, регулируют изменением количеством энергоносителя, при этом изменяется ток в обмотке ротора. Для увеличения выдаваемой активной мощности нужно увеличить подачу пара на турбину, при этом ток в обмотке ротора возрастет. Не следует забывать, что генератор синхронный, а это значит, что его частота всегда равна частоте тока в энергосистеме, и изменение параметров энергоносителя не повлияет на частоту его вращения.
Кроме того, генератор вырабатывает и реактивную мощность. Ее можно использовать для регулирования выдаваемого напряжения в небольших пределах (т.е. это не основное средство регулирования напряжения в энергосистеме). Работает это таким образом. При перевозбуждении обмотки ротора, т.е. при повышении напряжения на роторе сверх номинала, «излишек» реактивной мощности выдается в энергосистему, а когда обмотку ротора недовозбуждают, то реактивная мощность потребляется генератором.
Таким образом, в переменном токе мы говорим о полной мощности (измеряется в вольт-амперах – ВА), которая равна корню квадратному от суммы активной (измеряется в ваттах – Вт) и реактивной (измеряется в вольт-амперах реактивных – ВАР) мощностях.
Вода в водохранилище служит для отведения тепла от конденсатора. Однако, часто для этих целей используют брызгальные бассейны
или градирни. Градирни бывают башенными Рис.8
или вентиляторными Рис.9
Градирни устроены почти так же как и , с тем лишь различием, что вода стекает по радиаторам, передает им тепло, а уже они охлаждаются нагнетаемым воздухом. При этом часть воды испаряется и уносится в атмосферу.
КПД такой электростанции не превышает 30%.
Б) Газотурбинная электростанция.
На газотурбинной электростанции турбогенератор приводится в движение не паром, а непосредственно газами, получаемыми при сгорании топлива. При этом можно использовать только природный газ, иначе турбина быстро выйдет из стоя из-за ее загрязнения продуктами горения. КПД на максимальной нагрузке 25-33%
Гораздо больший КПД (до 60%) можно получить, совмещая паровой и газовый циклы. Такие установки называются парогазовыми. В них вместо обычного котла установлен котел-утилизатор, не имеющий собственных горелок. Теплоту он получает от выхлопа газовой турбины. В настоящее время ПГУ активнейшим образом внедряются в нашу жизнь, но пока в России их немного.
В) Теплоэлектроцентрали (очень давно стали неотъемлемой частью крупных городов). Рис.11
ТЭЦ конструктивно устроена как конденсационная электростанция (КЭС). Особенность электростанции такого типа состоит в том, что она может вырабатывать одновременно как тепловую, так и электрическую энергию. В зависимости от вида паровой турбины, существуют различные способы отборы пара, которые позволяют забирать из нее пар с разными параметрами. При этом часть пара или полностью весь пар (зависит от типа турбины) поступает в сетевой подогреватель, отдает ему теплоту и конденсируется там. Теплофикационные турбины позволяют регулировать количество пара для тепловых или промышленных нужд что позволяет ТЭЦ работать в нескольких режимах по нагрузке:
тепловому - выработка электрической энергии полностью зависит от выработки пара для промышленных или теплофикационных нужд.
электрическому - электрическая нагрузка независима от тепловой. Кроме того, ТЭЦ могут работать и в полностью конденсационном режиме. Это может потребоваться, например, при резком дефиците активной мощности летом. Такой режим является невыгодным для ТЭЦ, т.к. значительно снижается КПД.
Одновременное производство электрической энергии и тепла (когенерация) – выгодный процесс, при котором КПД станции существенно повышается. Так, например, расчетный КПД КЭС составляет максимум 30%, а у ТЭЦ – около 80%. Плюс ко всему, когенерация позволяет уменьшить холостые тепловые выбросы, что положительно сказывается на экологии местности, в которой расположена ТЭЦ (по сравнению с тем, если бы тут была КЭС аналогичной мощности).
Рассмотрим подробнее паровую турбину.
К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с:
Противодавлением;
Регулируемым отбором пара;
Отбором и противодавлением.
Турбины с противодавлением работают с выхлопом пара не в конденсатор, как у КЭС, а в сетевой подогреватель, то есть весь пар, пошедший через турбину, идет на теплофикационные нужды. Конструкция таких турбин обладает существенным недостатком: график электрической нагрузки полностью зависит от графика тепловой нагрузки, то есть такие аппараты не могут принимать участия в оперативном регулировании частоты тока в энергосистеме.
В турбинах, имеющих регулируемый отбор пара, происходит его отбор в нужном количестве в промежуточных ступенях, при этом выбирают такие ступени для отбора пара, какие подходят в данном случае. Такой тип турбины обладает независимостью от тепловой нагрузки и регулирование выдаваемой активной мощности можно регулировать в больших пределах, чем у ТЭЦ с противодавлением.
Турбины с отбором и противодавлением совмещают в себе функции первых двух видов турбин.
Теплофикационные турбины ТЭЦ не всегда не способны за малый промежуток времени изменить тепловую нагрузку. Для покрытия пиков нагрузки,а иногда и для увеличения электрической мощности путем перевода турбин в конденсационный режим, на ТЭЦ устанавливают пиковые водогрейные котлы.
2) Атомные электростанции.
В России на настоящий момент существует 3 вида реакторных установок. Общий принцип их работы примерно похож на работу КЭС (в былые времена АЭС называли ГРЭС). Принципиальное различие состоит лишь в том, что тепловую энергию получают не в котлах на органическом топливе, а в ядерных реакторах.
Рассмотрим две самых распространенных типов реакторов в России.
1) Реактор РБМК .
Отличительная особенность этого реактора состоит в том, что пар для вращения турбины получают непосредственно в активной зоне реактора.
Активная зона РБМК. Рис.13
состоит из вертикальных графитовых колонн, в которых находятся продольные отверстия, с вставленными туда трубами из циркониевого сплава и нержавеющей стали. Графит выполняет роль замедлителя нейтронов. Все каналы делятся на топливные и каналы СУЗ (система управления и защиты). Они имеют разные контуры охлаждения. В топливные каналы вставляют кассету (ТВС – тепловыделяющую сборку) со стержнями (ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент) внутри которых находятся урановые таблетки в герметичной оболочке. Понятно, что именно от них получают тепловую энергию, которая передается непрерывно циркулирующему снизу вверх теплоносителю под большим давлением – обычной, но очень хорошо очищенной от примесей воде.
Вода, проходя по топливным каналам, частично испаряется, пароводяная смесь поступает от всех отдельных топливных каналов в 2 барабан-сепаратора, где происходит отделение (сепарация) пара от воды. Вода снова уходит в реактор с помощью циркуляционных насосов (всего из 4 на петлю), а пар по паропроводам идет на 2 турбины. Затем пар конденсируется в конденсаторе, превращается в воду, которая снова идет в реактор.
Тепловой мощностью реактора управляют только с помощью стержней-поглотителей нейтронов из бора, которые перемещаются в каналах СУЗ. Вода, охлаждающая эти каналы идет сверху вниз.
Как вы могли заметить, я еще ни разу не сказал про корпус реактора. Дело в том, что фактически у РБМК нет корпуса. Активная зона про которую я вам сейчас рассказывал помещена в бетонную шахту, сверху она закрыта крышкой весом в 2000 тонн.
На приведенном рисунке видна верхняя биологическая защита реактора. Но не стоит ожидать, что приподняв один из блоков, можно будет увидеть желто-зеленое жерло активной зоны, нет. Сама крышка располагается значительно ниже, а над ней, в пространстве до верхней биологической защиты остается промежуток для коммуникаций каналов и полностью извлеченных стержней поглотителей.
Между графитовыми колоннами оставляют пространство для теплового расширения графита. В этом пространстве циркулирует смесь газов азота и гелия. По ее составу судят о герметичности топливных каналов. Активная зона РБМК рассчитана на разрыв не более 5 каналов, если разгерметизируется больше – произойдет отрыв крышки реактора и раскрытие остальных каналов. Такое развитие событий вызовет повторение Чернобыльской трагедии (тут я имею в виду не саму техногенную катастрофу, а ее последствия).
Рассмотрим плюсы РБМК:
—Благодаря поканальному регулированию тепловой мощности есть возможность менять топливные сборки, не останавливая реактор. Каждый день, обычно, меняют несколько сборок.
—Низкое давление в КМПЦ (контур многократной принудительной циркуляции), что способствует более мягкому протеканию аварий, связанных с его разгерметизацией.
—Отсутствие сложного в изготовлении корпуса реактора.
Рассмотрим минусы РБМК:
—В ходе эксплуатации были обнаружены многочисленные просчеты в геометрии активной зоны, устранить которые на действующих энергоблоках 1-го и 2-го поколений (Ленинград, Курск, Чернобыль, Смоленск) полностью не возможно. Энергоблоки РБМК 3-его поколения (он один – на 3 энергоблоке Смоленской АЭС) лишен этих недостатков.
—Реактор одноконтурный. То есть турбины вращает пар, полученный непосредственно в реакторе. А это значит, что он содержит радиоактивные компоненты. При разгерметизации турбины (а такое было на Чернобыльской АЭС в 1993 году) ее ремонт будет сильно усложнен, а, может быть, и невозможен.
—Срок службы реактора определяется сроком службы графита (30-40 лет). Затем наступает его деградация, проявляющаяся в его разбухании. Этот процесс уже вызывает серьезные опасения на старейшем энергоблоке РБМК Ленинград-1, построенном в 1973 году (ему уже 39 лет). Наиболее вероятный выход из ситуации – заглушение n-нного количества каналов для уменьшения теплового расширения графита.
—Графитовый замедлитель является горючим материалом.
—Ввиду огромного количества запорной арматуры, реактор сложен в управлении.
— На 1 и 2 поколениях существует неустойчивость при работе на малых мощностях.
В целом можно сказать, что РБМК – хороший реактор для своего времени. В настоящее время принято решение не строить энергоблоки с этим типом реакторов.
2) Реактор ВВЭР.
На смену РБМК в настоящее время приходит ВВЭР. Он обладает значительными плюсами по сравнению с РБМК.
Активная зона полностью находится в очень прочном корпусе, который изготавливают на заводе и привозят железнодорожным, а затем и автомобильным транспортом на строящийся энергоблок в полностью готовом виде. Замедлителем является чистая вода под давлением. Реактор состоит из 2-х контуров: вода первого контура под большим давлением охлаждает топливные сборки, передавая тепло 2-му контуру с помощью парогенератора (выполняет функцию теплообменника между 2-ми изолированными контурами). В нем вода второго контура кипит, превращается в пар и идет на турбину. В первом контуре вода не кипит, так как она находится под очень большим давлением. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе и снова идет в парогенератор. Двухконтурная схема обладает значительными плюсами по сравнению с одноконтурной:
Пар, идущий на турбину не радиоктивен.
Мощностью реактора можно управлять не только стержнями-поглотителями, но и раствором борной кислоты, что делает реактор более устойчивым.
Элементы первого контура располагаются очень близко друг от друга, поэтому их можно поместить в общую защитную оболочку. При разрывах в первом контуре радиоактивные элементы попадут в гермооболочку и не выйдут в окружающую среду. Кроме того гермооболочка защищает реактор от внешнего воздействия (например от падения небольшого самолета или взрыва за периметром станции).
Реактор не сложен в управлении.
Имеются так же и минусы:
—В отличие от РБМК, топливо нельзя менять при работающем реакторе, т.к. оно находится в общем корпусе, а не в отдельных каналах, как в РБМК. Время перезагрузки топлива обычно совпадает со временем текущего ремонта, что уменьшает воздействие этого фактора на КИУМ (коэффициент используемой установленной мощности).
—Первый контур находится под большим давлением, что потенциально может вызвать больший масштаб аварии при разгерметизации, чем РБМК.
—Корпус реактора очень сложно перевезти с завода-изготовителя на стройплощадку АЭС.
Что же, работу тепловых электростанций мы рассмотрели, теперь рассмотрим работу
Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.
Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией - естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию. ГЭС обладают очень высокой маневренностью вырабатываемой мощности, а также малой стоимостью вырабатываемой электроэнергии. Эта особенность ГЭС привела с созданию другого типа электростанции – ГАЭС. Такие станции способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (обычно ночью), гидроагрегаты ГАЭС работают как насосы, потребляя электрическую энергию из энергосистемы, и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность (в пики нагрузки), вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины. ГАЭС выполняют исключительно важную функцию в энергосистеме (регулирование частоты), но они не получают широкого распространения у нас в стране, т.к. в итоге они потребляют больше мощности, чем выдают. То есть станция такого типа убыточна для владельца. Например, на Загорской ГАЭС мощность гидрогенераторов в генераторном режиме 1200 МВт, а в насосном – 1320 МВт. Однако такой тип станции наилучшем образом подходит для быстрого увеличения или уменьшения вырабатываемой мощности, поэтому их выгодно сооружать около, например, АЭС, так как последние работают в базовом режиме.
Мы с вами рассмотрели как именно производится электрическая энергия. Пора задать себе серьезный вопрос: «А какой тип станций наилучшем образом отвечает всем современным требованиям по надежности, экологичности, а кроме этого, еще и будет отличаться малой стоимостью энергии?» Каждый ответит на этот вопрос по-разному. Приведу свой список «лучших из лучших».
1) ТЭЦ на природном газе. КПД таких станций очень высок, высока и стоимость топлива, но природный газ – один из самых «чистых» видов топлива, а это очень важно для экологии города, в черте которых обычно и располагаются ТЭЦ.
2) ГЭС и ГАЭС. Преимущества над тепловыми станциями очевидно, так как этот тип станции не загрязняет атмосферу и производит самую «дешевую» энергию, которая плюс ко всему является возобновляемым ресурсом.
3) ПГУ на природном газе. Самый высокий КПД среди тепловых станций, а так же малое количество потребляемого топлива, позволит частично решить проблему теплового загрязнения биосферы и ограниченных запасов ископаемого топлива.
4) АЭС. В нормальном режиме работы АЭС выбрасывает в окружающую среду в 3-5 раз меньше радиоактивных веществ, чем тепловая станция той же мощности, поэтому частичное замещения тепловых электростанций атомными вполне оправдано.
5) ГРЭС. В настоящее время на таких станциях в качестве топлива используют природный газ. Это является абсолютно бессмысленным, так как с тем же успехов в топках ГРЭС можно утилизировать попутный нефтяной газ (ПНГ) или сжигать уголь, запасы которого огромны, по сравнению с запасами природного газа.
На этом я завершаю первую часть статьи.
Материал подготовил:
студент группы ЭС-11б ЮЗГУ Агибалов Сергей.
Конденсатный и питательные насосы - питательной воды - паровой котёл. Схема пароводяного тракта является основной технологической схемой паротурбинной и носит название схемы КЭС.
Рис. 2. Пространственный вид (разрез) главного корпуса электростанции и связанных с ним устройств: I - кoтельное отделение; II - машинное отделение (машинный зал); III - береговая водонасосная установка; 1 - угольный склад; 2 - дробильная установка; 3 - водяной экономайзер; 4 - пароперегреватель; 5 - паровой котёл; 6 - топочная камера; 7 - пылеугольные горелки; 8 - паропровод от котла к турбине; 9 - барабанно-шаровая угольная мельница; 10 - бункер угольной пыли; 11 - бункер сырого угля; 12 - щит управления блоком электростанции; 13 - деаэратор; 14 - паровая турбина; 15 - электрический генератор; 16 - электрический повысительный трансформатор; 17 - паровые конденсаторы; 18 - трубопроводы охлаждающей воды; 19 - конденсатные насосы; 20 - регенеративные подогреватели низкого давления; 21 - питательный насос; 22 - регенеративные подогреватели высокого давления; 23 - дутьевой вентилятор; 24 - золоуловитель; 25 - шлак, зола; ЭЭ - электрическая энергия.
Основные технико-экономические требования к КЭС - , манёвренность и экономичность. Требование высокой надёжности и манёвренности обусловливается тем, что производимая КЭС потребляется сразу же, т. е. КЭС должна производить столько электроэнергии, сколько необходимо её потребителям в данный момент.
Экономичность сооружения и КЭС определяется удельными капиталовложениями (110-150 руб. на установленный квт), себестоимостью (0,2-0,7 коп./квт × ч), обобщающим показателем - удельными расчётными затратами (0,5-1,0 коп./квт × ч). Эти показатели зависят от КЭС и её агрегатов, вида и стоимости топлива, режимов работы и кпд процесса энергии, а также местоположения . Затраты на составляют обычно более половины стоимости производимой электроэнергии. Поэтому к КЭС предъявляют, в частности, требования высокой экономичности, т. удельных расходов тепла и топлива, высокого кпд.
Общий кпд современной КЭС - 35-42% и определяется кпд усовершенствованного термодинамического цикла Ренкина (0,5-0,55), внутренний относительный кпд турбины (0,8-0,9), механический кпд турбины (0,98-0,99), кпд электрического (0,98-0,99), кпд пара и воды (0,97-0,99), кпд (0,9-0,94).
Увеличение кпд КЭС достигается главным образом повышением начальных (начальных давления и температуры) водяного пара, совершенствованием термодинамического цикла, а именно - применением промежуточного пара и регенеративного подогрева конденсата и питательной воды паром из отборов турбины. На КЭС по технико-экономическим применяют начальное пара докритическое 13-14, 16-17 или сверхкритическое 24-25 Мн/м 2 , начальную температуру свежего пара, а также после промежуточного перегрева 540-570 °С. В и за рубежом созданы опытно-промышленные с начальными параметрами пара 30-35 Мн/м 2 при 600-650 °С. Промежуточный перегрев пара применяют обычно одноступенчатый, на некоторых зарубежных КЭС сверхкритического давления - двухступенчатый. Число регенеративных отборов пара 7-9, конечная температура подогрева питательной воды 260-300 °С. Конечное давление отработавшего пара в турбины 0,003-0,005 Мн/м 2 .
Рис. 1. Простейшая тепловая схема КЭС: Т - топливо; В - воздух; УГ - уходящие газы; ШЗ - шлаки и зола; ПК - паровой котёл; ПЕ - пароперегреватель; ПТ - паровая турбина; Г - электрический генератор; К - конденсатор; КН - конденсатный насос; ПН - питательный насос.
В условиях тёплого климата (например, на Кавказе, в Средней Азии, на Ю. США и др.), при отсутствии значительных атмосферных осадков, пылевых бурь и т. п., на КЭС, особенно газомазутных, применяют открытую компоновку оборудования. При этом над котлами устраивают навесы, турбоагрегаты защищают лёгкими укрытиями; вспомогательное оборудование турбоустановки размещают в закрытом конденсационном помещении. Удельная кубатура главного корпуса КЭС с открытой компоновкой снижается до 0,2-0,3 м 3 /квт, что удешевляет сооружение КЭС. В помещениях устанавливают мостовые краны и др. грузоподъёмные для монтажа и ремонта энергетического оборудования.
КЭС сооружают непосредственно у (река, озеро, море); часто рядом с КЭС создают пруд-водохранилище. На территории КЭС, кроме главного корпуса, размещают сооружения и устройства технического водоснабжения и химводоочистки, топливного хозяйства, электрические , распределительные устройства, и мастерские, материальные склады, служебные помещения для , обслуживающего КЭС. Топливо на территорию КЭС подаётся обычно ж. д. составами. Золу и шлаки из топочной камеры и золоуловителей удаляют гидравлическим способом. На территории КЭС прокладывают ж. д. пути и автомобильные дороги, сооружают выводы , инженерные наземные и подземные коммуникации. Площадь территории, занимаемой сооружениями КЭС, составляет, в зависимости от , вида топлива и др. условий, 25-70 га.
