Атомная электростанция

А́томная электроста́нция

(АЭС), электростанция, на которой ядерная преобразуется в электрическую. Первичным источником энергии на АЭС служит ядерный реактор , в котором протекает управляемая цепная реакция деления ядер некоторых тяжёлых элементов. Выделяющаяся при этом теплота преобразуется в электрическую энергию, как правило, так же, как на обычных тепловых электростанциях (ТЭС). Ядерный реактор работает на ядерном топливе, в основном на уране-235, уране-233 и плутонии-239. При делении 1 г изотопов урана или плутония выделяется 22.5 тыс. кВт·ч энергии, что соответствует сжиганию почти 3 т условного топлива.

Первая в мире опытно-промышленная АЭС мощностью 5 МВт была построена в 1954 г. в России в г. Обнинске. За рубежом первая АЭС промышленного назначения мощностью 46 МВт была введена в эксплуатацию в 1956 г. в Колдер-Холле (Великобритания). К кон. 20 в. в мире действовало св. 430 энергетических ядерных реакторов общей электрической мощностью ок. 370 тыс. МВт (в т. ч. в России – 21.3 тыс. МВт). Приблизительно одна треть этих реакторов работает в США, более чем по 10 действующих реакторов имеют Япония, Германия, Канада, Швеция, Россия, Франция и др.; единичные ядерные реакторы – многие другие страны (Пакистан, Индия, Израиль и т. д.). На АЭС вырабатывается ок. 15 % всей производимой в мире электроэнергии.

Основными причинами быстрого развития АЭС являются ограниченность запасов органического топлива, рост потребления нефти и газа для транспортных, промышленных и коммунальных нужд, а также рост цен на невозобновляемые источники энергии. Подавляющее большинство действующих АЭС имеют реакторы на тепловых нейтронах: водо-водяные (с обычной водой в качестве и замедлителя нейтронов, теплоносителя); графитоводные (замедлитель – графит, теплоноситель – вода); графитогазовые (замедлитель – графит, теплоноситель – газ); тяжеловодные (замедлитель – тяжёлая вода, теплоноситель – обычная вода). В России строят гл. обр. графитоводные и водо-водяные реакторы, на АЭС США применяют в основном водо-водяные, в Англии – графитогазовые, в Канаде преобладают АЭС с тяжеловодными реакторами. Кпд АЭС несколько меньше, чем кпд ТЭС на органическом топливе; общий кпд АЭС с водо-водяным реактором составляет ок. 33 %, а с тяжеловодным реактором – ок. 29 %. Однако графитоводные реакторы с перегревом пара в реакторе имеют кпд, приближающийся к 40 %, что сопоставимо с кпд ТЭС. Зато АЭС, по существу, не имеет транспортных проблем: напр., АЭС мощностью 1000 МВт потребляет за год всего 100 т ядерного топлива, а аналогичной мощности ТЭС – ок. 4 млн. т угля. Самым большим недостатком реакторов на тепловых нейтронах является очень низкая эффективность использования природного урана – ок. 1 %. Коэффициент использования урана в реакторах на быстрых нейтронах гораздо выше – до 60–70 %. Это позволяет использовать делящиеся материалы с гораздо меньшим содержанием урана, даже морскую воду. Однако быстрые реакторы требуют большого количества делящегося плутония, который извлекается из выгоревших тепловыделяющих элементов при переработке отработанного ядерного топлива, что достаточно дорого и сложно.

Все реакторы АЭС снабжаются теплообменниками; насосами или газодувными установками для циркуляции теплоносителя; трубопроводами и арматурой циркуляционного контура; устройствами для перезагрузки ядерного топлива; системами специальной вентиляции, сигнализации аварийной обстановки и др. Это оборудование, как правило, находится в отсеках, отделённых от других помещений АЭС биологической защитой. Оборудование машинного зала АЭС примерно соответствует оборудованию паротурбинной ТЭС. Экономические показатели АЭС зависят от кпд реактора и другого энергетического оборудования, коэффициента использования установленной мощности за год, энергонапряжённости активной зоны реактора и т. д. Доля топливной составляющей в себестоимости вырабатываемой электроэнергии АЭС – всего 30–40 % (на ТЭС 60–70 %). Наряду с выработкой электроэнергии АЭС используются также для опреснения воды (Шевченковская АЭС в Казахстане).

Энциклопедия «Техника». - М.: Росмэн . 2006 .

Синонимы :

Смотреть что такое "атомная электростанция" в других словарях:

Электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую энергию. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Синонимы: АЭС См. также: Атомные электростанции Электростанции Ядерные реакторы Финансовый словарь… … Финансовый словарь

- (АЭС) электростанция, на которой ядерная (атомная) энергия преобразуется в электрическую. На АЭС тепло, выделяющееся в ядерном реакторе, используется для получения водного пара, вращающего турбогенератор. 1 я в мире АЭС мощнностью 5 МВт была… … Большой Энциклопедический словарь

Электростанция, на которой ядерная (атомная) энергия преобразуется в электрическую, где тепло, выделяющееся в ядерном ректоре за счет деления атомных ядер, используется для получения водяного пара, вращающего турбогенератор. EdwART. Словарь… … Словарь черезвычайных ситуаций

атомная электростанция - Электростанция, преобразующая энергию деления ядер атомов в электрическую энергию или в электрическую энергию и тепло. [ГОСТ 19431 84] Тематики атомная энергетика в целом Синонимы АЭС EN atomic power plantatomic power stationNGSNPGSNPPNPSnuclear… … Справочник технического переводчика

атомная электростанция - Электростанция, на которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Syn.: АЭС … Словарь по географии

- (АЭС) Nuclear Power Plant атомная станция, предназначенная для производства электроэнергии. Термины атомной энергетики. Концерн Росэнергоатом, 2010 … Термины атомной энергетики

Сущ., кол во синонимов: 4 атомный гигант (4) аэс (6) мирный атом (4) … Словарь синонимов

См. также: Список АЭС мира Страны с атомными электростанциями … Википедия

- (АЭС) электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор (см. Ядерный реактор). Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления… … Большая советская энциклопедия

- (АЭС), электростанция, на которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. На АЭС тепло, выделяющееся в ядерном реакторе, используется для получения водяного пара, вращающего турбогенератор. В качестве ядерного горючего в составе… … Географическая энциклопедия

- (АЭС) электростанция, в к рой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. На АЭС теплота, выделяющаяся в ядерном реакторе в результате цепной реакции деления ядер нек рых тяжёлых элементов, в осн. 233U, 235U, 239Рu, преобразуется в… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Книги

• Записки строителя , А. Н. Комаровский , Воспоминания Героя Социалистического Труда, лауреата Ленинской и Государственной премий, доктора технических наук, профессора, генерал-полковника-инженера Александра Николаевича Комаровского… Категория: Градостроительство и архитектура Издатель:

Массовая энергонапряженность

Объемная энергонапряженность.

2 Тепловые схемы АЭС

Основное технологическое оборудование

2.1.Типы атомных станций

В настоящее время практически все стации работают как конденсационные, т. е. в качестве рабочей среды используется водяной пар.

Атомные электрические станции АЭС – предназначены для коммерческого производства электрической энергии, но на практике они в той или иной мере производят отпуск тепловой энергии сторонним организациям, но доля его намного меньше затрат на получение электроэнергии. АЭС предназначенные не только для производства электроэнергии, но и для выработки тепла называют АТЭЦ (атомная тепловая электроцентраль), классический пример – Билибинская. Кроме того, существуют ядерные энергетические установки, предназначенные только для отпуска тепловой энергии – АСТ (атомные станции теплоснабжения).

В системе любой станции различают теплоноситель и рабочее тело. Для АЭС рабочим телом является среда, с помощью которой тепловая энергия переходит в механическую (в большинстве АЭС рабочим телом является водяной пар). Однако с точки зрения термодинамики существенно выгоднее использовать в качестве рабочего тела газовые среды.

Назначение теплоносителя – отводить тепло при освобождении внутриядерной энергии. При этом необходим замкнутый контур теплоносителя по следующим причинам:

· теплоноситель активируется;

· требуется высокая чистота теплоносителя, поскольку любые отложения на поверхности ТВЭЛ приводят к существенному увеличению температуры оболочек твэл. В этой связи основная классификация АЭС зависит от числа контуров.

2.1.1 Одноконтурные АЭС

В общем случае, для любой ядерно-энергетической установки можно выделить контур теплоносителя и контур рабочего тела. Если два этих контура совмещены, то такая АЭС называется одноконтурной. В активной зоне ядерного реактора происходит парообразование, но вода только частично превращается в пар, что обусловлено нейтронной физикой. Пар и вода разделяются либо в самом корпусе реактора, либо в барабан сепараторе, далее пар поступает на турбину, конденсируется и возвращается в реактор. Приведем упрощенную схему такой одноконтурной АЭС.

Рис.2.1. Упрощенная схема одноконтурной АЭС.

1 – реактор с кипением и внутри корпусным разделением паровой и жидкой фаз; 2 – паровая турбина; 3 – электрический генератор; 4 – конденсатор (чтобы увеличить перепад давления на турбине давление в конденсаторе должно быть меньше атмосферного); 5 – конденсатный насос; 6 – циркуляционный насос.

В корпусе реактора происходит разделение смеси, барабан-сепаратор отсутствует. Внутренняя энергия теплоносителя, запасенная в реакторе, переходит в механическую энергию вращения вала турбины, (рабочее тело существенно увеличивает свой объем). Все оборудование контура подвержено радиоактивному загрязнению, что усложняет как эксплуатацию, так и проведение ремонтных работ .

По одноконтурной схеме работает реактор РБМК (канальный реактор)

Рис.2.2. Тепловая схема реактора РБМК.

1- технологический канал реактора с кипящим теплоносителем; 2 – паровая турбина; 3 – генератор; 4 – конденсатор; 5 – питательный насос;6 – циркуляционный насос;7 – барабан-сепаратор.

Если контур ТН и рабочее тело разделены, то такая АЭС называется двухконтурной.

Если парообразование в первом контуре отсутствует, необходим 2 элемент, который служит устройством для компенсации объема расширяющегося рабочего тела, находящегося в жидкой фазе. С точки зрения радиационного облучения персонала второй контур можно считать безопасным.

Если в первом и во втором контуре в качестве теплоносителя используется легкая вода, то необходимо удовлетворить следующие условия.

Температура теплоносителя в первом контуре выше температуры рабочего тела второго контура Т1> Т2 , и соответственно давление Р1>Р2 . Так для водо- водяного реактора ВВЭР-1000 эти параметры примерно составляют–Т1 =320 , Т2 =289 ; Р1 =16 МПа, Р2 =7 МПа, чем обеспечиваются условия для реализации активного парообразования во втором контуре при отсутствии такового в первом.

С точки зрения капитальных затрат одноконтурные и двухконтурные реакторы одинаковой мощности имеют примерно паритет. Это объясняется необходимостью изготавливать технологический контур в первом варианте из дорогостоящих коррозионно-стойких материалов. Однако себестоимость электрической энергии для одноконтурной АЭС оказывается несколько ниже чем для двухконтурной.

Рис. 2.3. Тепловая схема двухконтурной АЭС.

1 – реактор с не кипящим теплоносителем; 2 – компенсатор объема; 3 – парогенератор (ПГ), где энергия теплоносителя первого контура превращается в энергию парообразования во втором контуре (в первом контуре теплоноситель, во втором контуре – рабочее тело); 4 – паровая турбина; 5 – генератор; 6 – конденсатор; 7 – конденсатный насос; 8 – циркуляционный насос; I к. – первый контур; II к. – второй контур.

Существует неполная двухконтурная схема (1 – 2 блоки БАЭС).

Рис. 2.4 Тепловая схема 1-го и 2-го блоков БАЭС.

1 – реактор с кипящим теплоносителем; 2 – паровая турбина; 3 – генератор; 4 – конденсатор; 5 – конденсаторный насос; 6 – циркуляционный насос; 7 – парогенератор (ПГ); 8 – барабан-сепаратор; 9 - пароперегревательный канал (ППК); 10 – испарительный канал (ИК).

Существенное отличие данной схемы от ниже рассмотренной заключается в том, что пар второго контура (как же и теплоноситель первого контура) направляется в пароперегревательные каналы, в которых реализуются условия ППК, в ИК вода кипит, в барабан сепараторе – разделяется. Трехконтурная АЭС. БН-– аналогично.

2.2.Основное технологическое оборудование.

По отдельным стадиям технологического процесса все оборудование подразделяют на реакторную, парогенераторную, паротурбинную, конденсатную установки, питательный тракт.

Рассмотрим упрощенную схему двухконтурной АЭС. Как для одноконтурной, так и для двухконтурной АЭС с водным теплоносителем начальный перегрев пара весьма незначителен. Следовательно, в турбину поступает пар практически на линии насыщения, где при расширении и снижении температуры он быстро увлажняется. Во избежание интенсивного износа лопаточного аппарата турбины. предельное значение допустимой влажности пара в турбине составляет 10÷12%. С этой целью турбину разделяют на цилиндры высокого, среднего и низкого давления, между которыми устанавливаются устройства, где либо от паровой фазы отделяется жидкая фаза – сепараторы, либо подводом тепла переводят жидкость в пар - подогреватели.

Рис.2.5. Тепловая схема ЯЭУ.

1-реакторная установка; 2-компенсатор объема; 3-парогенератор; 4-цилиндр турбины высокого давления; 5--цилиндр турбины низкого давления; 6-электрогенератор; 7-сепаратор пара; 8-конденсатор; 9-конденсационный насос; 10-конденсационная очистка (фильтр); 11-подогреватели низкого давления (ПНД); 12-диаэраторная колонка; 13-диаэраторный бак; 14-питательный насос; 15-подогреватели высокого давления (ПВД); 16-сетевой подогреватель; 17- ГЦН; 18-сетевой насос.

Таким образом, основными технологическими звеньями энергоблока атомной установки являются: реактор, парогенератор, турбина-генератор, конденсатная установка, диэраторная установка, питательный тракт (насосы, баки), ПВД и ПНД, питательные конденсатные насосы, ГЦН.

2.3 Организация термодинамического цикла.

Регенерация. КПД.

Применение законов термодинамики для реактора позволяет записать:

(2.1)

Разнообразие существующих типов ядерных реакторов, теплоносителей и энергетического оборудования обуславливает разнообразие термодинамических циклов - совокупности взаимных рабочих процессов, происходящих в энергетической системе в виде взаимных контуров АЭС. Термодинамический цикл влияет на экономичность АЭС, обуславливает выбор схемы и основных параметров энергетической установки. Основным показателем термодинамического цикла служит термический КПД (или КПД цикла Ренкина) – это отношение теоретической работы цикла к количеству теплоты, подведенной к рабочему телу.

Теоретическая работа цикла:

где https://pandia.ru/text/78/252/images/image062_12.gif" width="36" height="27 src="> - теоретическая работа расширения без учета потерь; - коэффициент, учитывающий необратимость процесса расширения; аналогично

. (2.3)

Рис.2.6. Схема простейшего термодинамического цикла в TS -координатах.

Из этой диаграммы следует:

1 - начало процесса сжатия рабочего тела

1-2 – адиабатическое сжатие рабочего тела с ростом внутренней энергии;

2-3 -отбор тепловой энергии от нагревателя, площадь фигуры 23S2S1 – пропорциональная подводимому теплу;

3-4 – адиабатическое расширение рабочего тела за счет уменьшения внутренней энергии;

4-1 -отвод тепловой энергии в холодильнике, площадь фигуры 14S2S1 – пропорциональная отводимому теплу Q2 ,

Lцт - теоретическая работа цикла.

(2.4)

Отсюда следует

(2.5)

Или в сокращенном виде

(2.6)

Рис.2.7. Схема простейшей паротурбинной установки.

1-парогенератор; 2- турбогенератор; 3- конденсатор; 4- главный циркуляционный насос.

Для турбины, работающей на насыщенном паре КПД цикла Карно можно представить в виде

(2.7)

где iк, iпв – энтальпия воды на выходе из конденсатора и после насоса соответственно, кДж/кг; i0 , - энтальпия пара перед турбиной и на входе в конденсатор при адиабатическом расширении в турбине, кДж/кг.

Выражение (2.7) можно представить в виде

. (2.8)

На Рис.2.8 изображен рабочий процесс расширения пара в турбине на T-S диаграмме, из которой можно отметить, что разность i0 - в уравнении (2.8) представляет собой располагаемый (адиабатный) перепад энтальпии в турбине (работа расширения). Разность энтальпий iпв-ik в рассматриваемых условиях выражает затраты энергии в насосе, отнесенные к 1 кг воды при ее адиабатическом сжатии (работа сжатия). Если учесть неадиабатичность расширения пара в турбине, то энтальпия пара на выходе из турбины возрастет и примет значение , что на Рис. 2.12 соответствует точке 6. На это увеличение энтальпии возрастет количество тепла, передаваемое на 1 кг пара охлаждающей воде в конденсаторе.

В первом приближении вторым слагаемым в числиможно пренебречь, так как в реальных установках затраты на сжатие водного теплоносителя составляют ~1% от работы расширения. Тогда КПД цикла Ренкина можно записать в упрощенном виде:

где i1 - i2 - перепад энтальпий на турбине, i3 –удельная энтальпия воды на выходе из конденсатора.

Рис.2.8. Термодинамический цикл Ренкина для простейшей паротурбинной установки при работе на насыщенном паре.

Из приведенной диаграммы Рис. 2.8 видно, что термический КПД определяют две адиабаты и две изобары, в то же время КПД цикла Карно зависит от двух адиабат и двух изотерм. КПД цикла Карно всегда больше КПД термического цикла так как

Важно отметить, что величина термического КПД для современных энергетических блоков составляет 30-40 %, или, другими словами, площади фигур 123451 и S112345S4 на Рис.2.8 в реальном масштабе имеют точно такое соотношение.

Способы повышения термического КПД.

· Повышать давление, следовательно, парообразование будет реализовываться при больших температурах.

· В конденсатор подавать более холодную воду для более сильного охлаждения рабочего тела.

2.4 Выбор теплофизических параметров для получения максимального термического КПД

Рассмотрим влияние теплофизических параметров рабочего тела на входе в турбину (точка 4 Рис.2.8). Из справочных данных можно построить графические зависимости удельной энтальпии как функции удельной энтропии при разных давлениях теплоносителя в точке 4 термодинамического цикла, который будет иметь следующий вид:

Рис.2.9. Графический вид зависимости теплосодержания от энтропии.

Давление в конденсаторе; https://pandia.ru/text/78/252/images/image080_13.gif" width="23 height=24" height="24">.gif" width="29" height="31 src=">.jpg" width="584" height="752">

Рис.2.10. Схема организации регенеративного цикла.

, , , – доли пара в отборах соответствующих цилиндров; https://pandia.ru/text/78/252/images/image089_12.gif" width="13" height="24 src=">.gif" width="20" height="24 src="> - доля пара, попадающая в конденсатор; 8, 9, 10 – три теплообменника для подогрева рабочего тела. 1–7?

Рис.2.11. Теплофизика ЯЭУ с организацией регенерации тепла.

Анализируя график зависимости Т(S) можно видеть, что в реальном масштабе переменных Т и S площадь фигуры 5’4C4’5’ будет соответствовать уменьшению числителя в определении термического КПД, однако и знаменатель этой формулы уменьшится на величину существенно большей площади фигуры 5”5"4"4”5” . Из рисунка видно, что КПД цикла Ренкина при организации регенеративного отбора будет значительно большим, чем при работе в безотборном режиме. Но в данной схеме необходимо всегда собдюдать условие, площадь фигуры S34’4”5”5’3 (количество тепла всех отборов) должна быть меньше площади фигуры (отбор тепла для нагрева рабочего тела до насыщения), так как в противном случае в теплообменниках регенеративных подогревателей будут идти процессы кипения, а значит, мы лишимся отбора тепла за счет теплоты парообразования в самом реакторе или парогенераторе.

В этом варианте термический КПД может быть представлен в следующей форме:

(2.11)

Где https://pandia.ru/text/78/252/images/image095_11.gif" width="77 height=45" height="45">, можно записать

Следовательно, всегда выполняется условие:

При бесконечном числе отборов КПД Карно и термический КПД равны, что является мощным способом увеличения реального КПД. Использование регенеративных подогревателей ведет к увеличению температуры питательной воды на входе в парогенератор. Термический КПД определяется интегралом от средней температуры при нагреве теплоносителя. Необходимо найти оптимальное соотношение числителя и знаменателя термического КПД для любого числа отборов. Исходя из паспортных данных турбины, задаваясь температурой и давлением теплоносителя на выходах из регенеративных подогревателей можно по справочнику найти энтальпии теплоносителя в данных условиях. Составляя уравнения материального и теплового баланса для сборника конденсата можно рассчитать КПД такого устройства.

Рис. 2.12. График зависимости роста КПД от температуры питательной воды и числа отборов.

При бесконечном числе отборов нет максимума на зависимости термического КПД от температуры питательной воды. Анализ показывает, что организация оптимального трехотборного режима увеличивает термический КПД более чем на 10%, что в обычных условиях потребовало бы увеличения давления в конденсаторе с 30 до 60 атм. При температуре Т =3500С, что в существенной мере упрощает проблему прочности реактора.

2.6 Внутренний КПД турбины.

Термический КПД оценивает эффективность идеального преобразования (адиабатного) перепада энтальпии. В реальных условиях рабочего процесса за счет трения пара, в проточной части турбины, увеличивается энтропию на выходе из турбины на величину S6-S1 (точка 6 на Рис.2.8). Очевидно, что на такое же значение возрастет количество тепла, передаваемое охлаждающей воде, рассчитанные на 1 кг пара. Важно отметить, что в данном случае мы имеем ситуацию уменьшению термического КПД за счет существенного увеличения сброса тепла в конденсатор при незначительном росте его полезного использования. Отношение адиабатного перепада энтальпии в идеальной турбине к реальному перепаду (характеризует совершенство проточной ее части) называют внутренним относительным КПД турбины, который определяют следующим образом:

. (2.13)

Обычно MsoFooter" style="border-collapse: collapse;border:none">

2.7 Коэффициент полезного действия АЭС

Мы рассматривали , который характеризует механическое преобразование тепловой энергии в электрическую, однако, для АЭС больший интерес представляет общий КПД «брутто» и «чистый» КПД – «нетто». «Брутто» характеризует совершенство преобразования ядерной энергетической установкой энергии реактора в электрическую энергию. «Нетто» же учитывает расходы электрической энергии на собственные нужды и оценивает теплотехническую и экономическую надежность станции.

• I. Общие вопросы тэс и аэс
• 1. Каковы основные требования к работе тепловых и атомных электростанций?
• 2. Какие электрические и тепловые нагрузки могут покрываться тепловыми и атомными электростанциями? Какие существуют графики электрических и тепловых нагрузок?
• 3. Какие существуют показатели режимов производства и потребления электрической и тепловой энергии?
• 4. Каковы возможность и целесообразность аккумулирования электрической и тепловой энергии?
• 5. Какие существуют тепловые электростанции по виду используемой первичной природной энергии и по типу двигателя?
• 6. Как классифицируются тэс по виду опускаемой энергии и по установленной электрической мощности? Что такое грэс? к какому типу электростанций по виду отпускаемой энергии относятся аэс?
• 7. Как классифицируются электростанции по степени загрузки? к какому типу электростанций по этому признаку относятся грэс, тэц, аэс, гэс?
• 8. Как классифицируются тэс по начальным параметрам водяного пара? к какому типу электростанций по этому признаку могут относиться грэс, тэц, аэс?
• 9. Чем отличаются блочные и неблочные (с поперечными связями) тепловые схемы тэс? Каковы их достоинства и недостатки? Как выбирается структура тепловой схемы электростанции?
• II. Технологическая схема электростанции
• 10. Что такое технологическая схема тэс? Что включает в себя технологическая схема пылеугольной тэс? Какое оборудование тэс и аэс считается основным, а какое вспомогательным?
• 11. Как происходит процесс преобразования энергии на тэс, работающей на органическом топливе?
• 12. Как осуществляется подготовка топлива на электростанциях, работающих на угле, мазуте, природном газе, и на аэс?
• 13. Каково назначение дутьевого вентилятора, регенеративного воздухоподогревателя, дымососа, золоуловителя, дымовой трубы? Как производится золошлакоудаление на пылеугольной тэс?
• III. Показатели тепловой экономичности
• 14. Какие потери энергии учитывает термический кпд цикла рабочего тела? Каковы основные способы повышения термического кпд цикла?
• 16. Какие потери энергии учитывает кпд тепловой электростанции в целом? Чем отличаются кпд станции брутто и нетто?
• 17. Что такое условное топливо? Введите понятия: удельный расход пара на турбину, удельный расход теплоты на турбоустановку, удельный расход условного топлива электростанции.
• IV. Выбор начальных и конечных параметров пара
• 19. Как выбираются начальные параметры пара на тэс, чем они ограничены? Что такое равнопрочные начальные параметры пара? Каковы начальные параметры пара в отечественной теплоэнергетике?
• 21. Какие факторы влияют на выбор конечных параметров пара? Что такое кратность охлаждения в конденсаторе? Каково конечное давление пара на тэс и аэс?
• 22. Какие существуют способы расширения действующих электростанций турбоустановками высоких параметров? Каковы достоинства и недостатки этих способов?
• V. Промежуточный перегрев пара
• 23. Каково назначение промежуточного перегрева пара? Как он осуществляется на тэс и аэс? Сравните эффективность промперегрева на кэс и тэц.
• 24. Как выбирается количество ступеней и давление промперегрева? Почему давление промперегрева на тэц желательно иметь выше, чем на кэс?
• VI. Регенеративный подогрев питательной воды
• 25. Каково назначение системы регенеративного подогрева питательной воды? Как выбирается количество ступеней подогрева?
• 26. Как распределяется суммарный подогрев между ступенями? Как определяется оптимальная температура питательной воды парогенератора?
• 27. Каковы достоинства и недостатки регенеративных подогревателей смешивающего и поверхностного типов? Как определяется расход отборного пара в них и оптимальная величина недогрева?
• 28. Что такое коэффициент недовыработки мощности паром отбора? Как определяется расход свежего пара на турбоустановку с регенеративным подогревом питательной воды?
• 29. Каково влияние регенеративного подогрева на конечную влажность пара? Как влияет промперегрев пара на эффективность регенерации? Сравните эффективность регенерации на кэс и тэц.
• 30. Какие бывают схемы вывода дренажей регенеративных подогревателей? Каково назначение охладителей дренажа и пароохладителей?
• VII. Восполнение потерь пара и конденсата
• 32. Какие внутристанционные и внешние потери пара и конденсата имеют место на тэс и аэс? Сравните потери рабочего тела на кэс и тэц.
• 33. Какие существуют методы подготовки добавочной воды? Каковы назначение и принцип действия расширителей, испарителей и паропреобразователей?
• VIII. Конденсационные установки
• 34. Каковы назначение и состав конденсационной установки? Как выбираются конденсатные насосы?
• 35. Каковы назначение и принцип действия эжектора? Почему на тэс и аэс предусматриваются пусковые эжекторы наряду с основными?
• IX. Системы технического водоснабжения
• 36. Каковы назначение и структура системы технического водоснабжения? Для каких целей используется техническая вода на тэс и аэс?
• X. Деаэрационно-питательные установки
• 38. Каково назначение деаэрации на тэс и аэс? Опишите пути поступления газов в пароводяной контур. Каково воздействие растворенных в воде газов на работоспособность оборудования?
• 39. Какие существуют способы деаэрации воды? Каков принцип действия деаэраторов тэс и аэс?
• 40. Приведите классификацию деаэраторов. Каковы условия применимости бездеаэраторных схем?
• 41. Каково назначение питательной установки? Зачем устанавливается бустерный насос? Каковы возможные схемы включения питательных насосов?
• XI. Отпуск тепловой энергии внешним потребителям
• 43. Как определяется присоединенная тепловая нагрузка электростанции? Приведите классификацию систем теплоснабжения.
• 44. Каковы назначение и состав сетевой подогревательной установки? Какие параметры прямой и обратной сетевой воды могут иметь системы теплоснабжения?
• XII. Трубопроводы и арматура
• XIII. Энергетические характеристики оборудования
• 47. Что такое паровая и тепловая характеристика турбоустановки? Какими энергетическими потерями обусловлен расход пара на холостой ход турбины, что такое коэффициент холостого хода?
• 48. Введите следующие понятия: номинальная, нормальная, располагаемая, рабочая, максимальная мощность агрегата. Почему номинальная мощность, как правило, превосходит располагаемую и нормальную?
• 49. Для чего строятся диаграммы режимов турбоустановок? Как ими пользоваться? Что такое конденсационный хвост турбины, зачем нужен вентиляционный пропуск пара в конденсатор?
• XIV. Выбор мощности электростанций и энергоблоков
• 50. Как выбирается мощность электростанции в целом и мощность отдельных турбоагрегатов? Чем ограничена максимальная мощность тэс и аэс?
• 51. Что представляют собой скрытый и явный резерв мощности? Что такое станционная, электросетевая, теплосетевая, системная авария? Как оценивается надежность оборудования?
• XV. Выбор места строительства тэс и аэс
• 52. Каковы основные требования к месту строительства электростанции? Каковы особенности выбора места строительства аэс? Что такое роза ветров в районе размещения станции?
• 53. Какие изыскания проводятся при определении возможных площадок строительства тэс и аэс? Как принимается окончательное решение о выборе места строительства электростанции?
• XVI. Генеральный план электростанции
• 54. Что такое генеральный план электростанции? Что показывается на генеральном плане?
• 55. Каков порядок составления генерального плана тэс и аэс? Каковы основные требования к генеральному плану?
• 56. Какие количественные показатели характеризуют совершенство генерального плана? Каковы особенности генерального плана тэц? Каковы особенности генерального плана аэс?

• Вышеназванный КПД ТЭС в целом – это КПД станции брутто , т.е. .

  Часть электроэнергии, вырабатываемой ТЭС и АЭС, расходуется на собственные нужды электростанции – на привод различных насосов, подготовку пылеугольного топлива к сжиганию, освещение цехов и т.д. Это обстоятельство учитывает КПД станции нетто , равный произведениюна величину (1 - К сн), где К сн – это доля расхода электроэнергии на собственные нужды, составляющая обычно от 4 до 10% общей мощности электростанции.

  17. Что такое условное топливо? Введите понятия: удельный расход пара на турбину, удельный расход теплоты на турбоустановку, удельный расход условного топлива электростанции.

  Для сопоставления запасов и расхода различных видов энергоресурсов (органическое топливо, гидроэнергия, ядерное топливо и др.) используется условное топливо , имеющее теплотворную способность 29310 кДж/кг (7000 ккал/кг). Это позволяет сравнивать между собой тепловую экономичность электростанций, использующих разные виды первичной природной энергии.

  Удельный расход пара на турбину – это расход свежего пара на единицу произведенной электроэнергии, кг/кВт·ч.

  Удельный расход теплоты на турбоустановку – это расход теплоты топлива на единицу произведенной электроэнергии. Данная величина является безразмерной.

  Удельный расход условного топлива электростанции – это расход условного топлива на единицу произведенной электроэнергии, гут/кВт·ч (гут – 1 грамм условного топлива).

  18. Опишите возможные способы теплоэлектроснабжения потребителей. Какие существуют показатели тепловой экономичности ТЭЦ? Что такое коэффициент теплофикации, как он зависит от температуры наружного воздуха?

  Существует два основных способа теплоэлектроснабжения потребителей :

  На базе комбинированного производства тепловой и электрической энергии (КПТЭ) турбинами ТЭЦ;

  - раздельная схема теплоэлектроснабжения , когда потребитель получает электроэнергию от энергосистемы, а тепловую энергию – от районной котельной.

  Производство электроэнергии теплофикационными турбинами ТЭЦ обеспечивает более высокие показатели тепловой экономичности по сравнению с КЭС, ибо на ТЭЦ часть работавшего в турбине пара отдает при конденсации свою теплоту не в окружающую среду, а тепловым потребителям.

  Тепловая экономичность ТЭЦ характеризуется следующими показателями:

  КПД ТЭЦ по производству электроэнергии, равный отношению электрической мощности к расходу теплоты топлива на выработку электрической энергии;

  КПД ТЭЦ по производству теплоты, равный отношению отпуска теплоты потребителям к расходу теплоты топлива на выработку тепловой энергии; этот КПД учитывает только потери в сетевых подогревателях и трубопроводах;

  Удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении, равная отношению теплофикационной электрической мощности (т.е. той части общей электрической мощности, которая обеспечивается паром, не доходящим до конденсатора) к расходу теплоты топлива на выработку тепловой энергии.

  При значительном возрастании тепловой нагрузки ТЭЦ может покрывать ее не только за счет отборов турбин, но и с помощью пиковой котельной. Коэффициент теплофикации α ТЭЦ показывает, какую долю суммарной тепловой нагрузки ТЭЦ покрывает за счет отборов турбин. В наиболее холодное время года α ТЭЦ уменьшается, так как возрастает доля тепловой нагрузки ТЭЦ, покрываемая за счет пиковой котельной.

Как первый закон термодинамики позволяет организовать учет энергии в рамках технологического процесса или установки?

В частности, первый закон термодинамики утверждает, что энергия не может создаваться или уничтожаться, но может лишь переходить из одной формы в другую. Это позволяет организовывать учет энергии в рамках технологического процесса или установки, рассчитывать КПД процессов и т.п.

Как второй закон термодинамики определяет потери тепла или энергии?

Согласно второму закону термодинамики, никакой процесс преобразования энергии не допускает совершения полезной работы, равной 100% затраченной энергии. Неизбежно существуют потери в форме рассеяния низкопотенциального тепла или энергии, и, как следствие, КПД никакого процесса или машины не может достигать 100%.

Чем обусловлена оптимизация расхода пара на деаэратор?

В результате деаэрации концентрации растворенного кислорода и диоксида углерода снижаются до уровня, безопасного с точки зрения коррозии. Для предотвращения коррозии в большинстве котлов высокого давления (> 13,79 бар (м)) концентрация кислорода не должна превышать 5 част./млрд. (частей на миллиард).

Пар, подаваемый в деаэратор, обеспечивает нагрев смеси возвратного конденсата и подпиточной воды до температуры насыщения, а также физическое действие (барботирование), приводящее к выделению растворенных газов. После использования большая часть пара конденсируется, однако незначительная его доля (как правило, от 5 до 14 %) выбрасывается вместе с газами в составе выпара. Потребности деаэратора в паре должны быть проанализированы и оценены при рассмотрении любых планов реконструкции паровых систем, а также мер по возврату конденсата и утилизации тепловой энергии.

(Как правило, при проектировании деаэраторов рассчитывается расход пара, необходимый для подогрева воды, а затем проектировщики при необходимости обеспечивают достаточность расхода и для барботажа. При высокой степени возврата конденсата (>80 %) и его высоком давлении по сравнению с давлением в деаэраторе требуется лишь небольшое количество греющего пара, и могут быть приняты меры по конденсации избыточного барботажного пара.)

Какие параметры пара называют суперсверхкритическими?

300 атмосфер при температуре выше 580 градусов.

Низкие <1,3Мпа и 200-330С, средние 5Мпа и 420-450С, высокие 9Мпа и 480-535С, докритические 13Мпа 540С, критические 16Мпа и 540С, сверхкритические 24Мпа и 540С, суперсверхкритические >30Мпа и >650С.

Назовите показатели, которыми характеризуется экономичность работы ТЭЦ.

ТЭЦ отпускает два вида энергии - электрическую и тепловую. По­этому для оценки качества работы ТЭЦ необходимо иметь также два показателя.

Коэффициент полезного использования тепла топлива. Если у конденсационных ТЭС России он не превышает 40 %, то для ТЭЦ он может достигать 85 % (а 15 % составляют потери с уходящими газами энергетических и водогрейных котлов, с конденсацией той части пара, которая проходит в конденсатор, собственные нужды).

Выработка электроэнергии на тепловом потреблении  = N э /Q т. Ясно, что если, например, две ТЭЦ отпускают одинаковое количество тепла Q т и имеют одинаковый коэффициент использования топлива, то из них лучше та, которая отпускает больше электроэнергии.

Эти два показателя полностью характеризуют экономичность работы ТЭЦ.

На практике и в отчетной документации ТЭЦ используют два других эквивалентных упомянутым выше показателям: привычный нам удельный расход условного топлива на производство электроэнергии b э в г/(кВт·ч) и удельный расход условного топлива на производство 1 Гкал тепла b т в кг/Гкал. Для ТЭЦ b т = 150-170 кг/Гкал. Эти величины подсчитываются в соответствии с нормативными документами по распределению затраченного топлива на производство электроэнергии и тепла.

Какие из нетрадиционных и возобновляемых энергетических ресурсов наиболее перспективны для использования в энергетике.

Ветроэнергетика, биотопливо, гелиоэнергетика, приливные и волновые ГЭС, геотермальная энергетика, использование тепловых насосов.

Укажите составляющие суммарной экономии энергии при глубокой утилизации теплоты уходящих газов.

Метод глубокой утилизации теплоты дымовых газов позволяет увеличить КПД топливопотребляющей установки на 2-3%, что соответствует снижению расхода топлива на 4-5 кг у.т. на 1 Гкал выработанного тепла.

Перечислите основные энергосберегающие мероприятия, рекомендуемые для котельных установок в целях уменьшения потерь теплоты с уходящими газами.

· поддержание оптимального коэффициента избытка воздуха в топке котла а т и снижение присосов воздуха по его тракту.

· поддержание чистоты наружных и внутренних поверхностей нагрева, что позволяет увеличить коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воде;

· увеличение площадей хвостовых поверхностей нагрева;

· поддержание в барабане парового котла номинального давления, обеспечивающего расчетную степень охлаждения газов в хвостовых поверхностях нагрева;

· поддержание расчетной температуры питательной воды, определяющей температуру уходящих после экономайзера дымовых газов;

· перевод котлов с твердого или жидкого топлива на природный газ и др.

Изменение температуры уходящих газов на 20 °С приводит к изменению КПД котла на 1 %

Каким образом температура окружающей среды влияет на КПД паротурбинной установки?

Увеличение температуры холодного воздуха ведет к снижению КПД, так как температура дымовых газов будет повышаться а как следствие будет увеличиваться q2.

Как влияет коэффициент избытка воздуха на КПД котла?

Увеличение коэффициента избытка воздуха приведет к увеличению потерь с уходящими газами. Чрезмерное уменьшение коэффициента избытка воздуха приведет к появлению зон с недостатком кислорода. В таких зонах не происходит полного окисления элементов топлива и образуется сажа.

Почему перевод котла на газовое топливо приводит к росту его КПД (брутто) и КПД (нетто)?

При переводе котла на сжигание газа эффект достигается за счет снижения потребления условного топлива (повышение КПД котла, снижение расхода тепла на собственные нужды).

Поясните, каким образом определяется рациональное распределение нагрузки между отдельными котлами в котельных установках?

Из условий наибольшей экономичности котельной установки вытекает требование такого распределения нагрузки между котлами, чтобы относительные приросты расхода топлива, приходящиеся на увеличение нагрузки котла (например, в 1 г/ч), были бы одинаковые.

Факторы, влияющие на величину потери тепла с уходящими газами

Основным определяющим фактором, влияющим на потерю теплоты уходящими газами, является их температура. Для снижения Т ух увеличивают площадь теплоиспользующих поверхностей нагрева - воздухоподогревателей и экономайзеров.

Величина Т ух влияет не только на КПД агрегата, но и на капитальные затраты, необходимые для установки воздухоподогревателей или экономайзеров.

Чем определено повышение потери теплоты с механическим недожогом для низкореакционных топлив.

Повышение потери у низкореакционных топлив определяются поздним воспламенением коксовых частиц и затянутым горением в кинетической области, в связи с этим низкореакционные топлива весьма чувствительны к режиму эксплуатации.

Типы паровых турбин

Конденсационная (К), теплофикационная с отопительным отбором пара (Т), теплофикационная с производственным отбором пара (П), теплофикационная с производственным и отопительным отбором пара (Пт), с противодавлением (Р). Разновидности: ПР, ТР, ТК, КТ.

Условное топливо

Это топливо, имеющее теплоту сгорания 7000ккал/кг (29,3МДж/кг). Используется в повседневной практике как показатель эффективности работы котельного агрегата.

Способы увеличения КПД ТЭС

Основные типы деаэраторов

Деаэратор - техническое устройство, реализующее процесс деаэрации некоторой жидкости, то есть её очистки от присутствующих в ней нежелательных газовых примесей. На многих электрических станциях и котельных также играет роль бака запаса питательной воды для паровых котлов или подпитки теплосети.

В зависимости от предназначения применяют деаэраторы:

· для питательной воды парогенераторов;

· для подпиточной воды и обратного конденсата;

· для подпиточной воды тепловых сетей.

В зависимости от давления пара бывают устройства:

· повышенного давления (давление пара от 0,6 до 0,8 МПа); Деаэраторы ДП имеют больш́ую толщину стенок, зато их применение в схеме ТЭС позволяет сократить количество металлоёмких ПВД и использовать выпар как дешёвую рабочую среду для пароструйных эжекторов конденсатора (эжектор-устройство, в котором происходит передача кинетической энергии от одной среды, движущейся с большей скоростью, к другой); деаэрационная приставка конденсатора, в свою очередь, является вакуумным деаэратором.

· атмосферные (0,12 МПа). Из атмосферных деаэраторов выпар удаляется под действием небольшого избытка давления над атмосферным.

· вакуумные (давление пара от 7,5 до 50 кПа). Вакуумные деаэраторы могут работать в условиях, когда на котельной нет пара, однако им требуется специальное устройство для отсоса выпара (эжектор)

В зависимости от конструкции:

· струйные; (В деаэраторах струйного типа вода проходит активную зону в виде струй, на которые она может быть разбита 5-10 дырчатыми тарелками (кольцевые с центральным проходом пара чередуются с круговыми меньшего диаметра, обтекаемыми по краю). Струйные деаэрационные устройства имеют простую конструкцию и малое паровое сопротивление, но интенсивность деаэрации воды сравнительно низка.)

· струйно-барботажные; (В струйно-барботажных деаэраторах деаэрация происходит в основном, под действием барботажа. В уменьшенной колонке деаэратора (две тарелки) происходит подогрев воды и деаэрация на 85-90%. Последняя заканчивается только в результате барботажа. При барботаже используется эффект вскипания перегретой воды при подъеме ее из нижней части бака к поверхности (разность давлений 0,2-0,25 кгс/см2).)

• пленочного типа;

1) пленочного типа с неупорядоченной насадкой;

2) пленочные с упорядоченной насадкой.

(В первом случае поверхность контакта пара с водой создается в процессе их движения, а во втором - поверхность контакта фиксированная.)

(В деаэраторных колонках пленочного типа деаэрируемая вода разбивается на тонкие пленки, стекая вниз по поверхности насадки. Используется упорядоченная или неупорядоченная насадка. Упорядоченная насадка выполняется из вертикальных, наклонных или зигзагообразных листов, концентрических цилиндров, укладываемых правильными рядами колец или других элементов, обеспечивающих непрерывное направленное движение воды.)

Типы питательных насосов

Питательный насос- насос для подачи питательной воды в паровой котел. Питательные насосы бывают поршневыми и центробежными с электрич. и паровым приводами, а также струйными - инжекторами.

В отопит, установках используют поршневые насосы для питания котлов водой при темпре до 100 С с рабочим давлением 0,4- 2,0 МПа и произ-стыо 2-б т/ч. Однако из-за недостатков (низкая экономичность, высокий расход пара, неравномерность подачи воды, чувствительность к механич. примесям и загрязнениям) их используют как резервные.

В качестве осн. применяют центробежные с электроприводом. Их преимущества: экономичность и надежность работы, удобство регулирования произвести, простота обслуживания и др.

Инжекторы (пазоструйные устройства) используют для питания водой мелких отопит, котельных. Для их надежной работы темп-pa питат. воды должна быть не выше 40 С и высота подачи - не более 2 м. Расход пара инжекторами составляет 7-9% кол-ва подаваемой воды. П.н. - важный элемент котельной установки, т.к. даже кратковремен. прекращение подачи воды может привести к аварии котла. Вследствие этого питательный насос, как и др. насосы тепловой схемы, оборудуют устройством автоматического включения резерва (АВР). Произ-сть, число, типы питательных насосов и их приводов для производств.-отопит, и энер-гетич. котельных регламентированы правилами технич. эксплуатации электростанций.

В каких диапазонах варьируется КПД производства электроэнергии на различных ТЭС?

Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром. Тепловые электростанции - так называемые теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - позволяют значительную часть энергии отработанного пара использовать на промышленных предприятиях и для бытовых нужд (для отопления и горячего водоснабжения). В результате КПД ТЭЦ достигает 60-70%, АЭС- до 80 %.

ТЭС 33-35% (уголь, газ, мазут. Торф); ТЭЦ 35-38% (уголь, газ, мазут, торф); ГРЭС 36-44% (уголь, газ, мазут, торф); ПГУ 50-65% (газ); ГТЭС (газотурбинные ЭС) 30-35% (газ); ГПЭС (газопоршневые ЭС) 40-46% (газ, дизтопливо).

Производство и распределение электроэнергии.

На районной (т.е. приближенной к источникам энергоресурсов) электростанции электроэнергия вырабатывается чаще всего электромашинными генераторами переменного тока. Для уменьшения потерь при ее передаче и распределении напряжение, снимаемое на выходные электрогенератора, повышается трансформаторной подстанцией. Затем электроэнергия передается по высоковольтным линиям электропередачи (ЛЭП) на большие расстояния, которые могут измеряться сотнями километров. К ЛЭП подключен ряд распределительных подстанций, отводящих электроэнергию к местным центрам электропотребления. Поскольку далее электроэнергия передается по улицам и населенным районам, на подстанциях напряжение для безопасности еще раз понижается трансформаторами. К понижающим трансформаторам подстанций подключены линии магистральной сети. В удобных точках этой сети устанавливаются пункты ответвления для распределительной сети электропотребителей.

Электростанции.

Электростанции разных типов, расположенные в разных местах, могут быть объединены высоковольтными ЛЭП в энергосистему. В этом случае постоянную (базовую) нагрузку, потребляемую на всем протяжении суток, берут на себя атомные электростанции (АЭС), высокоэффективные паротурбинные тепловые электростанции и электроцентрали (ТЭС и ТЭЦ), а также гидроэлектростанции (ГЭС). В часы повышенной нагрузки к общей сети ЛЭП энергосистемы дополнительно подключаются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), газотурбинные установки (ГТУ) и менее эффективные ТЭС, работающие на ископаемом топливе.

Электроснабжение от энергосистем имеет существенные преимущества перед снабжением от изолированных электростанций: улучшается надежность энергоснабжения, лучше используются энергоресурсы района, снижается себестоимость электроэнергии за счет наиболее экономичного распределения нагрузки между электростанциями, уменьшается требуемая резервная мощность и т.д.

Коэффициент нагрузки.

Потребительская нагрузка изменяется в зависимости от времени суток, месяца года, погоды и климата, географического расположения и экономических факторов.

Максимального (пикового) уровня нагрузка может достигать на протяжении всего лишь нескольких часов в году, но мощность электростанции или энергосистемы должна быть рассчитана и на пиковую нагрузку. Кроме того, избыток, или резерв, мощности необходим для того, чтобы можно было отключать отдельные энергоблоки для технического обслуживания и ремонта. Резервная мощность должна составлять около 25% полной установленной мощности.

Эффективность использования электростанции и энергосистемы можно характеризовать процентным отношением электроэнергии (в киловатт-часах), фактически выработанной за год, к максимально возможной годовой производительности (в тех же единицах). Коэффициент нагрузки не может быть равен 100%, так как неизбежны простои энергоблоков для планового технического обслуживания и ремонта в случае аварийного выхода из строя.

КПД электростанции.

Термический КПД электростанции, работающей на угле, можно приближенно характеризовать массой угля в килограммах, которая сжигается для получения одного киловатт-часа электроэнергии. Этот показатель (удельный расход топлива) неуклонно снижался от 15,4 кг/кВтЧ ч в 1920-х до 3,95 кг/кВтЧ ч в начале 1960-х, но к 1990-м годам постепенно повысился до 4,6 кг/кВтЧ ч. Повышение в значительной мере объясняется введением пылезолоуловителей и газоочистителей, съедающих до 10% выходной мощности электростанции, а также переходом на экологически более чистый уголь (с низким содержанием серы), на который многие электростанции не были рассчитаны.

В процентном выражении термический КПД современной ТЭС не превышает 36%, в основном из-за потерь тепла, уносимого отходящими газами – продуктами горения.

У АЭС, работающих при более низких температурах и давлениях, несколько меньший полный КПД – около 32%.

Газотурбинные установки с котлом-утилизатором (парогенератором, использующим тепло выхлопных газов) и дополнительной паровой турбиной могут иметь КПД более 40%.

Термический КПД паротурбинной электростанции тем больше, чем выше рабочие температуры и давления пара. Если в начале 20 в. эти параметры составляли 1,37 МПа и 260° C, то в настоящее время обычны давления свыше 34 МПа и температуры свыше 590° C (АЭС работают при более низких температурах и давлениях, чем самые крупные ТЭС, поскольку нормативами ограничивается максимально допустимая температура активной зоны реактора).

На современных паротурбинных электростанциях пар, частично отработавший в турбине, отбирается в ее промежуточной точке для повторного нагревания (промежуточного перегрева) до исходной температуры, причем могут быть предусмотрены две или более ступеней промперегрева. Пар из других точек турбины отводится для предварительного нагрева питательной воды, подводимой к парогенератору. Такие меры намного повышают термический КПД.

Экономика электроэнергетики.

В таблице представлены ориентировочные данные о потреблении электроэнергии на душу населения в некоторых странах мира.

Таблица "Годовое потребление электроэнергии на душу населения"

ГОДОВОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ДУШУ НАСЕЛЕНИЯ (кВт·ч, начало 1990-х годов)
Норвегия	22485	Бразилия	1246
Канада	14896	Мексика	1095
Швеция	13829	Турция	620
США	10280	Либерия	535
ФРГ	6300	Египет	528
Бельгия	5306	Китай	344
Россия	5072	Индия	202
Япония	5067	Заир	133
Франция	4971	Индонезия	96
Болгария	4910	Судан	50
Италия	3428	Бангладеш	39
Польша	3327	Чад	14

ПАРОТУРБИННЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Основную долю электроэнергии, производимой во всем мире, вырабатывают паротурбинные электростанции, работающие на угле, мазуте или природном газе.

Парогенераторы.

Парогенератор паротурбинной электростанции, работающей на ископаемом топливе, представляет собой котельный агрегат с топкой, в которой сжигается топливо, испарительными поверхностями, в трубах которых вода превращается в пар, пароперегревателем, повышающим температуру пара перед подачей в турбину до значений, достигающих 600° C, промежуточными (вторичными) пароперегревателями для повторного перегрева пара, частично отработавшего в турбине, экономайзером, в котором входная питательная вода нагревается отходящим топочным газом, и воздухоподогревателем, в котором топочный газ отдает свое остаточное тепло воздуху, подводимому к топке.

Для подачи в топку воздуха, необходимого для горения, применяются вентиляторы, создающие в ней искусственную, или принудительную, тягу. В одних парогенераторах тяга создается вытяжными вентиляторами (дымососами), в других – приточными (напорными), а чаще всего и теми и другими, что обеспечивает т.н. уравновешенную тягу с нейтральным давлением в топке.

При сгорании топлива негорючие компоненты, содержание которых может достигать 12–15% полного объема битуминозного и 20–50% бурого угля, оседают на подовине топочной камеры в виде шлака или сухой золы. Остальное проходит через топку в виде пыли, от которой полагается очищать отходящие газы, прежде чем выпускать их в атмосферу. Пылезолоочистка осуществляется циклонами и электрофильтрами, в которых частицы пыли заряжаются и осаждаются на коллекторных проволоках или пластинах, имеющих заряд противоположного знака.

Нормативами для новых электростанций ограничивается выброс в атмосферу не только твердых частиц, но и диоксида серы. Поэтому непосредственно перед дымовой трубой в газоходах предусматриваются химические скрубберы, часто устанавливаемые после электрофильтров. В скрубберах (мокрых или сухих) с помощью различных химических процессов из отходящих газов удаляют серу.

Из-за высокой требуемой степени пылезолоочистки в настоящее время применяют еще и тканевые рукавные фильтры с встряхиванием и обратной продувкой, содержащие сотни больших тканевых рукавов – фильтровальных элементов.

Электрогенераторы.

Электромашинный генератор приводится во вращение т.н. первичным двигателем, например турбиной. Вращающийся вал первичного двигателя связан соединительной муфтой с валом электрогенератора, который обычно несет на себе магнитные полюса и обмотки возбуждения. Магнитное поле тока, создаваемого в обмотке возбуждения небольшим вспомогательным генератором или полупроводниковым устройством (возбудителем), пересекает проводники обмотки статора (неподвижной станины генератора), благодаря чему в этой обмотке наводится переменный ток, который снимается с выходных зажимов генератора. Большие трехфазные генераторы вырабатывают три отдельных, но согласованных между собой тока в трех отдельных системах проводников, напряжение на которых достигает 25 кВ. Проводники присоединены к трехфазному повышающему трансформатору, с выхода которого электроэнергия передается по трехфазным же высоковольтным ЛЭП в центры потребления.

Мощные современные турбогенераторы имеют замкнутую систему вентиляции с водородом в качестве охлаждающего газа. Водород не только отводит тепло, но и уменьшает аэродинамические потери. Рабочее давление водорода составляет от 0,1 до 0,2 МПа. Для более интенсивного охлаждения генератора водород может также подаваться под давлением в полые проводники статора. В некоторых моделях генераторов обмотки статора охлаждаются водой.

В целях повышения эффективности охлаждения и уменьшения размеров генератора ведутся исследования возможности создания генератора, охлаждаемого жидким гелием.

Паровые турбины.

Пар от пароперегревателей парогенератора, поступивший в турбину, проходит через систему профилированных входных сопел (сопловой аппарат). При этом давление и температура пара понижаются, а скорость сильно увеличивается. Высокоскоростные струи пара ударяются о венец из рабочих лопаток (с аэродинамическим профилем), закрепленных на роторе турбины, и энергия пара преобразуется в энергию вращения ротора.

Пар проходит через последовательность направляющих и рабочих лопаточных решеток, пока его давление не понизится примерно до 2/3 атмосферного, а температура – до уровня (32–38° C), минимально необходимого для предотвращения конденсации пара.

На выходе турбины пар обтекает пучки труб конденсатора, по которым прокачивается холодная вода, и, отдавая тепло воде, конденсируется, благодаря чему здесь поддерживается небольшой вакуум. Конденсат, скапливающийся в нижней части конденсатора, откачивается насосами и, пройдя через ряд нагревательных теплообменников, возвращается в парогенератор, чтобы снова начать цикл. Пар для этих нагревательных теплообменников отбирается из разных точек парового тракта турбины со все более высокой температурой соответственно повышению температуры возвратного потока конденсата.

Поскольку для конденсатора требуются большие количества воды, крупные ТЭС целесообразно строить рядом с большими водоемами. Если запасы воды ограничены, то строятся градирни. В градирне вода, использованная для конденсации пара в конденсаторе, закачивается на вершину башни, откуда стекает по многочисленным перегородкам, распределяясь тонким слоем по поверхности большой площади. Входящий в башню воздух поднимается за счет естественной тяги или принудительной тяги, создаваемой мощными вентиляторами. Движение воздуха ускоряет испарение воды, которая за счет испарения охлаждается. При этом 1–3% охлаждающей воды теряется, уходя в виде парового облака в атмосферу. Охлажденная вода подается снова в конденсатор, и цикл повторяется. Градирни применяют и в тех случаях, когда вода забирается из водоема, – чтобы не сбрасывать отработанную теплую воду в естественный водный бассейн.

Мощность самых крупных паровых турбин достигает 1600 МВт. Ступени высокого, промежуточного и низкого давления могут быть выполнены на одном роторе, и тогда турбина называется одновальной. Но крупные турбины часто выпускаются в двухвальном исполнении: ступени промежуточного и низкого давления монтируются на роторе, отдельном от ступени высокого давления. Максимальная температура пара перед турбиной зависит от типа сталей, применяемых для паропроводов и пароперегревателей, и, как правило, составляет 540–565° C, но может достигать и 650° C.

Регулирование и управление.

Прежде всего необходимо точно поддерживать стандартную частоту вырабатываемого переменного тока. Частота тока зависит от частоты вращения вала турбины и генератора, а поэтому необходимо в полном соответствии с изменениями внешней нагрузки регулировать поток (расход) пара на входе в турбину. Это осуществляется при помощи очень точных регуляторов с компьютерным управлением, воздействующих на входные регулирующие клапаны турбины. Микропроцессорные контроллеры координируют работу разных блоков и подсистем электростанции. Компьютеры, находящиеся в центральной диспетчерской, автоматически осуществляют пуск и останов паровых котлов и турбин, обрабатывая данные, поступающие более чем из 1000 разных точек электростанции. Автоматизированные системы управления (АСУ) следят за синхронностью работы всех электростанций энергосистемы и регулируют частоту и напряжение.

ДРУГИЕ ВИДЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Гидроэлектростанции.

Около 23% электроэнергии во всем мире вырабатывают ГЭС. Они преобразуют кинетическую энергию падающей воды в механическую энергию вращения турбины, а турбина приводит во вращение электромашинный генератор тока. Самый крупный в мире гидроэнергоблок установлен в Итайпу на р. Парана, там, где она разделяет Парагвай и Бразилию. Его мощность равна 750 МВт. Всего на ГЭС в Итайпу установлено 18 таких блоков.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) оборудуются агрегатами (гидравлическими и электрическими машинами), которые по своей конструкции способны работать как в турбинном, так и в насосном режиме. В часы малых нагрузок ГАЭС, потребляя электроэнергию, перекачивает воду из низового водоема в верховой, а в часы повышенных нагрузок в энергосистеме использует запасенную воду для выработки пиковой энергии. Время пуска и смены режимов составляет несколько минут.

Газотурбинные установки.

ГТУ довольно широко применяются на малых электростанциях, принадлежащих муниципалитетам или промышленным предприятиям, а также в качестве «пиковых» (резервных) блоков – на крупных электростанциях. В камерах сгорания ГТУ сжигается мазут или природный газ, и высокотемпературный газ высокого давления воздействует на рабочие колеса турбины примерно так же, как и пар в паровой турбине. Вращающийся ротор газовой турбины приводит во вращение электрогенератор, а также воздушный компрессор, который подводит к камере сгорания воздух, необходимый для горения. Примерно 2/3 энергии поглощается компрессором; горячие выхлопные газы после турбины выводятся в дымовую трубу. По этой причине КПД газотурбинных установок не очень высок, но зато малы и капитальные затраты в сравнении с паровыми турбинами той же мощности. Если ГТУ используется на протяжении лишь нескольких часов в году в периоды пиковой нагрузки, то высокие эксплуатационные расходы компенсируются низкими капитальными, так что применение ГТУ для обеспечения до 10% полной выходной мощности электростанции оказывается экономически целесообразным.

В комбинированных парогазотурбинных энергетических установках (ПГУ) высокотемпературные выхлопные газы газовой турбины направляются не в дымовую трубу, а в котел-утилизатор, который вырабатывает пар для паровой турбины. КПД такой установки выше, чем у лучшей паровой турбины, взятой отдельно (около 36%).

Электростанции с ДВС.

На электростанциях, принадлежащих муниципалитетам и промышленным предприятиям, для привода электрогенераторов часто применяются дизельные и бензиновые двигатели внутреннего сгорания.

У двигателей внутреннего сгорания низкий КПД, что связано со спецификой их термодинамического цикла, но этот недостаток компенсируется низкими капитальными расходами. Мощность самых больших дизелей составляет около 5 МВт. Их преимуществом являются малые размеры, позволяющие с удобством располагать их рядом с электропотребляющей системой в хозяйстве муниципалитета или на заводе. Они не требуют больших количеств воды, так как не приходится конденсировать выхлопные газы; достаточно охлаждать цилиндры и смазочное масло. На установках с большим числом дизелей или бензиновых двигателей их выхлопные газы собираются в коллектор и направляются на парогенератор, что существенно повышает общий КПД.

Атомные электростанции.

На АЭС электроэнергия вырабатывается так же, как и на обычных ТЭС, сжигающих ископаемое топливо, – посредством электромашинных генераторов, приводимых во вращение паровыми турбинами. Но пар здесь получается за счет деления изотопов урана или плутония в ходе управляемой цепной реакции, протекающей в ядерном реакторе. Теплоноситель, циркулирующий через охлаждающий тракт активной зоны реактора, отводит выделяющуюся теплоту реакции и непосредственно либо через теплообменники используется для получения пара, который подается на турбины.

Капитальные расходы на строительство АЭС крайне велики по сравнению с расходами на электростанции, сжигающие ископаемое топливо, той же мощности: в США в среднем около 3000 долл./кВт, тогда как для ТЭС на угле – 600 долл./кВт. Но АЭС потребляет очень малые количества ядерного топлива, а это может оказаться весьма существенным для стран, которым иначе пришлось бы импортировать обычное топливо. ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ; АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА; СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ДВИЖИТЕЛИ.

Солнечные, ветровые, геотермальные электростанции.

Солнечная энергия преобразуется непосредственно в электроэнергию полупроводниковыми фотоэлектрическими генераторами тока, но капитальные затраты на эти преобразователи и их установку таковы, что стоимость установленной мощности оказывается в несколько раз выше, чем на ТЭС. Существует ряд крупных действующих гелиоэлектростанций; самая крупная из них, мощностью 1 МВт, находится в Лос-Анджелесе (шт. Калифорния). Коэффициент преобразования составляет 12–15%. Солнечную радиацию можно также использовать для выработки электроэнергии, концентрируя солнечные лучи при помощи большой системы зеркал, управляемой компьютером, на парогенераторе, установленном в ее центре на башне. Опытная установка такого рода мощностью 10 МВт была построена в шт. Нью-Мексико. Гелиоэлектростанции в США вырабатывают около 6,5 млн. кВтЧ ч в год.

Создатели ветровых электростанций мощностью 4 МВт, построенных в США, встретились с многочисленными трудностями из-за их сложности и больших размеров. В штате Калифорния был построен ряд «ветровых полей» с сотнями малых ветровых турбин, включенных в местную энергосистему. Ветровые электростанции окупаются только при условии, что скорость ветра больше 19 км/ч, а ветры дуют более или менее постоянно. К сожалению, они очень шумны и поэтому не могут располагаться вблизи населенных пунктов.

Геотермальная электроэнергетика рассматривается в статье ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ.

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Электроэнергия, вырабатываемая генератором, отводится к повышающему трансформатору по массивным жестким медным или алюминиевым проводникам, называемым шинами. Шина каждой из трех фаз (см. выше ) изолируется в отдельной металлической оболочке, которая иногда заполняется изолирующим элегазом (гексафторидом серы).

Трансформаторы повышают напряжение до значений, необходимых для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния.

Генераторы, трансформаторы и шины соединены между собой через отключающие аппараты высокого напряжения – ручные и автоматические выключатели, позволяющие изолировать оборудование для ремонта или замены и защищающие его от токов короткого замыкания. Защита от токов короткого замыкания обеспечивается автоматическими выключателями. В масляных выключателях дуга, возникающая при размыкании контактов, гасится в масле. В воздушных выключателях дуга выдувается сжатым воздухом или применяется «магнитное дутье». В новейших выключателях для гашения дуги используются изолирующие свойства элегаза.

Для ограничения силы токов короткого замыкания, которые могут возникать при авариях на ЛЭП, применяются электрические реакторы. Реактор представляет собой катушку индуктивности с несколькими витками массивного проводника, включаемую последовательно между источником тока и нагрузкой. Он понижает силу тока до уровня, допустимого для автоматического выключателя.

С экономической точки зрения, наиболее целесообразным, на первый взгляд, представляется открытое расположение большей части высоковольтных шин и высоковольтного оборудования электростанции. Тем не менее все чаще применяется оборудование в металлических кожухах с элегазовой изоляцией. Такое оборудование необычайно компактно и занимает в 20 раз меньше места, нежели эквивалентное открытое. Это преимущество весьма существенно в тех случаях, когда велика стоимость земельного участка или когда требуется нарастить мощность существующего закрытого распредустройства. Кроме того, более надежная защита желательна там, где оборудование может быть повреждено из-за сильной загрязненности воздуха.

Для передачи электроэнергии на расстояние используются воздушные и кабельные линии электропередачи, которые вместе с электрическими подстанциями образуют электросети. Неизолированные провода воздушных ЛЭП подвешиваются с помощью изоляторов на опорах. Подземные кабельные ЛЭП широко применяются при сооружении электросетей на территории городов и промышленных предприятий. Номинальное напряжение воздушных ЛЭП – от 1 до 750 кВ, кабельных – от 0,4 до 500 кВ.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

На трансформаторных подстанциях напряжение последовательно понижается до уровня, необходимого для распределения по центрам электропотребления и в конце концов по отдельным потребителям. Высоковольтные ЛЭП через автоматические выключатели присоединяются к сборной шине распределительной подстанции. Здесь напряжение понижается до значений, установленных для магистральной сети, разводящей электроэнергию по улицам и дорогам. Напряжение магистральной сети может составлять от 4 до 46 кВ.

На трансформаторных подстанциях магистральной сети энергия ответвляется в распределительную сеть. Сетевое напряжение для бытовых и коммерческих потребителей составляет от 120 до 240 В. Крупные промышленные потребители могут получать электроэнергию с напряжением до 600 В, а также с более высоким напряжением – по отдельной линии от подстанции. Распределительная (воздушная или кабельная) сеть может быть организована по звездной, кольцевой или комбинированной схеме в зависимости от плотности нагрузки и других факторов. Сети ЛЭП соседних электроэнергетических компаний общего пользования объединяются в единую сеть.