теплоэнергетика

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Е.В. Барочкин, С.А. Панков, А.Е. Барочкин

Введение в теплоэнергетику

Курс лекций

Под редакцией доктора технических наук, профессора Е.В. Барочкина

Иваново, 2013

1

УД К 621.311

Б 26

Барочкин Е.В., Панков С.А., Барочкин А.Е. Введение в теплоэнергетику: Курс лекций / Под ред. Е.В. Барочкина / ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина».- Иваново, 2013. - 216 с.

ISBN

Приведены краткие сведения об истории развития энергетики России. Рассмотрены этапы развития энергетики на протяжении ХIХ – ХХ вв. Представлены основные положения технической термодинамики, теории теплообмена, устройства основных элементов теплоэнергетического оборудования тепловых электрических станций, газотурбинных, парогазовых установок, а также атомных электрических станций в объеме, соответствующем программе дисциплины «Введение в теплоэнергетику» для студентов теплоэнергетических специальностей (профилей) по направлению подготовки бакалавров 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника».

Табл. 10. Ил.88. Библиогр.: 21 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Рецензенты:

кафедра промышленной теплоэнергетики ИГЭУ;

В.И. Субботин, канд. техн. наук, проф. (ИГЭУ).

ISBN Е.В. Барочкин, С.А. Панков, А.Е. Барочкин, 2013

2

Предисловие

Курс лекций «Введение в теплоэнергетику» предназначен для студентов высших учебных заведений, изучающих одноименную общеинженерную дисциплину. В основном это студенты теплоэнергетических специальностей. В то же время курс лекций «Введение в теплоэнергетику» может быть полезен студентам других направлений подготовки, изучающих смежные дисциплины.

Впервых двух разделах книги приведены краткие сведения об истории развития энергетики России, этапы развития энергетики на протяжении ХIХ – ХХ вв. В третьем разделе рассказано

осовременном электроэнергетическом комплексе России, типах электростанций и этапах реформирования энергетики в начале ХХI в., рассмотрена структура энергетического комплекса России, которая сложилась в первом десятилетии ХХI века.

Вразделах 4 и 5 приведены краткие сведения о технической термодинамике и основах теории теплообмена, без знания которых трудно понять принципы работы основного и вспомогательного оборудования электростанций.

Вшестом, седьмом и восьмом разделах рассмотрено основное оборудование тепловых электрических станций: паровые котлы и паровые турбины. Показаны принципы работы котельного и турбинного оборудования. Приведен иллюстративный материал, помогающий лучше представить устройство и принципы работы котельного и турбинного оборудования электростанции и тепловой электростанции в целом. В восьмом разделе рассмотрены основы теплофикации и принципиальная тепловая схема теплоэлектроцентрали.

Девятый и десятый разделы посвящены развитию новых газотурбинных и парогазовых технологий производства электроэнергии. Показан принцип действия ГТУ и ПГУ, приведено описание основного оборудования газотурбинных и парогазовых установок.

Водиннадцатом разделе рассмотрено основное оборудование атомных электрических станций, дана классификация ядерных реакторов и типов атомных электрических станций. Рассмотрены типы атомных электрических стаций, приведены данные о трех основных типах ядерных энергетических реакторов, работающих на АЭС России, а также сведения о тепловой схеме АЭС, показаны основные пути развития атомной энергетики в начале ХХI в.

3

Авторы надеются, что это учебное пособие даст читателю основные представления о состоянии современной энергетики России и путях ее дальнейшего развития.

Предисловие и введение написаны д-м техн. наук, профессором Е.В. Барочкиным, разделы III, IV,V,VII, IХ и Х – Е.В. Барочкиным и канд. техн. наук доцентом С.А. Панковым, разделы I, II,VI, VIII и ХI – Е.В. Барочкиным и канд. техн. наук А.Е. Барочкиным.

Общая редакция книги и компьютерная верстка выполнены проф. Е.В. Барочкиным.

Авторы выражают глубокую благодарность доценту кафедры ПГТ ИГЭУ канд. техн. наук Л.Д. Яблокову за ценные советы и замечания, которые были учтены при работе над курсом лекций, и искреннюю признательность профессору кафедры промышленной теплоэнергетики ИГЭУ, канд. техн. наук В.И. Субботину за помощь в работе, а также редакционно-издательскому отделу ИГЭУ за подготовку рукописи к изданию.

Доктор технических наук, профессор Е. В. Барочкин

4

Оглавление

Введение ……………………………...……………………………………… 8

В1. Основные теоретические положения специальности «Тепловые электрические станции» ………………………………………………. 8

В2. Роль энергетики в народном хозяйстве страны ………………….. 10

Раздел 1. История развития энергетики ……………………………... 11

1.1.Первые электростанции ………………………………………………. 11

1.2.Паровой двигатель …………………………………………………….. 13

1.2.1.Паровые машины двойного действия ……………………………. 14

1.5.Развитие электроэнергетики России в начале ХХ века …………. 18

1.6.Итоги развития электроэнергетики России за период с 80-х гг.

3.1.Тепловая энергетика на органическом топливе…………………... 37

3.2.Гидроэнергетика ………………………………………………………... 38

3.3.Атомная энергетика ……………………………………………………. 41

4.1.История развития науки о теплоте ………………………………….. 47

4.2.Основные законы термодинамики …………………………………... 49

4.3.Цикл Карно ………………………………………………………………. 53

5

5.2.Теплопроводность. Закон Фурье ……………………………………. 60

5.3.Конвективный теплообмен ……………………………………………. 62

7.1.История изобретения паровой турбины ……………………………. 87

7.2.Устройство и принцип действия паровой турбины ……………….. 90

8.5.Типы тепловых электрических станций …………………………….. 117

8.6.Тепловой баланс конденсационных ТЭС ………………………….. 118

6

10.1.Понятие о парогазовых энергетических технологиях ………….. 155

10.2.Принципиальные схемы ПГУ ……………………………………….. 157

10.3.Современные конструкции парогазовых установок утилизаци-

10.4.Котлы-утилизаторы для ПГУ ………………………………………... 168

10.5.Паровые турбины для ПГУ ………………………………………….. 174

Раздел 11. Атомные электрические станции ……………………….. 179

11.1. Ядерная энергия и механизм тепловыделения …………………. 179

11.1.1. Общие сведения ……………………………………………………. 179 11.1.2. Деление ядер нейтронами ………………………………………… 179 11.1.3. Цепные реакции деления ядерных топлив …………………….. 181

11.2.Классификация ядерных реакторов ……………………………….. 184

11.3.Реактор большой мощности, канальный РБМК-1000 ……………. 185

11.3.1.История создания и эксплуатации ………………………………. 185

11.4.1.Краткая история разработки и сооружения …………………….. 198

11.4.2.Общее описание водо-водяных реакторов …………………….. 200

11.4.3.Водо-водяные реакторы ВВЭР-1000 …………………………….. 202 11.5. Реакторы на быстрых нейтронах типа БН ………………………... 206

11.5.1.Создание реакторов на быстрых нейтронах ……………………. 206

7

Введение

В 1. Основные теоретические положения специальности «Тепловые электрические станции»

Для овладения квалификацией «бакалавр» студенты изучают естественно-научные дисциплины: физику, химию, математику и др.; общетехнические дисциплины: техническая термодинамика, теплообмен, гидрогазодинамика и др. и профессиональные дисциплины: котельные установки и парогенераторы, турбины тепловых и атомных электрических станций, тепловые и атомные электростанции, водоподготовка и водный режим ТЭС, тепломеханическое и вспомогательное оборудование электростанций, режимы работы и эксплуатации ТЭС и др.

Тепловая электрическая станция не только производит электроэнергию, но и сама является крупным ее потребителем. Электрическая энергия идет на электродвигатели, приводящие в движение механизмы: для подачи твердого топлива – конвейеры; для приготовления топлива к сжиганию – дробилки и мельницы; для подачи воздуха и удаления дымовых газов – вентиляторы и дымососы; для водоснабжения – циркуляционные насосы; для подачи воды в паровой котел – конденсатные, питательные насосы и другие насосы.

Сложное электротехническое хозяйство ТЭС требует от спе- циалиста-теплоэнергетика электротехнических знаний, поэтому в число читаемых дисциплин для студентов профиля «Тепловые электрические станции» входят электротехника и электроника, электрооборудование электростанций.

Для правильного ведения процессов, обнаружения отклонений необходимы измерительные приборы для определения температуры, давления, расхода пара, воды и других веществ, применяемых на станции. Например, нужно наблюдать за температурой масла, циркулирующего в масляной системе турбины и в каждом из подшипников турбины. Нужны приборы для контроля за избытком воздуха, подаваемого в топку, за химической полнотой сгорания топлива, за давлением в воздушном и газовом трактах, за давлением водорода, который используется для охлаждения статора генератора.

Специалисту-теплоэнергетику нужно знать принцип работы и устройства приборов, условия их правильной эксплуатации. Нужно знать физику явлений, которые использованы при созда-

8

нии первичных приборов-датчиков, а также вторичных приборов, преобразующих передаваемые импульсы в удобные показания.

Каждая из технических дисциплин содержит и элементы экономического характера. Инженерные решения при выборе вариантов тепловых схем и элементов оборудования при проектировании новых или модернизации действующих ТЭС требуют экономического анализа. Эти вопросы изучаются в экономически дисциплинах: «Экономическая теория» и «Экономика и организация производства», в последней рассматриваются также и методы управления, планирования и анализа результатов деятельности электростанций.

В 2. Роль энергетики в народном хозяйстве страны

Энергетика – одна из ведущих отраслей экономики страны, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии. Энергетика – базовая отрасль России, обеспечивающая потребности экономики и населения страны в электрической и тепловой энергии и во многом определяющая устойчивое развитие всех отраслей экономики страны.

Энергетика создает предпосылки для применения новых технологий, обеспечивает наряду с другими факторами современный уровень жизни населения страны. Вместе с тем она оказывает заметное влияние на окружающую среду, являясь одним из основных потребителей первичных энергоресурсов – органического и ядерного топлива, гидроресурсов. Осуществляет при производстве электрической и тепловой энергии значительные выбросы теплоты, продуктов сгорания топлива, шумовые воздействия, которые вредно влияют на человека и окружающую природу.

Энергетика как отрасль экономики страны включает в себя:

-электрические станции (ТЭС, ГЭС, АЭС и др.);

-электрические сети и электрические подстанции;

-тепловые водяные и паровые сети;

-системы диспетчерского управления, включая средства связи, защиты и автоматики.

Выделены лишь три вида электростанций, которые, как следует из названия, отличаются использованием энергетических ресурсов. На ГЭС используется гидравлическая энергия рек, на ТЭС – химическая энергия органического топлива, на АЭС – энергия, выделяемая при делении ядер тяжелых элементов.

9

Есть и другие виды ресурсов для получения электрической энергии: энергия ветра; приливов и отливов; теплота, получаемая из недр земли; солнечная энергия.

Можно сформулировать принципиально важные положения, характеризующие энергетику как отрасль хозяйства, призванную снабжать электрической энергией и теплом промышленные предприятия, транспорт, сельское хозяйство и население:

1.Непрерывность процесса. Имеется в виду, что при нормальных условиях работы не должно быть перерывов в электро-

итеплоснабжении, если это не вызвано самими потребителями.

2.Отсутствие возможностей накопления в запас, аккумулирования в сколько-либо заметных количествах в сравнении с общим расходом, т.е. единовременность выработки электроэнергии и теплоты с их потреблением. Это требует непрерывного автоматического регулирования электрической и тепловой мощности.

3.Необходимость взаимного резервирования электроснабжения предприятий, отдельных районов и городов, а следовательно, объединения электростанций линиями электропередач в энергосистему как внутри какого-либо района, так и систем между собой.

10