ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА_учебное пособие.pdf 5 семестр

Технологический процесс получения энергии на ГЭС включает:

создание разных уровней воды в верхнем и нижнем бьефах;

превращение энергии потока воды в энергию вращения вала гидравлической турбины;

превращение гидрогенератором энергии вращения в энергию электрического тока.

Вэтот комплекс входят (рис. 27.1):

Гидроэлектростанции подразделяются: в конструктивном отношении - по схеме и составу основных гидротехнических сооружений - на приплотииные и деривационные, сооружаемые на крупных, средних и малых реках; по мощности - на крупные (свыше 50 - 75 тыс. кВт), средние (от 3 - 5 до 50 - 75 тыс. кВт) и малые (до 3 - 5 тыс. кВт); по величине напора - на низконапорные (при напорах ниже 20 - 25 м), средненапорные (от 20 - 25 до 70 - 75 м) и высоконапорные (свыше 70 - 75 м). Различают также гидроэлектростанции по характеру регулирования речного стока их водохранилищами: с длительным (многолетним, годовым и сезонным), краткосрочным (суточным или недельным) регулированием и совсем без регулирования.

Вприплотинных ГЭС водосток регулируется посредством плотин. В результате подпора воды, создаваемого плотиной, возникает статическая разность между уровнями верхнего и нижнего бьефов ГЭС, называемая статическим напором.

Вдеривационных ГЭС большая или существенная часть напора создается посредством безнапорных или напорных деривационных (обходных) водоводов. В качестве безнапорного деривационного водовода могут быть использованы каналы, лотки, безнапорные туннели или сочетание этих типов водоводов.

С самого начала (примерно с 80-х годов прошлого столетия) для производства электроэнергии в гидроэнергетике использовались в основном гидравлические турбины. Их суммарная мощность возрастает сейчас во всем мире примерно на 5 % в год, т. е. удваивается каждые 15 лет. В 1980 г. мощность всех ГЭС составляла примерно 500000 МВт, большая часть станций имела мощность более 10 МВт.

131

Новейшими направлениями в области гидроэлектростроитсльства являются

приливные и гидроаккумулирующие электростанции. Уже работает приливная электростанция (ПЭС) Ране на Ла-Манше мощностью 240 тыс. кВт. С 1967 г., ведется опытная эксплуатация второй в мире приливной электростанции - Кислогубской в Баренцевом море (Россия). Плотина ПЭС отгораживает часть моря так, что во время прилива образуется перепад в несколько метров. В нужный момент открываются затворы, и вода направляется на лопасти гидротурбины, выравнивая уровни моря и замкнутого бассейна. При отливе образуется верхний бьеф со стороны бассейна и нижний - со стороны моря, и вода направляется в обратную сторону, по-прежнему вращая рабочее колесо турбины. Приливные электростанции предназначены для покрытия пиков нагрузок. Их мощность может составлять от сотен тысяч до миллионов киловатт. Так, при постройке ПЭС в Мезенской губе Белого моря, где разности уровней воды составляют 10 м, станция будет в состоянии развивать мощность до 4,5 млн кВт, т. е. практически такую же, как Братская ГЭС.

Гидроаккумулирующие станции также предназначаются для покрытия пиков нагрузки, когда они работают как обычные гидроэлектростанции. Но они также и потребляют электрическую энергию, вырабатываемую другими электростанциями системы. В те часы, когда электроэнергия дешева, когда имеется ее избыток, например, в поздние ночные часы, гидроаккумулирующая станция превращает свои обратимые турбины в насосы, перекачивающие воду из нижнего бассейна в верхний. Так происходит аккумулирование энергии в форме потенциальной энергии воды, поднятой на определенную высоту. Первая в бывшем СССР гидроаккумулирующая станция (ГАЭС) мощностью 225 тыс кВт была построена под Киевом.

Принято считать малыми гидростанции с мощностью от 0,1 до 30 МВт, при этом введено ограничение по диаметру рабочего колеса гидротурбины до 2 м и по единичной мощности гидроагрегата - до 10 МВт. ГЭС установленной мощностью менее 0,1 МВт выделены в категории микро-ГЭС.

Малая гидроэнергетика в мире в настоящее время переживает третий виток в истории своего развития. Строительство первых ГЭС началось еще в позапрошлом веке когда они предназначались для энергоснабжения отдельных заводов и поселков. Затем темпы их строительства замедлились из-за конкуренции небольших тепловых электростанций. Второй этап массового строительства малых ГЭС пришелся на конец 40-х - начало 50-х гг прошлого века, когда тысячи малых гидростанций строились колхозами, совхозами, предприятиями и государством. В 80- 70-х гг. сотни и тысячи малых ГЭС были выведены из эксплуатации либо законсервированы, либо ликвидированы из-за быстрого развития большой энергетики на базе крупных тепловых гидравлических и атомных станций.

На третьем витке возрождение малых ГЭС, естественно, происходит на новом техническом уровне основного энергетического оборудования, степени автоматизации и компьютеризации.

132

28. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

28.1. Основные способы организации энергосберегающих технологий

Конкретные способы улучшения энергетических показателей для разных производств и процессов различны, но есть и общие приемы снижения энергозатрат.

Наиболее распространенным и эффективным способом является регенерация энергии. Сущность регенерации заключается в передаче энергии от выходящих из агрегата потоков к входящим. Например, многие крупные нагревательные и плавильные печи оборудованы теплообменниками, в которых воздушное дутье (а иногда и газообразное топливо) подогревается уходящими газами (рис. 28.1).

Очень важно, что регенерация позволяет не просто утилизировать теплоту отходящих газов, но снижает расход топлива и, кроме того, улучшает работу самой печи, поскольку температура горения при использовании подогретого воздуха возрастает. Улучшаются условия, а соответственно и полнота горения топлива, резко усиливается теплообмен за счет излучения между потоком газа и нагреваемыми изделиями.

В ряде случаев регенерацию теплоты целесообразно использовать и на низкотемпературных потоках. Например, теплотой вентиляционных выбросов можно подогреть поток воздуха, подаваемого в помещение, уменьшив, таким образом, расход энергии на отопление.

Весьма эффективно регенерировать и холод. Например, для пневмотранспорта цемента и в ряде других случаев требуется сухой воздух (без водяных паров). Осушку воздуха можно осуществить за счет его охлаждения (рис. 28.2), при этом влага сконденсируется или вымерзнет, если в вымораживателе t < 0 °С.

Использование при этом теплообменника резко сокращает мощность холодильной машины 3 и расход энергии на ее привод.

Регенерировать можно не только тепловую энергию, но и энергию избыточного давления. Например, если в реакционной камере 1 (рис. 28.3) по условиям технологии необходимо избыточное давление, то исходные продукты 2 приходится сжимать компрессором 3, затрачивая на это электроэнергию. Однако часть этой энергии, а иногда даже больше энергии, чем затрачено (если, например, в реакторе 1 увеличивается объем газов), можно вернуть (регенерировать) за счет расширения получающихся продуктов 4 в турбине 5. Электромашина 6 при этом играет роль пускового двигателя, а также источника недостающей мощности или потребителя избыточной мощности (в последнем случае электромашина работает в режиме генератора). Хорошим примером использования энергии давления является турбина-расширитель, устанавливаемая за доменной печью для срабатывания избыточного давления доменного газа. Причем в этом случае удобнее всю вырабатываемую турбиной энергию превращать в электроэнергию с помощью генератора, а компрессоры, нагнетающие воздух в печь, приводить в движение от электродвигателей, т.е. осуществлять энергетическую связь через электрическую сеть.

133

Ри с. 28.1. Схема нагревательной печи

срегенерацией теплоты уходящих газов:

1- рабочий объем печи; 2 - нагреваемые детали; 3 - воздухоподогреватель; 4 - горелка

Р и с. 28.2. Схема установки для осушки компрессорного воздуха:

1 - теплообменник; 2 - конденсатор или вымораживатель влаги; 3 - холодильная машина

Р и с. 28.3. Принцип регенерации энергии избыточного давления

Регенерация теплоты наиболее эффективно работает совместно с принципом противотока, в соответствии с которым нагреваемые продукты или детали должны двигаться навстречу охлаждаемым, от которых они получают энергию. На рис. 28.1 специально допущена неточность и принцип противотока использован только в самой печи (горячие газы и детали), а воздухоподогреватель взят с перекрестным движением сред. Противоточный теплообменник, как, например, изображенный на рис. 28.2, позволил бы сильнее снизить температуру отходящих из печи газов, а следовательно, и в большей степени уменьшить потерю теплоты вместе с ними.

В целом нужно стремиться, используя принципы регенерации и противотока, приблизить параметры всех выходящих потоков к параметрам входящих, уменьшая, таким образом, внешний подвод энергии. Как уже было показано, это не противоречит требованиям технологического процесса нагревать, охлаждать или сжимать среды или материалы на промежуточных стадиях. Создавая энер-

134

госберегающие технологии (или энерготехнологии), как, впрочем, и любое без-

отходное производство, целесообразно подходить к нему комплексно, объединяя промежуточные этапы.

Не надо забывать, что принятые оценки эффективности использования энергии в значительной мере отражают технический уровень сегодняшнего (а иногда и вчерашнего) дня. Например, КПД печи для нагрева металла оценивается как отношение количества теплоты, воспринятой металлом, к теплоте сожженного топлива. Но нагретый металл в хозяйстве не нужен. И если, охладив его, использовать эту теплоту (такие установки имеются), то КПД печи по современным представлениям может оказаться выше 100 %.

В ряде случаев вообще удается при лучшей организации производства исключить некоторые технологические процессы, в том числе и процессы нагрева. Например, начинает практиковаться термообработка непосредственно с прокатного нагрева вместо традиционного двойного нагрева перед прокаткой и перед термообработкой, осуществляемой обычно в другом цехе. Естественно, что во время транспортировки из цеха в цех прокат остывает и его вновь приходится нагревать.

28.2. Утилизация вторичных (побочных) энергоресурсов (ВЭР)

Если в данном производстве за счет регенерации не удается полностью использовать всю энергию, нужно попытаться не сбрасывать ее в окружающую среду, а продать эти ненужные вторичные (побочные) для данного производства энергоресурсы другим потребителям либо организовать у себя специальное производство, потребляющее эту энергию. Такой подход не дает экономии топлива в самом технологическом процессе, но может существенно улучшать экономические показатели производства за счет средств, полученных от реализации ВЭР.

Главная трудность при решении проблемы утилизации ВЭР обычно состоит в поиске потребителя. Приходится анализировать уже не только свое производство, но и в первую очередь сопутствующие, а иногда и совершенно не связанные с энергетикой производства. Нередко для утилизации ВЭР создают тепличные хозяйства, рыбоводные пруды и т. д. Способ утилизации ВЭР выбирают в зависимости от требований потребителя и вида вторичной энергии.

Если на производстве имеются горючие отходы - топливные ВЭР, то использование их обычно не представляет труда. Так, доменный и коксовый газы металлургического комбината сжигаются в топках паровых котлов вместе с другими видами топлива. В крайнем случае, если не удается сжечь топливные ВЭР в обычных топках, создают специальные топки, например топки с кипящим слоем для сжигания высокозольных твердых остатков углеобогатительных фабрик.

За счет ВЭР избыточного давления в расширительных турбинах обычно получают электроэнергию (см. рис. 28.3). Наибольшую долю составляют тепловые ВЭР. Часто, говоря о ВЭР, только их и имеют в виду.

Тепловые ВЭР газовых потоков с высокой температурой (> 400 °С) и средней (100 - 400 °С) обычно используются для производства пара или подогрева воды с помощью паровых или водогрейных котлов-утилизаторов. Водогрейные котлыутилизаторы предназначены для подогрева воды, идущей на теплофикацию жи-

135

лых и промышленных зданий. Конструктивно они представляют собой систему труб, через которые прокачивается сетевая вода, поэтому нередко водогрейные котлы-утилизаторы называют утилизационными экономайзерами.

Широко распространены в настоящее время системы испарительного охлаждения элементов высокотемпературных печей. В печах многие элементы приходится делать из металла - прежде всего это несущие и поддерживающие балки, на них ложится большая нагрузка, которую не выдержат огнеупорные материалы. Практически невозможно делать из огнеупоров и подвижные элементы, особенно те, которые должны герметично закрываться, например завалочные окна, шиберы, перекрывающие проходное сечение газоходов, и т. д. Но металлы могут работать только при умеренных температурах до 400-600 °С, а температура в печи много выше. Поэтому металлические элементы печей делают полыми и внутри них циркулирует охлаждающая вода. Для исключения образования накипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов вода должна быть специально подготовленной Кроме того, эту воду нужно охлаждать или сбрасывать. И в том и в другом случае происходит загрязнение окружающей среды.

Все эти недостатки исключаются, если в охлаждаемые элементы печи подают воду из контура циркуляции парового котла-утилизатора (рис. 28.4). Охлаждаемые элементы печи здесь выполняют роль испарительной поверхности, в которой теплота уже не сбрасывается в окружающую среду, а идет на выработку пара. Питание котлов осуществляется химически очищенной водой, поэтому накипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов не образуется и срок их службы в 1,5-3 раза больше, чем при охлаждении необработанной проточной водой.

Ри с. 28.4. Упрощенная схема котла-утилизатора

ссистемой испарительного охлаждения:

1 - питательный насос; 2 - водяной экономайзер; 3 - испарительная поверхность котла; 4 - барабан котла;

5 - охлаждаемые элементы печи; 6 - циркуляционный насос; 7 – пароперегреватель

Система испарительного охлаждения может работать и как самостоятельный паровой котел, но мощность его будет слишком малой. При комплексном подходе к утилизации теплоты от газов и охлаждаемых элементов конструкции печи значительно сокращаются затраты на вспомогательное оборудование, коммуникации, обслуживание и т. д.

136

В ряде случаев удается использовать теплоту раскаленных твердых продук-

тов.

Наиболее сложно найти применение низкопотенциальным тепловым ВЭР (t<100 °С). В последнее время их все шире используют для отопления и кондиционирования промышленных и жилых зданий, применяют тепловые насосы для повышения температурного потенциала или для получения холода. Непосредственно используют такие ВЭР только на отопление близко расположенных теплиц или рыбоводных хозяйств.

Очень остроумное решение для использования низкопотенциальной теплоты отходящих газов даже в бытовых условиях было найдено Ф. Нансеном для кухонного аппарата, который он в 1895 г. применял во время своего похода к Северному полюсу. После обогрева сосуда для варки пищи (рис. 28.5) дымовые газы направлялись в дополнительные газоходы, где отдавали свою теплоту таящему снегу. КПД этого аппарата превышал 90 %, в то время как у обычных газовых плит он менее 50 %.

В промышленных условиях охлаждение дымовых газов до температур ниже 100 °С весьма затруднительно прежде всего из-за конденсации водяных паров. Холодные стенки труб, по которым циркулирует нагреваемая среда, запотевают и подвергаются интенсивной коррозии. Конденсация водяных паров имела место и в агрегате, изображенном на рис. 28.5, но ввиду уникальности назначения его можно было изготовить из дорогостоящих материалов, не боящихся коррозии, кроме того действовал он периодически и не долго.

Ри с. 28.5. Кухонный аппарат Фритьофа Нансена:

1- плоский сосуд для льда и снега; 2 - крышка с отверстием; 3 - наружный колпак; 4 - сосуд для варки пищи;

5 - кольцеобразная емкость для таяния льда и снега;

6- подставка для кольцеобразной емкости; 7 - газокеросиновая горелка «примус»

Промышленные подогреватели воздуха для исключения коррозии также иногда изготавливают из некорродирующихся стеклянных труб. Если нет вибрации, такие трубы работают достаточно долго.

Для подогрева воды низкотемпературными газами (t<100°C) начинают использовать контактные экономайзеры, представляющие собой обычные смесительные теплообменники типа градирни. В них происходит нагрев воды за счет теплоты контактирующих с ней газов. Поверхность контакта капель воды с газом большая, и теплообменник получается компактный и дешевый по сравнению с

137

рекуперативным (трубчатым), но вода насыщается вредными веществами, содержащимися в дымовых газах. В ряде случаев это допустимо, например для воды, идущей в систему химводоподготовки в котельных или на ТЭС. Если загрязнение воды недопустимо, то ставят еще один теплообменник, в котором «грязная» вода отдает теплоту «чистой» и возвращается в контактный экономайзер. Змеевики, по которым циркулирует «чистая» вода, можно установить и внутри контактного экономайзера вместо насадки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Арсеньев Г.В. Энергетические установки: Учеб. для вузов. – М.: Высш.

шк., 1991.-336 с.

2.Теплотехника: Учеб. для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; Под ред. А.П. Баскакова. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 224 с.

3.Дэвинс Д. Энергия: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 360 с.

138

Оглавление

4.Энергетика и охрана окружающей среды …………………………………… 10

5.Ресурсы энергии и их использование ………………………………………… 12

5.1.Ресурсы первичной энергии ………………………………………………… 12

5.2.Невозобновляемые источники энергии…………………………………….. 15

5.3.Возобновляемые источники энергии ………………………………………. 17

5.4.Вторичные источники энергии ……………………………………………... 19

Р а з д е л в т о р о й. Теоретические основы преобразования энергии

в тепловых двигателях …………………………………………………………… 25

Ч а с т ь п е р в а я. Техническая термодинамика ……………………………... 25 6. Основные понятия и определения …………………………………………… 25

6.1.Предмет и метод термодинамики ………………………………………….. 25

6.2.Термодинамическая система. ………………………………………………. 26

6.3Параметры состояния термодинамической системы………………………. 26

6.4Основные законы идеальных газов………………………………………….. 28

6.5 Уравнение состояния идеального газа……………………………………… 30

6.6Свойства реальных газов……………………………………………………. 30

7.Первый закон термодинамики ……………………………………………….. 31

7.1.Термодинамический процесс ………………………………………………. 31

7.2.Первый закон термодинамики ……………………………………………… 32

7.3.Изменение внутренней энергии и работа газа в термодинамическом процессе …………………………………………………………………………….. 32

10.1.Классификация основных термодинамических процессов …………… 44

10.2.Изохорный процесс ……………………………………………………… 44

10.3.Изобарный процесс ……………………………………………………… 46

10.4.Изотермический процесс ………………………………………………… 47

10.5.Адиабатный процесс …………………………………………………….. 47

10.6.Политропные процессы ……………………………………………….… 49

11.Второй закон термодинамики ……………………………………………… 51

11.1.Основные положения второго закона термодинамики ……………….. 51

11.2. Цикл теплового двигателя ……………………………………………… 52

11.3.Цикл холодильной машины ……………………………………………. 53

11.4.Идеальный цикл теплового двигателя …………………………………… 54

139

11.5.Идеальный цикл холодильной машины …………….............................. 55

12.Энтропия. ………………………………………………………………………56

12.1.Понятие об энтропии и ее изменение в термодинамических

процессах………………………………………………………………………….... 56

12.2.Энтропия и работоспособность. Закон возрастания энтропии ……….57

12.3.Тs – диаграмма ………………………………………………….………..59

13.Водяной пар ……………………………………………………………………60

13.1.Основные понятия и рυ – диаграмма водяного пара …………………..60

13.2.Параметры состояния кипящей воды и пара ………………….……….61

13.3.Теплота парообразования и теплоемкость перегретого пара…………..63

13.4.Таблицы и диаграммы водяного пара ………………………….……….64

13.5.Процессы изменения состояния водяного пара ……………….……….65

14.Термодинамика влажного воздуха …………………………………………66

14.1.Влажный воздух и параметры его состояния …………………………..66

14.2.id – диаграмма влажного воздуха ……………………………………….68

14.3.Тепло- и массообмен влажного воздуха с водой ………………………69

14.4.Смешивание потоков влажного воздуха ……………………………….70

15.Термодинамика потока газа или пара ……………………………………..70

15.1.Скорость и расход газа при течении ……………………………………70

15.2.Критическое течение …………………………………………………….72

15.3.Дросселирование газов и паров ………….……………………………...74

Ч а с т ь в т о р а я. Основы теплопередачи …………………………………75

16.Теплопроводность…………………………….……………………………….75

16.1.Теплопроводность плоской стенки ……………………………………..75

16.2.Теплопроводность цилиндрической стенки …………………………….77

16.3.Теплопроводность шаровой стенки ..……………………………………78

16.4.Теплопроводность круглого стержня и трубы с внутренним

источником теплоты ………………………………………………………………..78

17.Конвективный теплообмен …………………………………………………..79

17.1.Основные понятия ………………………………………………………..79

17.2.Подобие процессов конвективного теплообмена ………………………81

17.3.Теплообмен при свободной конвекции …………………………………83

17.4.Теплообмен при вынужденной конвекции………………………………83

18.Теплообмен при кипении и конденсации …………………………………..85

18.1.Теплообмен при кипении ………………………………………………...85

18.2.Теплообмен при конденсации ……………………………………………86

19.Теплообмен излучением ……………………………………………..………..87

19.1.Основные понятия и определения ……………………………………….87

19.2.Теплообмен излучением между телами …………………………………88

19.3.Тепловое излучение газов ………………………………………………..89

20.Теплопередача …………………………………………………………………89

20.1.Сложный теплообмен .……………………………………………………89

20.2.Теплопередача через стенку …………………………………….……….90

20.3.Тепловая изоляция ………………………………………………………..91

21.Теплообменные аппараты ……………………………………………………93

21.1.Типы теплообменных аппаратов …………………………………………93

21.2.Расчет параметров теплообменных аппаратов ………………………….94

Р а з д е л т р е т и й. Энергетические установки …………………………… 96

22.Органическое топливо и процессы его горения .…………………………. 96

140