Раздел 2 производство электроэнергии на электростанциях

2.1 Классификация электрических станций

В настоящее время для получения электрической энергии используют следующие типы электростанций:

• тепловые электростанции (ТЭС), которые подразделяются на конденсационные (КЭС), теплофикационные (теплоцентрали — ТЭЦ), газотурбинные (ГТУЭС) и парогазотурбинные (ПГТУЭС). Крупные КЭС, обслуживающие потребителей значительного района страны, получили название государственных районных электростанций (ГРЭС);

• атомные электростанции (АЭС);

• дизельные электростанции (ДЭС);

• гидроэлектростанции (ГЭС) и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС);

• приливные электростанции (ПЭС);

• гелиоэлектростанции или солнечные электростанции (СЭС);

• геотермальные электростанции (ГеоТЭС);

• ветроэлектростанции (ВЭС).

Бóльшую часть электроэнергии, как в России, так и в мире, вырабатывают тепловые, атомные и гидроэлектростанции. При этом в России на долю тепловых станций приходится до 75% вырабатываемой электроэнергии. Состав и мощность электростанций различного типа зависит от наличия и размещения по территории страны гидроэнергетических и теплоэнергетических ресурсов, их технико-экономических характеристик, включая затраты на транспортирование топлива, а также от технико-экономических показателей электростанций.

2.2 Тепловые электростанции

На современных тепловых электростанциях большой мощности превращение теплоты в работу производится в циклах, использующих в качестве основного рабочего тела водяной пар высокого давления и высокой температуры. Водяной пар производится парогенераторами (паровыми котлами), в топках которых сжигают различные виды органического топлива: уголь, мазут, газ.

2.2.1 Конденсационные электростанции

Тепловая схема КЭС показана на рис. 2.1. Работа станции происходит следующим образом. Питательный насос закачивает в трубопроводы топочной камеры парового котла воду, подогретую до температуры 215…260ºCпод высоким давлением, равным давлению пара. В топочную камеру подается топливо (угольная пыль, подогретый мазут или газ) и подогретый воздух.Тепло­та, получаемая при сжигании угля, используется для преобразования воды в пар. Полученный пар дополнительно перегревается теплотой уходящих горячих газов и при температуре 560…650ºC и давлении 23,5…29,4 МПа (240…300 кг/см²) направляется в турбину. Турбина может содержать одну или несколько ступеней, называемых цилиндрами. Если ступеней несколько, то после первой ступени (цилиндра высокого давления) пар направляется на дополнительный перегрев, который также обеспечивается уходящими горячими газами, а затем подается на последующие ступени турбины. Перегрев пара необходим для того, чтобы пар оставался сухим, так как влага существенно ускоряет износ лопаток турбины. В турбине энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора генератора, вырабатывающего электрическую энергию. Отработанный пар поступает в конденсатор, в котором охлаждается, превращается в воду, которая конденсатным насосом подается через подогреватель в деаэратор. Там она освобождается от растворенного воздуха и газов и вновь подается в котел.

Подогрев питательной воды осуществляется также уходящими горячими газами в подогревателе-экономайзере. Аналогичным образом подогревается конденсат.

Охлаждение отработавшего пара в конденсаторе обеспечивается подачей в трубчатый теплообменник конденсатора охлаждающей воды с температурой 10…15 ºC. Охлаждающая вода может забираться из водоема и безвозвратно сбрасываться в него. Если же подходящий водоем отсутствует, устанавливают градирни — конусообразные башни высотой 40…80 м. Вода подается насосами на верхнюю часть градирни, откуда стекает по лоткам, охлаждаясь до необходимой температуры, а затем поступает в пруд или непосредственно в конденсатор. В технологическом цикле «вода — пар — конденсат» неизбежны потери. Поэтому предусмотрена подпитка водяного тракта от внешнего источника через водоподготовительную установку. В ней происходит очистка воды от химических примесей. Следует отметить, что требования по содержанию примесей в воде для КЭС жестче, чем требования к питьевой воде.

Рассматриваемая КЭС реализует так называемый цикл Ренкина, названный именем предложившего его шотландского физика и инженера. Схема такого цикла на рис. 2.2. без учета процессов вторичного перегрева пара и подогрева питательной воды. На рис. 2.2а показана диаграмма в pv-координатах (p — давление, v — объем), а на рис. 2.2б — в TS-координатах (T — температура, ºK, S — энтропия). Цикл Ренкина включает в себя следующие этапы.

1–2 — питательный насосзакачивает воду в паровой котел, поднимая давление. Поскольку вода практически несжимаема, это процесс можно считать изохорным, то есть протекающим при постоянном объеме. При этом работа, совершаемая насосом, переходит во внутреннюю энергию воды.

2–3 — процесс нагрева воды. Повышение температуры воды происходит при практически постоянном давлении, процесс можно считать изобарным. Производится подвод теплоты к воде.

3–4 — Испарение воды, происходит при постоянной температуре, процесс изотермический. Увеличивается внутренняя энергия рабочего тела.

4–5 — Доведение параметров пара до требуемых. Происходит при постоянном давлении в пароперегревателе. Процесс изобарный.

5–6 — Процесс передачи энергии пара паровой турбине.Этот процесс происходит без поступления теплоты извне и без отдачи ее во внешнюю среду, поэтому этот процесс можно считать адиабатным.

6–1 — Процесс конденсации отработанного пара с отводом теплоты во внешнюю среду с помощью охлаждающей воды.

Цикл замкнулся. Теперь можно оценить эффективность этого цикла, прикинув КПД энергоустановки, реализующей такой цикл. Одно из преимуществ изображения термодинамических циклов в ТS-координатах заключается в том, что площадь, образуемая диаграммой представляет собой энергию. Из рис. 2.2б видно, чтоQ₁представляет теплоту, которая преобразовалась в работу, переданную через вал турбины генератору. Вторая часть диаграммы образует теплотуQ₂, которая уходит с охлаждающей водой.

Исходя из этого, термодинамический КПД турбины будет равен:

(2.1)

где Q_Ц=Q₁+Q₂— количество теплоты цикла. Если в нашем прикидочном расчете принять для водяного пара среднюю теплоемкость, количество теплоты в формуле (2.1) можно выразить следующим образом:

Q_Ц=C_ср∙T₁∙D,Q₂=C_ср∙T₂∙D, (2.2)

где C_ср— средняя теплоемкость пара,T₁— температура пара на входе турбины,T₂— температура пара на выходе из турбины,D— расход пара через турбину. Подстановка (2.2) в (2.1) дает:

(2.3)

Для численного примера примем параметры пара близкие к реальным, например: t1 = 500ºC,T1 = 500 + 273 = 772ºK,t2 = 100ºC,T2 = 110 + 273 = 383ºK. ТемператураT2 не может быть ниже 100 градусов по Цельсию, чтобы не допустить конденсацию пара в турбине. Подстановка чисел в (2.3) дает:

Если учесть КПД других элементов схемы (рис. 2.1), то можно определить КПД всей энергетической установки:

η_У=η_К∙η_Т∙η_ТМ∙η_Г. (2.4)

Здесь η_К= 0,9 — КПД котла,η_Т= 0,98 — механический КПД турбины,η_Г— КПД генератора. Результирующий КПД будет равен:

η_У= 0,9∙0,5∙0,98∙0,98 = 0,4321 = 43,21%.

Этот КПД называется КПД брутто, при этом не учитывается, что часть электроэнергии, вырабатываемой генератором, расходуется на обеспечение собственных нужд электростанции. КПД, учитывающий потребление собственных нужд, называется КПД нетто, который ниже КПД брутто. Если принять потребление собственных нужд около 6 %, то можно определить КПД нетто:

η_УН= 0,4321∙ (1 – 0,06) = 0,4061 = 40,61%.

Конечно, реальные тепловые схемы КЭС гораздо сложнее. Гораздо сложнее получаются и диаграммы, описывающие тепловые процессы. Надо сказать, что при расчете КПД были учтены не все потери. КПД реальных КЭС может быть ниже, рассчитанного здесь. Типичная энергетическая диаграмма теплового баланса КЭС показана на рис. 2.3.

Рассмотрим некоторые особенности тепловых конденсационных станций. КЭС строят по возможности ближе к местам добычи топлива, удобным для водоснабжения. Их выполняют из ряда блочных агрегатов (паровой котел – турбогенератор — повышающий трансформатор) мощностью от 200 до 1200 МВт, выдающих электроэнергию в сети 110…750 кВ. Особенность агрегатов КЭС заключается в том, что они недостаточно маневренны: подготовка к пуску, разворот, синхронизация и набор нагрузки требуют от 3 до 6 часов. Поэтому для них предпочтительным является режим работы с равномерной нагрузкой в пределах от номинальной до нагрузки, соответствующей техническому минимуму, определяемому видом топлива и конструкцией агрегата. Коэффициент полезного действия КЭС составляет 25…40%. Они существенно влияют на окружающую среду — загрязняют атмосферу, изменяют тепловой режим источников водоснабжения.