Тепловые электрические станции.
Основой энергетики нашей страны являются тепловые электрические станции (ТЭС). Именно за счет тепловых электростанций намечается увеличить выработку электроэнергии и достигнуть первого места в мире по энерговооруженности.
Технологический процесс получения электрической энергии на ТЭС предусматривает преобразование энергии сжигаемого топлива в тепловую энергию, тепловой энергии — в механическую (вращение первичного двигателя и генератора) и механической энергии генератора — и электрическую энергию. Тепловую энергию получают, сжигая твердое топливо (уголь, торф, сланцы), жидкое топливо (нефть, мазут), естественный газ или атомное топливо. Станции, работающие на угле, наиболее распространены, так как на них можно сжигать менее ценный вид угля — бурый, не используемый в других отраслях промышленности. Для более эффективного горения кусковой уголь предварительно размалывают и сжигают в пылевидном состоянии.
В зависимости от типа первичного двигателя различают паротурбинные тепловые станции (с паровой турбиной в качестве первичного двигателя), газотурбинные станции (с газовыми турбинами), паромашинные станции (с поршневыми паровыми машинами) и дизельные (с двигателями внутреннего сгорания— дизелями). Последние два типа первичных двигателей используют на небольших местных ТЭС, в том числе и сельскохозяйственных.
Наиболее крупные ТЭС оборудованы паровыми турбинами, имеющими ряд преимуществ по сравнению с другими первичными двигателями. Паровую турбину можно изготовить на число оборотов генератора и соединять их непосредственно друг с другом. Паровые турбины обладают равномерным ходом, что важно для получения постоянной частоты электрического тока. Они дают возможность вместе с выработкой электроэнергии получать также и тепловую энергию, необходимую для отопления жилых домов и промышленных сооружений.
На рис. 1 показана общая схема размещения основных элементов современной тепловой электростанции. С топливного склада 1 по эстакаде топливоподачи 2 топливо по транспортерам попадает в подготовительную галерею 3 и через бункеры направляется в топку котлов 4. Под котлами размещено зольное отделение 5, откуда зола удаляется. Отходящие дымовые газы направляются в дымовую трубу 6.
Паровыe турбины 7 и турбогенераторы 8, расположенные на одном валу, устанавливают в машинном зале 9. Под турбиной размещается конденсатор 10, в котором отработанный пар охлаждается и направляется снова в котел. Распределительное устройство 11, состоящее из трансформаторов, сборных шин, выключателей и другой электро- аппаратуры, расположено рядом с главным корпусом станции. Электрическая энергия подается потребителям по воздушным или кабельным линиям высокого напряжения, отходящим от распределительного устройства станции.
Тепловые паротурбинные электрические станции делятся на два типа: конденсационные и теплофикационные. Конденсационные станции служат только для выработки электроэнергии. На теплофикационных станциях, кроме электрической, вырабатывают также и тепловую энергию, направляемую близлежащим потребителям в виде пара или горячей воды.
Конденсационные станции называются так потому, что отработан· ими пар у них подвергается охлаждению (конденсации) в специальных устройствах — конденсаторах. Такие станции строят вблизи от мест добычи топлива и водных источников, так как для их работы требуется большое количество воды. Поэтому, как правило, они расположены вдали от непосредственных потребителей энергии. Электрическая энергия от таких станций передается по линиям высокого напряжения (35—110 кВ и выше). Мощные конденсационные станции обычно носят название государственных районных станций (ГРЭС) или просто районных (РЭС).
Теплофикационные электростанции работают в основном на тепловую нагрузку и называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Их сооружает вблизи от потребителей тепла, например, в городских районах или около крупных промышленных предприятий, так как экономичная передача тепла может быть выполнена лишь на небольшие расстояния. Снабжение электроэнергией от ТЭЦ осуществляют на более низких напряжениях (обычно 6—10 кВ).
Рис. 2. Схем л технологического процесса тепловой конденсационной электростанции: 1— 4 — насосы
На рис. 2 показана простейшая схема технологического процесса работы конденсационной электростанции. Топливо I со склада после предварительного дробления направляется в пылеприготовительное отделение и затем попадает в топку парового котла. Образуемый в котле перегретый до температуры 400—600° С пар II поступает по трубопроводу в паровую турбину. Отработанный пар III более низкого давления п температуры поступает в конденсатор, где он охлаждается циркуляционной водой IV из водоема и превращается в химически чистую дистиллированную воду (конденсат V). Конденсат и добавочная вода образуют питательную воду VI, которая идет на питание котла. Таким образом, на конденсационных станциях циркуляция пара, конденсата и питательной поды происходит по замкнутому циклу. Отходящие газы, проходя через дымосос 1 и золоуловитель, направляются в дымовую трубу.
Коэффициент полезного действия конденсационных электростанций невысок (30—40%), так как только часть энергии сжигаемого топлива превращается и электроэнергию, а остальная часть теряется с отходящими газами п циркуляционной водой, сбрасываемой в водоем.
На теплофикационных станциях (ТЭЦ), кроме отбора пара для подогрева питательной воды, из промежуточных ступеней турбины выполняется также отбор для снабжения паром промышленных потребителей п для теплофикации коммунальных и бытовых нужд. В зависимости от этих потребностей количество пара, поступающего в конденсатор, меняется. Чем больше пара поступает для теплофикации, тем меньше его направляется в конденсатор и тем меньше потери тепла, уносимые с циркуляционной водой.
Поэтому общий к.п.д. теплофикационных станций при одновременном отпуске; электроэнергии и грили повышается примерно до 60-70%, т. е. в 1,5 раза превышает к. п. д. конденсационных станций.
Рис. 3. Тепловой баланс электростанций:
а — конденсационной, б — теплофикационной; Э — электрическая
энергия, Г — тепловая энергия, К — потери в конденсаторе
На рис. 3 представлен примерный тепловой баланс конденсационной (КЭС) и теплофикационной (ТЭЦ) электростанций. Из рисунка видны преимущества ТЭЦ, вырабатывающих одновременно и тепловую, и электрическую энергию. При работе ТЭЦ по теплофикационному графику выработка электроэнергии в отдельные сезоны года меняется. Для передачи избыточного количества электроэнергии (или получения недостающей потребителям электроэнергии) такие станции соединяют линиями электропередач между собой и с энергосистемой.
В последние годы одним их основных направлений в теплоэнергетике стало применение так называемых блоков, т. е. системы, состоящей из одного котла, одной турбины и одного электрогенератора. В настоящее время находят применение блоки мощностью 300 тыс. кВт и выше. Схематический разрез тепловой станции с блоком котел — турбина — генератор представлен на рис. 4. Электрический генератор и распределительное устройство генераторного напряжения расположены в общем машинном зале. На тепловой станции может быть установлено несколько блоков большой мощности. В текущем пятилетии такие блоки будут повсеместно использоваться на тепловых станциях, так как они экономически наиболее выгодны и легко поддаются автоматизации.
В последнее время на тепловых станциях находят применение газовые турбины, более экономичные, чем паровые. Для них используется естественный горючий газ или газ, приготовляемый в специальных газогенераторах путем сжигания различных видов твердого топлива.
К тепловым электрическим станциям относятся также атомные электрические станции. На этих станциях применяется ядерное топливо (уран), перерабатываемое в ядерных реакторах. Основными преимуществами атомных электростанций является сравнительно незначительный расход ядерного топлива на выработку 1 кВт·ч электроэнергии и независимость места сооружения станции от места добычи топлива.
Рис. 4. Схема тепловой электростанции с блоком котел — турбина — генератор:
1— паровой котел, 2— паровая турбина, 3 — электрический генератор, 4—распределительный шит
Гидроэлектрические станции.
В нашей стране, располагающей значительными водными богатствами, ежегодно вводятся в строй гидроэлектростанции мощностью в сотни тысяч киловатт. Строительство ГЭС ведется с учетом комплексного использования водных ресурсов, т. е. не только в целях гидроэнергетики, но и с учетом ирригации, судоходства, рыбного и сельского хозяйства. Для электрификации сельского хозяйства (особенно в районах, удаленных от сетей энергосистем) используются небольшие гидроэлектростанции мощностью в несколько тысяч киловатт.
Производство электроэнергии на ГЭС осуществляется за счет использования энергии падающей воды. Высота падения воды называется напором. Он создается установкой плотины, размещенной поперек реки. Величина напора определится разницей верхнего уровня (бьефа) водного пространства до плотины и нижнего уровня после плотины. Используя полученный перепад уровней воды, можно привести в действие рабочее колесо гидротурбины и закрепленный на одном валу с ней генератор, вырабатывающий электрический ток.
В общем случае мощность водного потока, имеющего расход воды Qв (м2/с) и напор или перепад воды Нв (м), может быть выражена формулой
На гидростанциях не вся энергия водного потока превращается в полезную работу. Часть энергии (до 30%) расходуется на механические сопротивлении, потери в гидросооружениях и генераторах. Поэтому мощность гидроэлектростанции будет меньше мощности водотока. Приближенно ее можно определить по формуле
В зависимости от природных условий, величины расхода воды в реке и напора, гидроэлектрические станции подразделяются на приплотинные (низконапорные) и деривационные (высоконапорные).
Рис. 5. Схема приплотинной гидроэлектростанции средней мощности:
1, 7 — верхний и нижний уровни воды, 2 — земляная плотина, 3—подвод воды, 4 — гидрогенератор, 5 —- гидротурбина, 6 —щитовое подъемное устройство
Приплотинные ГЭС сооружают главным образом на равнинных реках. Напор воды в таких станциях создается плотиной. Для таких рек он, как правило, невелик (Н= 20-30 м), поэтому требуемую мощность на валу турбины обеспечивают за счет значительных расходов воды. Схематический разрез ГЭС при плотине показан на рис. 5.
Деривационные ГЭС сооружают на горных реках с малым расходом воды. Мощность здесь обеспечивается за счет больших напоров воды (Н — 100 м и более), которые удается получить, отводя воду по обходным (деривационным) каналам. Канал заканчивается напорным бассейном, откуда вода подается к гидротурбине по напорному трубопроводу. После турбин вода по отводным каналам поступает в нижний бьеф.
При малых нагрузках и, следовательно, небольших расходах желательно иметь некоторый запас воды для работы станции в часы наибольших нагрузок. Для этого перед плотиной или у напорного бассейна сооружают водохранилище, которое обеспечивает суточное регулирование стока воды. Такие ГЭС называются станциями с суточным регулированием стока. Гидрогенераторы станции устанавливаются на одном валу с турбиной. Помещение, в котором размещены генераторы, регуляторы скорости вращения турбин и другое вспомогательное оборудование, называют машинным залом. К машинному залу примыкает распределительное устройство генераторного напряжения. Как правило, основная часть энергии от ГЭС передается на повышенном напряжении, хотя для сельскохозяйственных станций энергия близлежащим потребителям передается на генераторном напряжении. Распределительное устройство высокого напряжения размещают отдельно от здания ГЭС, на одном из берегов реки.
Гидроэлектростанции обычно работают параллельно с тепловыми станциями, что обеспечивает наиболее экономичное расходование воды, топливных ресурсов и надежное обеспечение потребителей электрической энергией. К. п. д. гидроэлектростанций значительно выше, чем тепловых (до 80%), а себестоимость выработки электроэнергии в несколько раз ниже. Однако стоимость их сооружения превышает стоимость сооружения тепловых станций из-за большого объема земляных и строительных работ. Гидроэлектрические станции, в том числе и сельскохозяйственные, можно легко автоматизировать.
Прочие типы электрических станций.
Основными типами электрических станций являются тепловые (ГРЭС и ТЭЦ) и гидравлические (ГЭС). На них вырабатывается почти вся электрическая энергия, производимая в стране. Однако в местах, отдаленных от энергетических систем и электрических сетей, особенно в сельской местности, используют изолированно работающие электростанции, обеспечивающие отдельные колхозы, местные оросительные системы, отгонные пастбища и другие удаленные объекты.
В качестве первичных двигателей таких электростанций используют локомобили, работающие на местных видах топлива или отходах производства. Локомобиль представляет собой стационарную паровую поршневую машину. Конструктивно локомобильная установка является очень компактной, так как паровая машина устанавливается непосредственно на котле, что не требует раздельных помещений и фундаментов для котельной и самой паровой машины. К. п. д. локомобильной установки невелик (до 12—14%), а себестоимость вырабатываемой электроэнергии высока, поэтому в настоящее время такие установки уже не находят применения, хотя их еще можно встретить в эксплуатации, так как они могут безотказно работать длительное время.
Электростанции с двигателями внутреннего сгорания могут иметь к. п. д. до 35—40%. К таким станциям относятся дизельные электростанции (ДЭС), работающие на жидком топливе. Кроме сельскохозяйственных объектов, где дизельные станции широко используются в качестве источников резервного электроснабжения, они находят применение в лесной промышленности в качестве передвижных железнодорожных станций, для электроснабжения строительных площадок и других целей, в том числе для питания крупных насосных установок. Дизельные электростанции обладают рядом преимуществ: компактностью, что позволяет применять небольшие по габаритам здания (следовательно, низкие капиталовложения), малой металлоемкостью и потребностями в воде, постоянной готовностью к пуску и непродолжительностью самого запуска, а также легкостью автоматизации. Основным недостатком ДЭС является потребность в привозном жидком топливе и необходимость его хранения.
Для удаленных горных районов и районов Крайнего Севера могут найти применение небольшие ветроэлектростанции. На этих станциях первичная энергия ветра с помощью ветряных двигателей преобразуется в механическую, которая используется для вращения электрического генератора. Энергия ветра по сравнению с другими энергоносителями сконцентрирована мало, поэтому давление ветра на крыльях ветряного двигателя намного ниже, чем, например, воды на лопатки гидротурбины. Поэтому на практике удается соорудить ветровые станции лишь малой мощности (до 50—70 кВт). Мелкие ветровые станции используются (например, на отгонных пастбищах в горах) не только для освещения, но и для подъема воды из скважин.
Использование других природных носителей энергии (солнечной, тепловой, подземных вод и др.) до настоящего времени не нашло практического применения на электростанциях, за исключением энергии приливов, которая может быть использована при сооружении приливных гидроэлектростанций.
