Конденсационные тепловые станции (КЭС)

Источники энергии

Существуют возобновляемые и невозобновляемые источники энергии.

Естественные (природные) источники, из которых энергия черпается для приготовления ее в нужных видах для различных технологических процессов, называются энергетическими ресурсами.

Различают следующие виды основных энергетических ресурсов:

а) химическая энергия топлива;

б) атомная энергия;

в) водная энергия (то есть гидравлическая);

г) энергия излучения солнца;

д) энергия ветра.

е) энергия приливов и отливов;

ж) геотермальная энергия.

Первичный источник энергии или энергоресурс (уголь, газ, нефть, урановый концентрат, гидроэнергия, солнечная энергия и т.д.) поступает в тот или иной преобразователь энергии, на выходе которого получается или электрическая энергия, или электрическая и тепловая энергия. Если тепловая энергия не вырабатывается, то необходимо применение дополнительного преобразователя энергии из электрической в тепловую. Наибольшая часть электрической энергии, потребляемой в нашей стране, получается за счет сжигания топлив, добываемых из недр земли – уголь, газ, мазут (продукт переработки нефти). При их сжигании химическая энергия топлив превращается в тепловую.

Конденсационные тепловые станции (КЭС)

Зарисуем принципиальную схему КЭС.

В котел Кт подается топливо (уголь, газ, торф, сланцы), подогретый воздух и питательная вода (ее потери компенсируют химически очищенной водой ХОВ).

Подача воздуха осуществляется дутьевым вентилятором ДВ, питательной воды – питательным насосом ПН. Образующиеся при сгорании топлива газы отсасываются из котла дымососом Д и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу высотой 100-250 м. Острый пар из котла подается в паровую турбину Тб, где, проходя через ряд ступеней, он совершает механическую работу – вращает турбину и жестко связанный с ней ротор генератора. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе К, благодаря пропуску через него значительного количества холодной (5÷ 25°С) циркуляционной воды (расход этой воды в 50- 80 раз больше расхода пара через конденсатор).

Источником холодной воды могут быть река, озеро, искусственное водохранилище, а также специальные установки с охлаждающими башнями (градирнями) или брызгательными бассейнами (на мелких станциях), из которых охлаждающая вода подается в К циркуляционными насосами ЦН. Воздух, попадающий в К через неплотности, удаляется с помощью эжектора Э. Конденсат, образующийся в К, с помощью конденсаторного насоса КН подается в деаэратор Др, который предназначен для удаления из питательной воды газов, и, в первую очередь, кислорода, вызывающего усиленную коррозию труб котла. В деаэратор также подается химически очищенная вода ХОВ. После Др питательная вода с помощью питательного насоса ПН подается в котел.

Особенности КЭС:

1. Строятся по возможности ближе к месторождениям топлива.

2. Подавляющая часть энергии отданы в электрические сети повышенных напряжений

(110-750 кВ).

3. Работают по свободному (т.е. не связанному с тепловыми потребителями) графику выработки электроэнергии. Мощность их может меняться от расчетного максимума до технологического минимума.

4. Низкоманевренны: разворот турбин и набор нагрузки из холодного состояния требует примерно 3-10 час.

5. Имеют относительно низкий КПД (30-40%).

Атомные электростанции

Атомные электростанции по принципу своей работы также можно отнести к ТЭС, с тем лишь отличием, что в качестве топлива используется радиоактивное топливо (обогащенный уран). АЭС проектируются и сооружаются с реакторами различного типа на тепловых и быстрых нейтронах по одноконтурной, двухконтурной или трехконтурной схеме. АЭС могут производить как электрическую, так и тепловую энергию.

Упрощенная схема двухконтурной АЭС.

Процесс полураспада радиоактивного топлива сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, которая и используется для получения перегретого пара. Для обеспечения радиационной изоляции используются раздельные контуры теплоносителей. Теплоноситель, соприкасающийся с радиоактивным топливом, в первом контуре не вступает в непосредственный контакт с водой циркулирующей во втором контуре. Передача теплоты происходит в теплообменных аппаратах.

Оборудование второго контура включает турбину Тб и конденсатор К и является аналогичным основному оборудованию ТЭС. Первый радиоактивный контур содержит реактор Р, парогенератор ПГ и питательный насос ПН. В качестве расщепляющего материала на АЭС обычно используют уран 235U в виде концентрата закиси-окиси урана U3О8. Поглощая один нейтрон, уран 235U делится на две части с выделением энергии. При расщеплении 1 кг урана 235U выделяется энергия эквивалентная энергии, выделяющейся при сгорании примерно 2900 тонн угля.

Особенности АЭС:

1. Могут сооружаться в любом географическом месте, в том числе и труднодоступном.

2. Требуют малого количества топлива.

3. Слабо загрязняют атмосферу.

Гидроэлектростанции

Мощность ГЭС зависит от расхода воды через турбину Q и напора Н (перепада уровней воды).

В естественных условиях концентрированные в определенном месте напоры встречаются крайне редко. Их могут создавать лишь водопады. Равнинные реки имеют обычно уклон свободной поверхности воды 5-10 см/км, а горные – 5-10 м/км. Поэтому для создания необходимых для турбин ГЭС напоров применяют специальные гидротехнические сооружения по плотинной или деривационной схеме. Плотинная схема предусматривает сооружение плотины, перегораживающей в выбранном створе русло реки. В результате создается разность уровней воды по сторонам плотины: верхнего (УВБ) и нижнего (УНБ) бьефа. На горных реках с большими уклонами концентрация напора осуществляется по деривационной схеме. В выбранном створе реки возводится плотина, создающая небольшой подпор и сравнительно малое водохранилище. Из него через водоприемник вода направляется в искусственный водовод – деривацию в виде открытого канала, туннеля или трубопровода. Из деривации вода поступает по практически вертикальным водоводам к турбинам ГЭС. В этой схеме напор создан не плотиной, а деривацией.

Особенности ГЭС:

1. Строятся там, где есть гидроресурсы и условия для строительства, что обычно не совпадает с местоположением электрической нагрузки.

2. Большую часть энергии отдают в электрические сети повышенных напряжений.

Парогенератор (котел)

По назначению различают несколько типов котлов, работающих на эл. станциях:

1. Энергетические паровые котлы – они характеризуются высокой единичной

производительностью (более 160т/ч) и производят пар, необходимый для

выработки эл. энергии

2. Водогрейные (пиковые) котлы – устройства, необходимые для получения

горячей воды с давлением выше атмосферного, которая служит для

отопления жилых и промышленных зданий

Схема барабанного котла

Основными рабочими элементами парового котла является поверхность нагрева, которая представляет собой Ме трубчатые поверхности, нагреваемые с одной стороны дымовыми газами, а с другой стороны омываемые водой, которая под воздействием высокой температуры становится пароводяной смесью, а позднее паром. Испарительные поверхности, расположенные по стенам топочной камеры называются экранами котла, а топка – экранированной. Пароперегреватель – трубчатая поверхность, служащая для подогрева пара выше температуры насыщения, за счет теплоты, переданной конвекцией.

Барабан котла служит для:

1. Обеспечения запаса воды;

2. Обеспечение продувки котла, т.е. удаление из питательной воды шлама и солей;

3. Разделения паровой и жидкой фазы.

В опускной шахте газохода находятся воздухоподогреватель и экономайзер.

Воздухоподогреватель – устройство, служащее для подогрева воздуха идущего в горелки котла для устойчивого горения факела. Экономайзер – трубчатая поверхность, служащая для нагрева питательной воды дымовыми газами.

Конструкция котла опирается на несущий каркас, основными элементами которого являются стальные балки и колонны. Котел с внешней стороны имеет обмуровку, состоящую из стального листа толщиной 3-4 мм, огнеупорной кладки и тепловой изоляции.

По способу циркуляции воды котлы различают:

а) С естественной циркуляцией (барабанные);

б) Прямоточные с принудительной циркуляцией.

Движение воды котла с естественной циркуляцией по испарительному контуру осуществляется за счет разности плотностей столбов воды опускаемой и подъемной. Циркуляция воды у прямоточных котлов осуществляется принудительно при помощи насосов. Прямоточные котлы, в отличие от барабанных могут работать при сверхвысоких давлениях (более 20 МПа)

7. Паровая турбина – это тепловой двигатель, в котором внутренняя энергия водяного пара превращается в механическую энергию вращения. Совокупность неподвижных частей турбины называют статором, а подвижных – ротором.

Все современные паровые турбины – многоступенчатые. Ступень турбины – совокупность неподвижного ряда, укрепленных на статоре сопловых лопаток, в каналах между которыми ускоряется поток пара и ряда рабочих лопаток, в которых энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора.

Классификация отечественных паровых турбин

К – конденсационная турбина – весь пар, кроме отборов на подогрев, протекает через проточную часть и поступает в конденсатор

Т – конденсационная турбина с теплофикационным отбором пара

П – конденсационная турбина с промышленным отбором пара

ПТ - конденсационная турбина с промышленным и теплофикационным отборами пара

Р – турбина с противодавлением – отработавший пар направляется к тепловому потребителю, использующему его для теплофикационных или промышленных целей

Электрогенератор

Синхронный генератор

Для производства электроэнергии используется трехфазный синхронный генератор переменного тока. Частота вращения ротора генератора совпадает с частотой вращения турбины. На ТЭС частота вращения - 3000 об/мин, на АЭС – 1500об/мин и 60 – 600 об/мин на ГЭС.

Турбогенераторы имеют горизонтальное исполнение, диаметр ротора около 1м, длина до 6, 5м. К обмоткам машины подается охлаждающее вещество. По способу отвода тепла различают косвенное охлаждение и непосредственное. В первом случае охлаждение происходит через изоляцию, во втором охлаждающее вещество соприкасается с обмотками.

В качестве охлаждающего вещества может использоваться воздух, вода, масло серии ТМ или водород. Наиболее предпочтительным является водяное охлаждение.

Гидрогенераторы имеют вертикальное исполнение, диаметр ротора до 16м, диаметр статора до 22м, длина 6, 5м.

На роторе у синхронной машины устанавливается обмотка возбуждения.