Традиційні способи одержання теплової та електричної енергії

Непоновлювані джерела енергії. Традиційні способи одержання теплової та електричної енергії

Енергетичні ресурси (джерела енергії) – це матеріальні об'єкти, в яких зосереджена енергія, придатна для практичного використання людиною. Енергоресурси поділяють на первинні та вторинні. Первинні енергоресурси – це природні ресурси, які не переробляли і не перетворювали: сира нафта, природний газ, вугілля, горючі сланці, вода річок і морів, гейзери, вітер тощо.

У свою чергу, первинні ресурси (або джерела енергії) поділяють на поновлювані і непоновлювані. Непоновлювані джерела енергії – це природньо утворені й накопичені в надрах планети запаси речовин, здатних за певних умов звільняти енергію, що міститься в них. Такими є викопне органічне паливо (вугілля, нафта, природний газ, торф, горючі сланці), ядерне паливо.

Невідновлювані ресурси – це викопне паливо, що складається з пальних речовин, незгоряючих залишків і вологи. Паливні копалини характеризуються спільним походженням пальної частини. Вони утворюються переважно з рослинної маси, але містять також певну кількість білкових і жирових речовин тваринного походження. Мільйони років у надрах Землі тривав процес розкладання рештків тварин і рослин, що колись переробили і зберегли сонячну енергію. У результаті утворилися такі невідновлювані джерела енергії, як нафта, вугілля, природний газ, торф, горючі сланці, запаси котрих досить обмежені.

Вугілля

Вугілля як невідновлюване енергоджерело було використане першим. Провідна роль в освоєнні вугілля як джерела енергії належить Англії, де розпочалася промислова революція. Відколи Дж. Уатт винайшов паровий двигун, вугілля стало універсальним енергоносієм. Парові судна і потяги полегшили пересування, і вугілля можна було перевозити по всій Англії та, зрештою, по всьому світу. Навколо заводів, що працювали на енергії вугілля й були зорієнтовані на світовий ринок, зводилися нові міста.

Україна має значну кількість вугілля, так на сьогодні розвідані запаси складають близько 50 млрд. т. Основні запаси вугілля розвідані в Донецькому, Львівсько-Волинському і Дніпровському буровугільному басейнах. Вугілля є єдиним енергоносієм, розвідані запаси якого можуть забезпечити потреби енергетики і промисловості України у найближчі 300 років.

Вугілля зручне для виробництва електрики й інших промислових процесів. Воно дає дешеву енергію країнам, де це енергоджерело доступне. Слід відмітити, що в більшості розвинених країн видобуток вугілля протягом останніх десятиліть значно скоротився, а потреби в ньому покриваються за рахунок імпорту з інших країн. У Німеччині обсяг виробництва кам'яного вугілля за останні 30 років знизився більш як удвічі і сьогодні складає близько 65 млн. т на рік. У Франції за той же час видобуток вугілля знизився з 50 до 10 млн. т на рік. Деякі країни взагалі відмовилися від його видобутку (Нідерланди, Данія, Бельгія, Італія).

Видобуток вугілля ведеться двома способами. Економічно вигідний – відкритий. При цьому на великих площах горішній шар земли знімають і вивозять. Після видобутку вугілля необхідно проводити рекультивацію території, що суттєво збільшує вартість вугілля. Якщо вугілля знаходиться досить глибоко, його видобувають підземним способом у шахтах. Видобуток вугілля – небезпечна галузь. Шахтарі, які працюють у таких шахтах, часто потерпають від легеневих захворювань, оскільки вдихають багато вугільного пилу що заважає нормальному газообміну у легенях і кровотворній системі.

Після видобутку вугілля надходить на теплові електростанції, де виділена при його згорянні теплота нагріває воду до кипіння. Утворюється пара, що обертає турбіни, з'єднані з електричним генератором, який і виробляє електричну енергію. При цьому тільки одна третина теплоти витрачається на виробництво електроенергії, інші ж дві третини теплової енергії випромінюються в атмосферу.

Вугілля як енергоджерело є небезпечним для навколишнього середовища. При спалюванні вугілля утворюються отруйні гази, такі, як чадний газ (карбону (II) оксид), сірчистий газ (сульфуру (IV) оксид) і гази, що негативно впливають на клімат, наприклад, карбону (IV) оксид. Викиди цих газів значно зросли з часів промислової революції. Ніякий інший вид невідновного енергоджерела не викидає так багато карбону (IV) оксиду як вугілля. Забруднення спричиняють також вугільний пил і сажа. Наслідки використання вугілля для вироблення електричної та теплової енергії досить невтішні. Лише одна ТЕС потужністю 1000 МВт за рік спалює 2,5 млн. тонн вугілля, "виробляючи" при цьому 6,5 млн. тонн СО2; 9 тис тонн оксидів сульфуру; 4,5 тис тонн оксидів нітрогену; 490 тонн сполук важких металів і 700 тис. тонн попелу. Крім того, ТЕС, що працюють на вугіллі, є джерелом переносу радіоактивних речовин з-під Землі в атмосферу.

Транспортування вугілля теж завдає шкоди довкіллю. Від місця видобутку вугілля найчастіше транспортують залізницею, а під час його навантаження й розвантаження в атмосферу викидається значна кількість вугільного пилу. За допомогою сучасних технологій можна дещо зменшити негативні наслідки використання вугілля для одержання енергії. Основні з цих технологічних способів такі:

• запровадження удосконалених конструкцій котлів, що знижують утворення оксидів Сульфуру, Нітрогену й викиди попелу;

• використання очисних споруд і фільтрів для очищення димових газів від сполук Сульфуру, Нітрогену і попелу;

• застосування водно-вугільних суспензій замість вугілля.

Сучасні технології використання вугілля без значного впливу на навколишнє середовище передбачають:

• газифікацію вугілля з подальшим використанням отриманого газу в якості енергоносія;

• спалювання вугілля на електростанціях, які використовують обладнання та технології уловлювання СО₂.

Торф

Торф є найменш сформованою формою вугілля, що досить сильно зберегла риси рослинного походження і складається з води (до 90%), Карбону (5%) та летких сполук (5%). Залягає він переважно на болотах. У помірному кліматі середньорічна швидкість росту торфу на болотах 0,55-1,0 мм, а на верхових болотах 1-2 мм. У тропічному кліматі вона значно вища. Фахівці вважають, що необхідно 300 років для утворення торф'яного шару завтовшки 9 метрів. Поклади торфу в Україні поширені, головним чином, у західних, північно-західних та північних областях. Сьогодні виявлено понад 2 500 родовищ торфу із запасами понад 2260 млн. т., з яких вироблено понад 45 % розвіданих запасів. Торф'яники займають площу близько 10 000 км². Можливе використання торфу в якості палива на теплоелектростанціях, та для побутових потреб. Торф розробляють відкритим способом, тому його видобування пов'язане з негативним впливом на довкілля. На існуючих в Україні торфопереробних заводах є достатні потужності для суттєвого збільшення видобутку кускового торфу для безпосереднього використання як палива, фрезерного торфу як сировини для газифікації та брикетування торфу для забезпечення населення місцевим паливом. Але останній вважається низькоефективним завдяки великому вмісту води. Торф використовується не тільки як паливо. Він є цінною сировиною для хімічної і біохімічної промисловості, медицини, машинобудування, будівництва і ряду інших галузей. Так, наприклад, з торфу отримують білкові продукти, жири, вітаміни, барвники, цінний віск для особливо точного литва, виготовлення мастил для полірування хромованих і нікельованих виробів, просочення паперу, шкіри, дерева, у виробництві олівців і косметики.

Нафта

Нафта не тільки джерело енергії, але і сировина для нафтохімічної промисловості, виробництва пластмас і навіть ліків. Приблизно 90 % усієї нафти, що видобувається, використовують як паливо, решту застосовують для одержання нафтохімічних продуктів. Деякі складові сирої (необробленої) нафти використовували для одержання енергії сотні років. Китайці використовували нафту ще у 1000 році до н. е., переважно для виробництва гасу, олії для ламп. Нафтова свердловина, яку у 1859 році пробурив у Пенсильванії Едвін Дрейк, не була першою у світі, але саме з неї почалася бензинова ера. До того часу бензин вважали занадто витратним продуктом. Та з розвитком автомобілебудування попит на нафту різко підвищився. З цього часу нафтова промисловість упевнено розвивається і лідирує на світовому ринку енергетичних джерел. Промислово розвинуті країни підвищили свій життєвий рівень, у першу чергу, саме завдяки більшому споживанню нафти. Недарма нафту часто називають "чорним золотом". Сира нафта розподілена на Землі нерівномірно і так само нерівномірно споживається населенням Землі. Основні запаси нафти зосереджені на Близькому Сході, у Латинській Америці, Сибіру й Африці. У потужних споживачів нафти – США і європейських країнах – її запаси не такі великі. Важко сказати, на скільки ще вистачить її запасів. За прогнозами, вони можуть бути виснажені за 50-75 років, якщо не будуть знайдені нові поклади. В Україні розвідані запаси нафти становлять близько 300 млн. т.

Перш ніж добувати нафту, треба провести геологічну розвідку, тобто знайти її поклади. Потім за допомогою бурових установок роблять свердловини, щоб добувати нафту із земних глибин. Став можливим видобуток нафти глибинним бурінням з дна океану. Далі сира нафта надходить на нафтопереробні заводи, де з неї одержують бензин, гас, дизельне пальне, парафін, бітум та інші нафтопродукти. Нафту легко транспортувати. Зазвичай її транспортують нафтопроводами або морем у нафтоналивних танкерах. І видобуток, і транспортування, і переробка нафти пов'язані зі шкідливим впливом на навколишнє середовище. Часто відбуваються розливи нафти в результаті її витоку зі свердловин або при транспортуванні. Час від часу ми дізнаємося про катастрофічні наслідки аварій нафтових танкерів. Нафта, що розлилася, утворює на поверхні води тоненьку масну плівку. Морські звірі та птахи, які потрапляють в нафтові плями, здебільшого гинуть через порушення терморегуляції та розвиток сліпоти при потраплянні нафти в очі. Інша морська живність, що існує в поверхневих водах, потерпає від дефіциту кисню та сонячного світла. Наслідки нафтових розливів зникають дуже повільно. В найкращому випадку, коли берегова лінія відкрита вітрові, течіям та хвилям, потрібно до 4-5 років, щоб зникли всі їх сліди. У більш захищених від вітру і хвиль водах цей процес може тривати 10-15 років.

Багато нафти і нафтопродуктів споживає транспорт. При цьому в атмосферу викидається велика кількість карбону (IV) оксиду. При переробці нафти і споживанні нафтопродуктів транспортом у навколишнє середовище виділяються чадний газ, сполуки Плюмбуму, оксиди Нітрогену і Сульфуру, що спричиняють хвороби рослин, тварин, людей. Отже, використання нафти не лише підвищує життєвий рівень населення, а й завдає великої шкоди навколишньому середовищу – океанам, атмосфері та живим організмам.

Природний газ

Природний газ – це третє за величиною джерело енергії. Відомо, що 25 % енергії у світі виробляється з природного газу. Вміст енергії в природному газі високий, майже такий же, як у нафті. Україна використовує до 100 млрд. м³ природного газу на рік, з яких власний видобуток становить близько 20 млрд. м³. До 2010 року видобуток природного газу планується збільшити на 10-15 млрд. м³. Газом Україна в майбутньому може забезпечити себе самостійно. Розвідка покладів природного газу ведеться в Чорному морі, в Полтавській, Чернігівській і Харківській областях, у Карпатському регіоні. Розвідані запаси газу в Україні становлять 1,1 трлн. м³. Уже розвіданих запасів газу вистачить на 50 років при сучасному рівні видобутку. Значні об'єми газу зосереджені в нафтових родовищах (супутні гази) та вугільних шахтах (шахтний метан). Лише вугільні родовища України містять до 3,0 трлн. м³ газу. Деякі газові свердловини спроможні дати до 6 млн. м³ газу на добу.

Природний газ використовується як паливо для електростанцій, побутове паливо, як сировина для промисловості тощо. Газ легко транспортувати до місця споживання по трубах. А перевівши його у скраплений стан, можна перевозити у залізничних та автоцистернах, нафтових танкерах.

У той же час, слід пам'ятати, що Україна залежна від експорту природного газу з інших країн, передовсім Росії. Тому стратегічною метою нашої держави є: зменшення споживання газу всіма галузями народного господарства, та заміщення його місцевими енергоресурсами (наприклад біомасою). Природний газ є найчистішою формою невідновної енергії: у ньому дуже низький вміст отруйних речовин, він згоряє дуже швидко, простий у використанні. Проте проблеми викидів карбону (IV) оксиду при використанні природного газу залишаються.

Різні види енергетичних ресурсів мають різну якість, для палива її характеризує теплотворна спроможність, тобто скільки енергії (тепла) може виділити це джерело. Щоб порівняти теплотворну здатність ресурсів, потрібно порівняти їх питомі енергоємності, тобто кількість енергії, що припадає на одиницю маси енергоресурсу (табл. 1).

Таблиця 1

Значення питомої енергоємності для деяких енергетичних ресурсів у порівнянні з умовним паливом

З таблиці 1 видно, що високу енергоємність мають газ і нафта. Це спричинило їх "хижацьке" використання. Швидкий ріст споживання нафти як палива в ХІХ-ХХ ст. був зумовлений трьома основними причинами:

· розвитком усіх видів транспорту (для автомобільного та авіаційного транспорту рідке паливо поки що незамінне);

· досить простим видобуванням, транспортуванням і використанням нафти порівняно з твердим паливом;

· можливістю одержання великих прибутків за рахунок експлуатації нафтових родовищ країн, що розвиваються.

Традиційні способи одержання теплової та електричної енергії

Одним з досконалих видів енергії є електроенергія. Її широке використання зумовлене такими факторами:

- можливість вироблення електроенергії у великих кількостях поблизу родовищ органічного палива та водних джерел;

- можливість транспортування на далекі відстані з порівняно незначними втратами;

- можливість трансформації електроенергії в інші види енергії (механічну, хімічну, теплову, світлову);

- відсутність забруднення довкілля;

- можливість застосування на основі електроенергії принципово нових прогресивних технологічних процесів з високим ступенем автоматизації.

Теплова енергія широко застосовується у побуті та на сучасних виробництвах у вигляді енергії пари, гарячої води, продуктів згоряння палива. Пару та гарячу воду традиційно отримують у котлах, в яких нагрівається вода за рахунок палива. Електричну і теплову енергію виробляють на:

- теплових електричних станціях (ТЕС) на органічному паливі з використанням у турбінах водяної пари – паротурбінні установки (ПТУ); продуктів згоряння – газотурбінні установки (ГТУ), їх комбінацій – парогазові установки (ПГУ);

- гідравлічних електричних станціях (ГЕС), котрі перетворюють механічну енергію руху води на електричну, використовуючи енергію падаючого потоку води, течії, припливу;

- атомних електричних станціях (АЕС), які перетворюють енергію ядерного розпаду на електричну.

Традиційні джерела електричної енергії: теплова – ТЕС, енергія потоку води – ГЕС, атомна енергія – АЕС. Теплові електростанції (ТЕС) виробляють електроенергію в результаті перетворення теплової енергії, яка виділяється при спалюванні органічного палива (вугілля, нафти, газу). Непоновлюваність цих природних ресурсів змушує задуматися про раціональне їх застосуванні і заміну більш дешевими способами отримання електроенергії.

Гідроелектростанція (ГЕС) – Комплекс споруд і устаткування, за допомогою яких енергія потоку води перетворюється в електричну енергію. При їх спорудженні також завдається шкода навколишньому середовищу: перегороджуються річки, змінюється їх русло, затоплюються долини річок. Найважливіша особливість гідротехнічних ресурсів в порівнянні з паливно-енергетичними – їх безперервна поновлюваність.

Атомна електростанція (АЕС) – електростанція, в якій атомна (ядерна) енергія використовується для отримання електричної. Генератором енергії тут є атомний реактор. Тепло, що виділяється в ньому в результаті ланцюгової реакції поділу ядер деяких важких елементів, перетворюється в електроенергію. АЕС працюють на ядерному паливі (уран, плутоній і ін.), Світові запаси якого значно перевищують запаси органічного палива.

Теплові електростанції

Теплова електростанція (ТЕС) – електростанція, що виробляє електричну енергію в результаті перетворення теплової енергії, що виділяється при спалюванні органічного палива. Перші ТЕС з'явилися в кінці XIX ст. У середині 70-х рр. XX ст. ТЕС стали основним видом електричних станцій. Часто в містах використовуються ТЕЦ - теплоелектроцентралі, що виробляють не тільки електроенергію, але й тепло у вигляді гарячої води.

На теплових електростанціях хімічна енергія палива спочатку перетворюється в механічну, а потім в електричну. Паливом для такої електростанції можуть служити вугілля, торф, газ, горючі сланці, мазут. Теплові електричні станції поділяють на конденсаційні (КЕС), призначені для вироблення тільки електричної енергії, і теплоелектроцентралі (ТЕЦ), що виробляють крім електричної теплову енергію у вигляді гарячої води і пари. Великі КЕС районного значення отримали назву державних районних електростанцій (ДРЕС ).

ТКЕС перетворюють енергію органічного палива спочатку в механічну, а потім в електричну. Механічну енергію впорядкованого обертання валу отримують за допомогою теплових двигунів, перетворюючих енергію невпорядкованого руху молекул пари чи газу. Всі теплові двигуни поділяються:

· по виду використовуваного робочого тіла - пара або газ;

· по способу перетворення теплової енергії в механічну - поршневий чи роторний.

На сучасних потужних ТЕС встановлюють парові турбіни (перша була встановлена на Ельберфельдській електростанції для обертання електричного трифазного генератора в 1899 р.).

Для підвищення ефективності роботи теплових двигунів намагаються максимально збільшити температуру робочого тіла і його тиск до значень, допустимих за умовами механічної міцності конструкційних параметрів (пара з t=600^оС і р=30 МПА, для охолодження – холодна вода, після чого температура робочого тіла стає 30-40^оС).

Робота станції відбувається наступним чином: з бункера вугілля поступає в дробильну установку, де він перетворюється в пил. Вугільний пил разом з повітрям подається в топку. Теплота, отримувана при спалюванні вугілля, використовується для перетворення води в пару в трубах. Вода за допомогою насоса закачується в барабан котла.

Пара нагріта потоком гарячих газів при високій температурі і високому тиску поступає спочатку в першу ступінь турбіни, а потім в другу ступінь. В турбіні енергія пари перетворюється в механічну енергію обертання ротора генератора, що виробляє електричну енергію. Відпрацьована пара поступає в конденсатор, перетворюється на воду, яка насосом подається в котел і цикл перетворення води повторюється. Охолодження пари в конденсаторі виконується за допомогою води, що забирається з водойми (куди і скидається). Продукти спалювання вугілля проходять через очисні споруди, де виділяється зола, тверді частинки неспаленого вугілля та інші домішки, а гази, що залишилися, викидаються в атмосферу через димову трубу.

Сучасний парогенератор являє собою складну технічну споруду великих розмірів, висота якого співрозмірна з висотою п’ятиповерхового будинку. Конструктивно парогенератори поділяються на барабанні та прямоточні. В барабанному парогенераторі відбувається природна циркуляція води та пароводяної суміші за рахунок їх різних густин. Із збільшенням температури і тиску пари зменшується різниця в густинах води та пари, що погіршує їх циркуляцію.

В прямоточному генераторі барабана немає. Циркуляція води та пари створюється насосами. Ці генератори вимагають якісного регулювання подачі води. Крім того, до живлячої води, що використовується в парогенераторах цього типу, пред’являються високі вимоги у відношенні її хімічної чистоти. Прямоточні котли отримали широке розповсюдження, так як вони дешевші за барабанні. В барабанних парогенераторах при високих тисках (більше 20 МПа) порушена природна циркуляція води та пари.

Отримана в парогенераторі пара (перегріта) по паропроводах передається в сопла. Сопла призначені для перетворення внутрішньої енергії пари в кінетичну енергію впорядкованого руху молекул. Після виходу із сопла пара подається на робочі лопатки турбіни. Якщо турбіна активна, то між її робочими лопатками розширення пари не відбувається, а значить, і тиск пари не змінюється. В реактивній турбіні чи ступені відбувається розширення пари, що проході через канали робочих лопаток. В залежності від показників розширення пари в каналах турбіни в каналах турбіни характеризуються ступенями реактивності. Тепер турбіни виконують багатоступеневими, причому в одній і тій же турбіні можуть бути як активні, так і реактивні ступені.

Конденсатори пари, що виходить із турбіни направляють для охолодження і конденсації в спеціальний пристрій – конденсатор – циліндричний корпус, всередині якого наявна велика кількість латунних трубок, по яких протікає охолоджена вода (на початку t=10-15^оС, а вкінці - 20-25^оС). Тиск в конденсаторі підтримується на рівні 3-4 кПа.

Якщо воду для охолодження забирають з ріки, а потім скидають знову в ріку, то таку систему водопостачання називається прямоточною. В замкнутих системах водопостачання для охолодження води споруджуються градирні (споруди висотою приблизно 50 м). Внизу градирні – басейн, звідки охолоджена вода подається в конденсатор.

Більшість ТЕС нашої країни використовують як паливо вугільний пил. Для вироблення 1 кВт-год електроенергії затрачається кількасот грамів вугілля. У паровому котлі понад 90% виділеної паливом енергії передається парі. У турбіні кінетична енергія струменів пари передається ротору. Вал турбіни жорстко з'єднаний з валом генератора. Коефіцієнт корисної дії ТЕС досягає 40%. Велика частина енергії втрачається разом з гарячою відпрацьованою парою. Якщо за 100 % взяти енергію спалювання вугілля, то тільки в середньому 25 % цієї енергії перетворюється в електричну. Найбільші втрати теплоти відбуваються в конденсаторі (55 % з охолодженою водою втікає).

Теплоелектроцентралі

Виробництво електроенергії на ТЕС супроводжується великими втратами теплоти. В той же час багатьом галузям промисловості, таким як хімічна, текстильна, харчова, металургійна та ряду інших теплота необхідна для технологічних потреб. Для опалення житлових будинків необхідна в значній кількості гаряча вода.

Задоволення потреб в теплоті спорудженням невеликих індивідуальних котелень, як правило, не економічно, оскільки такі установки працюють з невеликими ККД і технічно менш досконалі, ніж великі установки сучасних потужних ТЕС.

В цих умовах природно використовувати пару, отриману в парогенераторах на ТЕС, як для виробництва електроенергії, так і для теплофікації споживачів. Електростанції, що виконують такі функції, називається теплоелектроцентралями.

Відпрацьована в турбінах конденсаційних станцій пара має температуру 25-30^оС, тому вона не придатна для використання в технологічних процесах на підприємствах. Для багатьох виробництв необхідна пара з тиском 0,5-0,9 МПа, а іноді і до 2 МПа для приведення в дію пресів, парових молотів, турбін. Іноді необхідна гаряча вода, нагріта до температури 70-150^оС.

Для отримання пари з необхідними для споживачів параметрами використовують спеціальні турбіни з проміжним відбором пари. Та частина пари, що залишилась, далі звичайним способом використовується в турбіні і поступає в конденсатор. Завдяки більш повному використанню теплової енергії ККД ТЕЦ досягає 60-65 %, а ККД КЕС - не більше 40 %.

Гаряча вода та пара під тиском (близько 3 МПа) доставляються споживачам по трубопроводах. Сукупність трубопроводів, призначених для передачі теплоти, називається тепловою мережею. Ефективність роботи системи теплопостачання багато в чому залежить від раціонального розташування ТЕЦ, яких намагаються розташувати якнайближче до крупних споживачів теплоти та електроенергії, оскільки передача теплоти у вигляді пари неекономічна на відстанях більше 5-7 км. Такі станції будують зазвичай поблизу споживачів – промислових підприємств або житлових масивів. Найчастіше вони працюють на привізному паливі. Розглянуті теплові електростанції по виду основного теплового агрегату – парової турбіни – відносяться до паротурбінних станцій. Значно меншого поширення отримали теплові станції з газотурбінними (ГТУ), парогазовими (ПГУ) та дизельними установками.

Централізоване теплопостачання на базі комбінованого виробництва теплоти та електроенергії має великі переваги: забезпечує основну долю потреб в теплоті промислового та житлово-комунального господарства, зменшує витрату паливно-енергетичних ресурсів, а також матеріальних і трудових затрат в системах теплопостачання.

На ТЕЦ одна частина пари повністю використовується в турбіні для вироблення електроенергії в генераторі і потім надходить у конденсатор, а інша, що має велику температуру і тиск, відбирається від проміжної ступені турбіни і використовується для теплопостачання. Конденсат насосом через деаератор і далі поживним насосом подається в парогенератор. Кількість відібраної пари залежить від потреби підприємств у тепловій енергії.

На вітчизняних ТЕС починають використовувати газотурбінні установки. В якості робочого тіла в них застосовується суміш продуктів згоряння палива з повітрям або нагріте повітря при великому тиску та високій температурі. В ГТУ перетворюється теплота газів в кінетичну енергію обертання ротора турбіни.

По конструктивному виконанню та принципу перетворення енергії газові турбіни не відрізняються від парових. Газові турбіни компактніші, ніж парові турбіни та двигуни внутрішнього згорання аналогічної потужності.

Сучасні газові турбіни в основному працюють на рідкому паливі, проте крім рідкого палива може використовуватись газоподібне: природній газ, штучний газ. Робота ГТУ здійснюється наступним чином (рис.1.1): в камеру спалювання 1 подається рідке чи газоподібне паливо та повітря. Отримані в камері спалювання гази 2 з високою температурою і під великим тиском направляються на робочі лопатки турбіни 3. Турбіна обертає електричний генератор 4 і компресор 5, необхідно для подачі під тиском повітря 6 в камеру спалювання. Стиснуте в компресорі повітря перед подачею в камеру згоряння підігрівається в регенераторі 7 відпрацьованими в турбіні горючими газами 8. Підігрівання повітря дозволяє підвищити ефективність спалювання палива в камері згоряння.

Рис. 1.1 Газотурбінна установка

Відпрацьовані в ГТУ гази мають високу температуру, що погано впливає на ККД термодинамічного циклу. Суміщення газо- і паротурбінних агрегатів таким чином, що в них відбувається спільне використання теплоти, що отримується при спалюванні палива, дозволяє на 8-10 % підвищити економічність роботи установки, що називається парогазовою і знизити її вартість на 25 %.

ПГУ, що використовують два види робочого тіла – пару та газ – відносяться до бінарних. В них частина теплоти, що отримується при спалюванні палива в парогенераторі, витрачається на утворення пари, яка потім направляється в турбіну. Охолоджені до температури 650-700 ^оС гази потрапляють на робочі лопатки газової турбіни. Відпрацьовані в турбіні гази використовуються для підігрівання живильної води, що дозволяє зменшити витрату палива та підвищити ККД всієї установки, який може досягати 44 %.

ГТУ можуть працювати тільки на рідкому або газоподібному паливі, оскільки продукти спалювання твердого палива, що містять золу та механічні домішки, шкідливо впливають на робочі лопатки газової турбіни.

Обмежена міцність матеріалів турбін змушує використовувати пару при температурах не вище 600^оС, в той час, як температура спалюваного палива досягає 2000^оС. Скорочення різниці цих температур дозволить суттєво підвищити ККД теплових установок.

Атомні електростанції

На АЕС енергія, отримана в результаті поділу ядер урану на осколки, перетворюється в теплову енергію пари або газу, потім в електричну енергію, тобто в енергію руху електронів у провіднику. Поділ ядер урану відбувається при бомбардуванні їх нейтронами, в результаті чого отримуються осколки ядер, як правило не однакову по масі нейтрони та інші продукти поділу, котрі розлітаються в різні боки з величезними швидкостями і мають, значить, великі кінетичні енергії. Отримана при поділі ядер енергія майже повністю перетворюється в теплоту. Установка, в якій відбувається керована ланцюгова ядерна реакція поділу, називається ядерним реактором.

Основний елемент сучасної АЕС – ядерний реактор – складається із активної зони відбивача, системи охолодження, системи управління, регулювання та контролю, корпуса та біологічного захисту. В робочі канали активної зони поміщають ядерне паливо в вигляді уранових або плутонієвих стержнів, покритих герметичною металевою оболонкою. В цих стержнях і відбувається ядерна реакція, що супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Тому стержні з ядерним паливом називаються твелами. Кількість твелів в активній зоні досягає кількох тисяч.

В активні зону поміщають сповільнювач нейтронів, через неї також проходить теплоносій, під яким розуміють речовину, що служить для відводу теплоти. В якості теплоносія використовується звичайна вода, важка вода, водяна пара, рідкі метали, деякі інертні гази (СО₂, Не). Теплоносій за допомогою вимушеної циркуляції омиває в робочих каналах поверхні твелів, нагрівається і відносить теплоту для подальшого її використання. Активна зона обмежена відбивачем, який повертає в неї вилітаючі нейтрони. Швидкість руху води в активній зоні складає приблизно 3-7 м/сек., а швидкість газів 30-80 м/сек. Управління реактором відбувається за допомогою спеціальних стержнів, що поглинають нейтрони. В графітовий сповільнювач поміщені рухливі кадмієві стержні-поглиначі, котрі автоматично регулюють процес розпаду шляхом більшого чи меншого заглиблення. Біологічний захист виконує функції ізоляції реактора від довкілля. Захист реактора виконується у вигляді товстого шару (до кількох метрів бетону з внутрішніми каналами), по яких циркулює вода чи повітря для відводу теплоти.

Гідроелектростанції

Гідроелектростанція (ГЕС) – це комплекс споруд та обладнання, за допомогою яких енергія потоку води перетворюється в електричну енергію. ГЕС складається з послідовного ланцюга гідротехнічних споруд, що забезпечують необхідну концентрацію потоку води і створення напору, і енергетичного обладнання, що перетворює енергію води, яка рухається під напором в механічну енергію обертання яка, в свою чергу, перетворюється в електричну енергію.

За схемою використання водних ресурсів і концентрацією напорів ГЕС зазвичай підрозділяють на руслові, припливні, дериваційні (напірної і безнапірної деривації), змішані, гідроакумулюючі.

Потужність потоку води, що протікає через деякий переріз – визначається витратою води, висотою між рівнем води в верхньому за течією басейні (верхньому б’єфі) і рівнем води в нижньому за течією басейні (нижньому б’єфі) в місці спорудження греблі. Різниця рівнів верхнього б'єфу і нижнього б'єфу називається напором. В двигунах ГЕС можна використовувати тільки частину потужності потоку води в створі через неминучі втрати потужності в гідротехнічних спорудах, турбінах і генераторах. Напір збільшують на рівнинних ріках за допомогою греблі, а в гірських місцевостях будують спеціальні обвідні канали, що називаються дериваційними.

В гідротурбінах енергія води перетворюється в механічну енергію обертання валу турбіни. Турбіна називається активною, якщо використовують динамічний тиск води і реактивною, якщо використовується статичний тиск при реактивному ефекті.

В ковшовій активній турбіні потенціальна енергія гідростатичного тиску в звуженій насадці – соплі – повністю перетворюється в кінетичну енергію руху води. Робоче колесо турбіни виконане у вигляді диска по полу якого розташовані ковшеподібні лопаті. Вода, огинаючи поверхні лопатей, змінює напрям руху. При цьому виникають відцентрові сили, що діють на поверхні лопатей, і енергія руху води перетворюється в енергію обертання колеса турбіни. Якщо швидкість руху води, витікаючої з турбіни дорівнює нулю, то вся кінетична енергія води, не враховуючи втрат, перетворюється в механічну енергію турбіни. Всередині сопла розташована регулююча голка, переміщенням якої змінюється вихідний переріз сопла, а значить і витрата води.

В реактивній гідротурбіні на лопатях робочого колеса перетворюється, як кінетична, так і потенціальна енергія води в механічну енергію турбіни. За рахунок кривизни лопатей змінюється напрям потоку води, при якому як і в активній турбіні кінетична енергія води в результаті дії відцентрових сил перетворюється в механічну енергію турбіни. Робоче колесо реактивної турбіни повністю знаходиться в воді, тобто потік води одночасно поступає на всі лопаті робочого колеса. Конструкція реактивних гідротурбін:

• радіально-осьові лопаті мають складну кривизну, тому вода поступово змінює напрям з радіального на осьовий (для напору від 30 до 60 см);

• пропелерні проста конструкція і високий ККД, але із зміною навантаження ККД різко зменшується;

• поворотно-лопатні лопаті робочого колеса повертаються при зміні режиму роботи для підтримання високого значення ККД;

• двоперові мають спарені робочі лопаті, що дозволяє підвищити витрату води, але мало застосовується через складність конструкції;

• діагональні робочі лопаті повертаються відносно своїх осей.

На електростанціях турбіна і генератор зв’язані спільним валом. Частоти їх обертання не можуть вибиратися довільно. Вони залежать від числа пар полюсів ротора генератора та частоти змінного струму, яка повинна відповідати стандартній. Крім того, необхідно враховувати, що при невеликих частотах обертання турбіни виходять громіздкими та недешевими. Потужності турбін змінюються від декількох кіловат до 500 МВт, а частота обертання змінюється від 16 2/3 до 1500 об/хв.

Останнім часом стали застосовуватись горизонтальні агрегати (капсульні), в яких генератор знаходиться в герметичній капсулі, яка обтікається водою. ККД таких агрегатів вище (95-96 %) завдяки кращим гідравлічним умовам обтікання (Київська, Канівська ГЕС).