Тепловые электрические станции
Производство электрической и тепловой энергии на электростанциях и их потребление различными пользователями - процессы взаимосвязанные. В силу физических закономерностей мощность потребления энергии в какой-либо момент времени должна быть равна генерируемой мощности. В этом заключается особенность энергетического производства. Но в то же время работа приемников электрической и тепловой энергии неравномерна. Потребителю электроэнергии требуется днем больше, чем ночью, в рабочие дни недели больше, чем в выходные, зимой больше.
Подавляющее большинство производимой в Беларуси электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях. Работа крупных ТЭС в резко переменном режиме нежелательна, так как приводит к повышенному расходу топлива, износу оборудования и снижению его надежности. Еще более нежелательны они для АЭС. АЭС не могут конкурировать в этом вопросе с тепловыми электростанциями, так как для АЭС имеются ограничения маневренных характеристик. Поэтому ТЭС и АЭС работают в режиме так называемых базовых электростанций. В промышленно развитых странах большая часть электроэнергии (около 80 %) вырабатывается на ГЭС, изменение мощности можно изменить за 2-3 сек.
К тепловым электрическим станциям относятся конденсационные электростанции (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). В состав государственных районных электростанций (ГРЭС), обслуживающих крупные промышленные районы, как правило входят конденсационные электростанции, используется органическое топливо и не вырабатывается тепловой энергии наряду с электрической. ТЭЦ работают также на органическом топливе, но в отличие от КЭС наряду с электроэнергией производят горячую воду и пар для нужд теплофикации. До настоящего времени ТЭС производят основную часть вырабатываемой энергии. На этих станциях могут применяться различные виды топливных ресурсов: твёрдые: угли и горючие сланцы, жидкие: мазут, дизельное и газотурбинное топливо и газообразные: природный газ – наиболее экологически чистое энергетическое топливо. На протяжении многих лет наблюдался рост мощностей электростанций по экологическим соображениям. Электростанции с блоками по 300 МВТ обеспечивают экономию топлива почти на 44% по сравнению с электростанциями, сооружавшимися по плану ГОЭЛРО по 10-16 МВТ. ТЭС оказывают отрицательное влияние на окружающую среду, осуществляя выбросы продуктов сгорания, золы тепловые сбросы, выбросы загрязненных сточных вод.
Примерно половина всей белорусской электроэнергии производится на двух ГРЭС – Березовской и Новолукомльской. Новолукомльская ГРЭС была введена в эксплуатацию в 1969г. и 1974г. общая мощность которых составляет 3400 МВт. Березовская ГРЭС во всех отношениях скромнее. Строилась она ещё в начале 60-х, когда энергосистема Беларуси только начала создаваться общей мощностью 920 МВт. Причиной критики в адрес этих электростанций является неэкономичность их работы: КПД ГРЭС составляет 40-45%. Пар выбрасывается в атмосферу невостребованным. По гораздо более экономичному циклу работают ТЭЦ/. Здесь пар не выбрасывается, и КПД ТЭЦ составляет 90%. Всего в РБ насчитывается 20 ТЭЦ. Их совокупная мощность более половины общей мощности белоруской энергосистемы. ТЭЦ в крупных городах строились с тем, чтобы обеспечивать энергопотребности предприятий города.
Гидроэлектростанции. Цель гидроэнергетических установок — преобразование потенциальной энергии воды в механическую энергию вращения гидротурбины. Принцип производства электроэнергии на гидроэлектростанции следующий. С помощью плотины в водохранилище создается запас потенциальной энергии воды. Через подводящий (напорный) водопровод вода под напором подается на турбину, с помощью которой кинетическая энергия падающей воды превращается в механическую энергию вращения турбины и далее вала электрогенератора. КПД превращения энергии воды в электрическую энергию в гидроэнергетических установках оказывается порядка 50%. Поэтому мощность ГЭС, количество и стоимость вырабатываемой ею электроэнергии в конечном итоге зависят от природных условий в районе размещения водохранилища и ГЭС.
В своё время бывший СССР занимал второе место в мире по уровню развития гидроэнергетики. Гидроэлектростанции сооружались каскадами, тогда полнее используются энергетические ресурсы. В бывшем СССР крупнейшим каскадом ГЭС являлся Ангарский и Енисейский.
Объекты малой гидроэнергетики условно делят на два типа: «мини» и «микро».
Микро-(Пико-) ГЭС (менее 5 кВт). Установки небольшие и могут быть с легкостью перенесены в другое место.
Микро-ГЭС от 5 до 100 кВт. Может работать как независимо, так и при подключении к централизованной сети.
Мини-ГЭС(от 100 кВт до 1 МВт). Может работать как независимо, так и при подключении к централизованной сети.
Малые ГЭС (от 1 до 10 МВт). Может работать как независимо, так и при подключении к централизованной сети.
Сегодня мы строим две гидроэлектростанции - на Двине в Полоцке и под Гродно на Немане. Собираемся построить ГЭС на реке Неман, сразу четыре — на реке Западной Двине и каскад ГЭС на Днепре. Ведется строительство современного эффективного энергоблока на Минской ТЭЦ-5, уже модернизируется энергоблоки на Березовской ГРЭС, на Лукомльской ГРЭС. И много чего еще полезного. К 2010 году наши энергетики вводят около тысячи мегаватт новых мощностей.
Крупные гидроэнергетические сооружения часто несут в себе опасность масштабных катастроф. Каждый год в мире происходит 11-15 крупных аварий на плотинах. Крупнейшая катастрофа произошла в 1963 году авария плотины в (Италия) привела к гибели 3 тыс. человек. В 1979 г. авария на плотине в (Индия) унесла около 15 тыс. жизней. В 2001 году в Польше река Висла прорвала дамбы в пяти местах, эвакуированы 12 тысяч человек. В 2002 году в Германии в результате наводнения на Эльбе вода прорвала 7 плотин, было затоплено несколько населенных пунктов. В 2003 году в Китае погибли 72 человека, разрушено 50 тысяч домов. В 2009 Саяно-шушенская ГЭС. Наиболее сложные проблемы гидроэнергетики — ущерб, наносимый окружающей среде водохранилищами (уничтожение флоры, затопление плодородных почв, климатические изменения).
Атомные электрические станции. В настоящее время в мире работает 425 атомных реакторов. Франция получает от АЭС 72,9% электроэнергии, Бельгия – 65%, Швеция – 45%, ФРГ – 30,1%, Япония – 37,7%, Украина – 25%, США – 22,3%, Канада – 15,2%. Чернобыльская катастрофа заставила пересмотреть планы развития атомной энергетики во многих государствах. Так, в США были аннулированы заказы на 173 новых блока АЭС, в Германии на 27, в Англии на 13, во Франции на 12.
Кроме производства энергии, во многих "коммерческих" атомных реакторах ежегодно вырабатывается около 180-220 кг плутония, являющегося сырьем для производства атомных бомб. Пяти килограммов плутония достаточно для производства одной атомной бомбы. Плутоний - самое смертоносное из всех известных веществ. Этот элемент назван так в честь Плутона - бога подземного царства. Одна миллионная грамма плутония (невидимая глазу частица) при вдыхании внутрь может вызвать рак, одна тысячная вызывает фиброз легкого и смерть через несколько лет. Если равномерно распределить один фунт (450 г) плутония по дыхательному тракту всех людей на Земле, он теоретически может вызвать рак легких у каждого жителя.
В пищевой цепи плутоний в больших количествах содержится в рыбе, птице, яйцах и молоке. Он обладает хорошей растворимостью, особенно в хлорированной воде. Частички плутония могут отражается на здоровье нескольких последующих поколений, вызывая множественные генетические повреждения, а поврежденные гены будут передаваться от поколения к поколению.
АЭС является землеемким предприятием. Изъятие земель связано со строительством прудов-охладителей, поселков, санитарно-защитной зон, специальной дорожно-транспортной сети и т.д. Тепловое загрязнениепроявляется в воздействии АЭС на поверхностные воды. Расход воды на АЭС в 1,5 раза выше, чем на ТЭС. Хотя сбрасываемые воды условно чистые, однако за счет своей температуры они подогревают воды водоема-приемника. Уровень экологической опасности для водоемов наиболее высок для северных широт и южной части умеренного пояса. Наименьшая уязвимость – 56-60º с.ш.
А. Электрические сети.
Электроэнергетическая система - совокупность оборудования и установок по производству, преобразованию и доставке конечным потребителям электрической энергии. Она включает в себя электрические станции, подстанции, линии электропередачи, центры потребления электрической энергии. Электроэнергия чистый и дорогой продукт, транспорт которого отработан достаточно совершенно. Электрическая энергия распределяется по линиям электропередач ЛЭП.Линия электропередачи (ЛЭП) электроустановка для передачи электрической энергии на расстояние ЛЭП вместе с электрическими подстанциями образуют электрические сети. Выбор номинального напряжения ЛЭП определяется передаваемой мощностью и расстоянием; различают ЛЭП низкого (до 1 киловольта), среднего(3-35 кВ), высокого (110-220 кВ), сверхвысокого(330-1000 кВ) и ультравысокого(более 1000 кВ) напряжения.
Протяжённость линий электропередач РБНапряжение 750 киловольт -418км Напряжение 330 кВ 3951 км Напряжение 220 кВ - 2279км Напряжение 110 кВ 15957 км, суммарной мощностью 7.2 МВт.
Воздействие воздушных линий электропередач на окружающую среду связано с отчуждением земли, сокращением сельскохозяйственных, лесных и охотничьих угодий. Особенно большой ущерб наносится лесным угодьям, поскольку просеки под трассами линий полностью исключаются из хозяйственного оборота. Кроме указанных экологических воздействий ЛЭП являются также источником возникновения радиопомех и помех в каналах связи.
В районе действия электрического поля ЛЭП у насекомых проявляются изменения в поведении: так, у пчел фиксируется повышенная агрессивность, снижение работоспособности; у жуков, бабочек наблюдается изменение направления движения в сторону с меньшим уровнем излучения. У растений распространены аномалии развития - часто меняются формы и размеры цветков, листьев, появляются лишние лепестки.
Здоровый человек страдает от относительно длительного пребывания в поле ЛЭП. Кратковременное облучение (минуты) способно привести к негативной реакции только у гиперчувствительных людей или у больных некоторыми видами аллергии. Работы английских ученых в начале 90-х годов показали, что у ряда аллергиков под действием поля ЛЭП развивается реакция по типу эпилептической. При продолжительном пребывании (месяцы - годы) людей в электромагнитном поле ЛЭП могут развиваться заболевания преимущественно сердечно-сосудистой и нервной систем организма человека. В последние годы в числе отдаленных последствий часто называются онкологические заболевания.
о санитарно-защитных зонах.20 м - для ВЛ напряжением 330 киловольт; 30 м -500 киловольт; 40 м- 750 киловольт; 55 м-150 киловольт, 110 киловольт не упоминается
В последние годы на территории Беларуси отмечен целый ряд опасных явлений природного характера, повлекших за собой серьезные многочисленные повреждения линий электропередачи, нарушение работы транспорта. Наиболее масштабным стихийным явлением 1997 г. явился ураган, пронесшийся 23 июня по Брестской и Минской областям, который сопровождался грозой, градом и сильным ливнем. Порывы ветра достигали 25-32 м/сек, диаметр градин составлял 2 см и более. Ураганом были разрушены жилые дома, сломаны деревья в диаметре до 50 см, опрокинуты опоры ЛЭП, на расстояние переносились предметы весом до 300 кг. В результате стихии обесточились многие населенные пункты, были и человеческие жертвы.
Б. Тепловые сети.
Рассмотрим, какими путями может быть достигнуто снижение потребления топлива. Например,
| |
|
| |
| |
Различают три способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
Теплопроводность количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени. Лучшими проводниками тепла являются металлы и худшими газы (окна с воздушной прослойкой– чем толще прослойка тем лучше теплоизоляционные свойства окон, топки изготавливают из металла). Низкой теплопроводностью обладают теплоизоляционные и многие строительные материалы.
Конвекция– это теплообмен между твердым телом и жидкостью (газом), происходящий при их соприкосновении.
Тепловое излучение –Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло.
Тепловая энергия в виде горячей воды или пара транспортируется от ТЭЦ или котельных к потребителям по специальным трубопроводам, которые называются тепловой сетью.
Тепловая энергия распределяется при помощи водных тепловых сетей:
Прямой ток: давление 4…10 атм., температура 90…200 
;
Обратный ток: давление 2-4 атм., температура 70 ;
Используются стальные трубы покрытые теплоизоляцией. Чем длиннее трубы (больше радиус действия тепловых сетей), тем больше тепловые потери. Поэтому радиус ограничен 10 км. По ходу теплоносителя устраиваются специальные камеры, колодцы (задвижки, вентили), увеличивающие теплопотери. Особенно велики теплопотери при открытой прокладке труб (так называемые "воздушные" тепловые сети), требуется большие расходы на теплоизоляцию. Плохая эксплуатация (открытые люки, поврежденная изоляция, влажность, сквозняки и т.д.) увеличивает теплопотери.
Вода нагревается в водогрейном котле ТЭЦ или котельной и насосом подается в тепловую сеть города. Температура горячей воды из централизованного теплоисточника колеблется от 90 до 200оС. От теплоносителя вода возвращается с расчетной температурой 70оС. При меньшей обратной температуре: а) из-за больших размеров нагревательных приборов у потребителей; б) кородируют трубы котлов.
Место подсоединения теплопотребителя к тепловой сети (ввод), называется тепловым пунктом.
Протяжённость тепловых сетей РБ Магистральных (по главным направлениям населенных пунктов)739.6 км. Распределительных (внутри кварталов)1285.0 км,
Тепловая энергия контролируется по таким параметрам, как температура теплоносителя (обычно воды или пара), давление (особенно пара), расход теплоты и общее количество теплоты.
Основное количество теплоты транспортируется в холодное время года, Если путь теплоносителя к потребителю несколько километров, доля потерь теплоты может составлять 20…60%. Так, 90% аварийных отказов приходится на подающие трубопроводы и 10% - на обратные, из них большинство аварий происходит из-за наружной коррозии и из-за дефектов монтажа (преимущественно разрывов сварных швов).
Отопление - это компенсация тепловых потерь в окружающую среду данного помещения. Если температура в помещении больше, чем снаружи, то всегда имеется тепловой поток, называемый теплопотерями. Этот поток никогда не равен нулю (только при равенстве температур) т.е. все тепло, введенное в помещение, в конце концов оказывается в окружающей среде. Поэтому неуместны восклицания о том, что "греем небо".
Терморегулятор, устанавливается на трубе перед радиатором (батареей) в каждой комнате. Достаточно настроить его на нужную температуру воздуха, и прибор будет автоматически ее поддерживать. Кроме того, благодаря этому устройству можно установить желаемый уровень температуры в различных помещениях квартиры. Например, в спальне — 20°С, для комфортного; в кухне — 18°С, поскольку там в качестве дополнительного нагревателя воздуха зачастую выступает плита.
Графики электрических и тепловых нагрузок.
По условиям энергосбережения недопустимо использовать электроэнергию для отопления зданий, т.к. для производства единицы электроэнергии необходимо несколько единиц тепловой.
Частные владельцы в Западной Европе используют почти 30 % всей получаемой энергии. Большая часть используемой энергии (70 %) идет на отопление зданий.
Режимы теплопотребления имеют значение при планировании теплоснабжении объектов. Существуют потребители, расходующие теплоту круглый год, например, горячее водоснабжение. Некоторые потребители расходуют теплоту в течение всех дней недели, другие потребляют ее лишь в рабочие дни, а в субботу и воскресенье оставляют работающими только системы отопления. в Республике Беларусь основным потребителем электроэнергии является промышленность, а тепловой энергии жилищные организации.
Электрическая и тепловая энергия реализуется потребителям по тарифам, представляющим собой разновидность цен. Регулирование тарифов на энергию является важным звеном в общей системе регулирования энергоиспользования. Многие страны ввели отдельные тарифы на электроэнергию при пиковых нагрузках и в остальное время. Обеспечение графика нагрузки означает организацию бесперебойной подачи электроэнергии в часы ее максимального потребления, а в часы минимума - недопущение разгрузки генерирующего оборудования.
Существует два вида тарифов на энергию одноставочные и двухставочные. При одноставочном тарифе плата за электроэнергию производится по цене за 1 кВт ч пропорционально количеству потребленной энергии. По одноставочным тарифам обычно производится расчет с бытовыми потребителями, с организацииями, в ведении которых находится электрифицированный транспорт, государственными учреждениями и маломощными промышленными предприятиями. Двухставочные тарифы состоят из основной ставки за 1 кВт мощности, участвующей в максимальной нагрузке энергосистемы, и дополнительной ставки за 1 кВт • ч потребленной энергии. Двухставочный тариф стимулирует потребителей к снижению нагрузки, в часы пик, и смещению ее на другие часы суток. В Беларуси ведется эксперимент по тарификации электроэнергии в зависимости от времени суток и дня недели, в 50 жилых домах в настоящее время уже устанавливаются специальные счетчики, позволяющие фиксировать расход электроэнергии в разное время суток, максимальный тариф будет установлен на период с 10 до 11 часов и с 20 до 21 часа, минимальный — ночью, в остальное время суток будет действовать нынешний тариф на электроэнергию
Тепловая энергия подается по одноставочномутарифу. Тариф дифференцируется по энергосистемам и параметрам отпускаемой тепловой энергии.