Понятие электрических станций и их классификация
Электрической станцией называется комплекс устройств и оборудования предназначенного для преобразование используемого источника энергии в электрическую, т. е. выработка электроэнергии для снабжения ею промышленного и сельскохозяйственного производства, коммунального хозяйства и транспорта. Электростанции, использующие в качестве источника энергии различные виды топлива (включая атомное), могут вырабатывать одновременно и тепловую энергию, используемую для целей теплоснабжения производственных предприятий, административных и жилых зданий и т. п. [14].
Электрические станции классифицируют по следующим признакам.
1. По виду используемого источника энергии:
· тепловые электростанции (ТЭС), использующие органическое топливо;
· атомные электростанции (АЭС), в которых используется ядерное топливо;
· гидроэнергетические установки (ГЭУ), включающие в себя гидроэлектростанции (ГЭС), приливные электростанции (ПЭС), гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и другие электростанции, использующие кинетическую энергию различных водотоков;
2. По виду вырабатываемой энергии (по этому признаку классифицируются только тепловые станции):
· тепловые электростанции, вырабатывающие только электроэнергию,— конденсационные электростанции (КЭС);
· тепловые электростанции, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию,— теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).
3. По виду теплового двигателя:
· электростанции с паровыми турбинами — паротурбинные ТЭС и АЭС;
· электростанции с газовыми турбинами — газотурбинные ТЭС;
· электростанции с парогазовыми установками — парогазовые ТЭС;
· электростанции с двигателями внутреннего сгорания — ДЭС.
4. По назначению электростанций бывают:
- районные электростанции (общего пользования), обслуживающие все виды потребителей электроэнергии и являющиеся самостоятельными производственными предприятиями, входящими в систему Минэнерго РБ, по этому признаку районные конденсационные электростанции носят название государственных районных электростанций (ГРЭС);
- промышленные электростанции, (блок-станции) входящие в состав производственных предприятий (объединений) и предназначенные в основном для энергоснабжения предприятий, а также прилегающих к ним городских и сельских районов.
5.2. Тепловые электростанции
5.2.1 Конденсационные электростанции (КЭС) — тепловые паротурбинные электростанции, предназначенные для выработки электрической энергии.
Рассмотрим принципы действия КЭС, используя упрощенную принципиальную схему, приведенную на рисунке 5.1. Необходимо учитывать, что отдельные элементы схемы являются достаточно общими для любой ТЭС.
В состав любой ТЭС входит следующее основное технологическое оборудование: парогенератор (паровой котел), паровая турбина (тепловой двигатель), электрический генератор, конденсатор и питательный насос.
Парогенератор предназначен для получения водяного перегретого пара высокого давления и температуры за счет сжигания топлива в его топке (угля, газа, мазута). Полученный пар по паропроводу подается в паровую турбину, в которой тепловая энергия (потенциальная) пара преобразуется в механическую (кинетическую) энергию вращения ротора турбины и соосно с ним связанного ротора электрогенератора. Электрогенератор на основе электромагнитной индукции вырабатывает электрическую энергию. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор, где превращается в воду, которая питательным насосом подается обратно в паровой котел и цикл повторяется. Для охлаждения пара в конденсаторе используется охлаждающая вода, забираемая насосами из внешнего водоема.
Рисунок 5.1. Принципиальная схема конденсационной электростанции (см. УМК).
Таков общий принцип действия КЭС. На такой электростанции в процессе преобразования энергии неизбежны ее потери Совершенство КЭС (ТЭС) определяется ее коэффициент полезного действия (КПД) технологического оборудования станции
Коэффициент полезного действия (КПД) современных крупных блочных КЭС не превышает обычно 35—40%.
Процесс производства электроэнергии на всех видах ТЭС можно разделить на три цикла (рисунок 5.3.):
▪ химический цикл, протекающий в парогенераторе. Здесь происходит преобразование химической энергии, содержащейся в топливе, в процессе горения в топке парового котла, в тепловую энергию перегретого пара;
▪ механический цикл, протекает в паровой турбине. Перегретый пар подается в паровую турбину, где и происходит преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины;
▪ электрический цикл, протекающий в электрическом генераторе. Механическая энергия вращения ротора турбины передается на ротор электрического генератора, который и вырабатывает электрическую энергию.
| Топливо | → | Tenлomа | → | Механическая энергия | → | Электрическая энергия |
Рисунок 5.3. Схема преобразования топлива в электроэнергию
Остановимся подробнее на отдельных элементах технологической схемы КЭС.
Паровой котел.Это сложное техническое сооружение, предназначенное для получения (генерации) пара заданных по давлению и температуре параметров из поступающей в него питательной воды. По конструктивным признакам паровые котлы подразделяются на барабанные и прямоточные котлы.
Паровая турбина.Паровой турбиной называют тепловой двигатель, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию вращения ротора турбины, а затем в механическую работу на валу.
Конденсатор.Экономичность работы паровой турбины в большой степени зависит от конечного давления пара, с понижением которого увеличивается используемый тепловой перепад и возрастает КПД турбоустановки и, как следствие, всей электростанции. Снижение давления пара после выхода его из турбины осуществляется с помощью устройства, называемого конденсатором, в котором поддерживается низкое абсолютное давление в пределах 3 – 4 кПа за счет охлаждения его водой из внешнего водоема.
Количество охлаждающей воды для выработки 1 кВт∙ч электроэнергии современной мощной конденсационной турбиной составляет от 0,12 до 0,16 м3.. Поэтому строительство мощных КЭС возможно лишь вблизи крупных водоемов.
5.2.2. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).К теплоэлектроцентралям относятся электростанции, которые вырабатывают и отпускают потребителям не только электрическую, но и тепловую энергию. При этом в качестве теплоносителей служат как пар из промежуточных отборов турбины, частично уже использованный в первых ступенях расширения турбины для выработки электроэнергии, так и горячая вода с температурой 100—150°С, нагреваемая отбираемым из турбины паром.
Так как теплота на ТЭЦ расходуется на производство электрической и тепловой энергии, то различаются КПД ТЭЦ по производству и отпуску электрической энергии и по производству и отпуску тепловой энергии. Однако для совместной оценки экономической эффективности обоих процессов используется общий КПД ТЭЦ, который характеризует степень использования теплоты, расходуемой на производство обоих видов энергии одновременно. Значение этого КПД для ТЭЦ, снабженных турбинами с промежуточным отбором пара, составляет около 60%, а для ТЭЦ, использующих турбины с противодавлением,— 75%.
Атомные электростанции
Привлекательность ядерной энергетики заключается в том, что при делении ядер урана 235U выделяется большое количество энергии. При полном делении 1 кг 235U выделяется 86▪106 МДж (23▪106 кВт ч) энергии, а при сжигании 1 кг каменного угля выделяется только 8 кВт ч энергии. Анализируя эти данные можно сделать вывод, что ядерное топливо эффективнее традиционного органического топлива в 3000000 раз.
Источником ядерной энергии являются тяжелые ядра, для которых возможны ядерные превращения, сопровождающиеся их делением на более легкие ядра.
Рассмотрим процесс деления тяжелых ядер, лежащий в основе работы ядерного реактора АЭС. В состав атомов химических элементов, как известно, входят электрон, протон, нейтрон. Атомы состоят из ядер, вокруг которых вращаются электроны. Сами ядра состоят из очень плотно «упакованных» с помощью ядерных сил нейтронов и протонов.
Деление ядер происходит при бомбардировке их нейтронами. Поскольку нейтрон имеет нулевой заряд, кулоновские силы не могут препятствовать проникновению нейтрона в ядро. Нейтрон, который не связан с тяжелым ядром, попав в него, не изменяет полную энергию связи всех протонов и нейтронов (нуклонов) ядра, но изменяет среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон, в результате чего эта энергия в новом ядре станет меньше, чем в старом. Нуклоны станут меньше связаны друг с другом, а это приведет к тому, что ядерных сил связи будет недостаточно для удерживания всех нуклонов вместе и происходит деление ядра на два других ядра-осколки (рисунок 5.9). При этом процесс деления сопровождается выделением огромного количества энергии [14]. Одновременно с делением ядра происходит процесс испускания нескольких отдельных нейтронов, которые в свою очередь вызывают новые деления ядер.
Рисунок 5.9. Схема расщепления ядра урана-235
Высвобождаемая энергия проявляется, в основном, в виде кинетической энергии разлетающихся ядер-осколков. Торможение разлетающихся ядер-осколков окружающей средой приводит к ее разогреву.
В современных атомных электростанциях используются в основном ядерные реакторы на тепловых (медленных) нейтронах.
Ядерным реакторомназывается устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления ядер радиоактивных элементов. В настоящее время существует несколько типов реакторов, однако всем им присущи некоторые общие черты. Все они имеют активную зону 5 (рисунок 5.10), в которую загружается ядерное топливо 1, содержащее 235U и замедлитель 2 (обычно графит или вода). Для сокращения утечки нейтронов из активной зоны, последнюю окружают отражателем 6, выполненным обычно из того же материала, что и замедлитель. За отражателем снаружи реактора размещается биологическая защита 7 от радиоактивного излучения.
Загрузка реактора ядерным топливом обычно значительно превышает критическую массу. Чтобы по мере выгорания топлива непрерывно поддерживать реактор в критическом состоянии, в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней 3 из карбида бора.
Рисунок 5.10. Схема ядерного реактора:
1 — ядерное топливо; 2 — замедлитель; 3 — управляющий стержень тепловая защита; 4 — выход теплоносителя; 5 — активная зона и теплоноситель; 6 — отражатель; 7 ─ биологическая защита; 8 ─ вход теплоносителя.
Такие стержни называют регулирующими или компенсирующими, поскольку они компенсируют дополнительную нагрузку топлива (избыточную реактивность реактора). По мере выгорания топлива эти стержни постепенно извлекаются из активной зоны. Часть этих стержней используется также для регулирования мощности реактора, осуществляемого с помощью автоматики.
В процессе деления ядер основная доля освобожденной энергии переходит в кинетическую энергию ядер-осколков, при торможении которых замедлителем выделяется теплота, поглощаемая последним. Для отвода тепла от замедлителей они охлаждаются прокачиваемым через активную зону теплоносителем 5.