4. Электроэнергетика

1. Общие сведения

Электроэнергетика - ведущая отрасль энергетики, производящая электроэнергию из тепловой, механической и иной энергии. Обычно электроэнергия используется человеком преобразованной в механическую, тепловую, световую и другие виды энергии.

В экономически развитых странах технические средства электроэнергетики объединены в электроэнергетические системы.

Россия занимает второе место в мире после США по производству электроэнергии. Главный потребитель электроэнергии - промышленность (около 60%).

Особенности электроэнергетики России следующие:

• существование энергосистем, объединенных в Единую энергосистему. Это дает возможность эффективнее распределять электроэнергию по территории страны;

• высокая концентрация предприятий в районах с низкой и средней обеспеченностью топливно-энергетическими ресурсами: Поволжье, Урал, Центральный район и др.

Электроэнергия производится на электростанциях. Электростанции в России подразделяют на

группы:

• тепловые (ТЭС) – работают на органическом топливе - уголь, газ и т.д.;

• гидроэлектростанции (ГЭС) – используют энергию водного потока;

• атомные (АЭС) – используют ядерное топливо - некоторые виды изотопов урана и плутония;

• геотермальные (ГеоТЭС) – используют внутреннее тепло Земли;

• гелиоэнергостанции (СЭС) – используют энергию солнечного излучения;

• ветровые электростанции.

2. Тепловые электростанции

Т епловые электростанции (ТЭС) преобразуют энергию сгорания органического топлива в электрическую. Этот процесс проходит в несколько этапов. Сначала топливо сгорает в топке котельной установки, продукты сгорания при этом выделяются через дымовую трубу в окружающую среду. Вода в котле, который соприкасается с пламенем, закипает, получающийся пар высокого давления направляется в паровую турбину. В турбине пар расширяется, его давление падает, происходит преобразование его внутренней энергии в механическую. Турбина приводит в движение ротор генератора, вырабатывающего электрический ток.

На ТЭЦ пар после турбины либо отправляется потребителю, либо возвращается обратно в систему, отдав свою теплоту воде, которая идет к потребителю. Поэтому ТЭЦ выгодно строить в больших городах и около крупных промышленных предприятий.

На конденсационных, или государственных районных, станциях (КЭС) пар превращается в конденсат, который возвращается в систему. КЭС строятся, как правило, в районах с дешевым топливом (или вблизи источников энергоресурсов) и у источников водоснабжения. Их КПД 25-40%.

Крупнейшие российские ГРЭС:

1) Центральный район - Конаковская, Костромская (3600 МВт);

2) Северный Кавказ - Новочеркасская;

3) Поволжье - Заинская;

4) Урал - Рефтинская (3800 МВт),

5) Западная Сибирь - Сургутская;

6) Восточная Сибирь - Березовская;

7) Дальний Восток - Нерюнгринская.

В рамках проекта Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭК) ведется строительство мощнейшей ГРЭС мощностью 6400 МВт.

1. Тепловые конденсационные электрические станции

Тепловые конденсационные электрические станции (КЭС) являются наиболее массовыми в РФ источниками электрической энергии, они вырабатывают около 50% всей электроэнергии. По виду используемого топлива различают угольные, мазутные, газовые и газомазутные КЭС. Оборудование КЭС может быть приспособлено для сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива. Обычно один вид топлива для данной КЭС является основным, а другой - резервным.

В соответствии с начальными параметрами пара различают КЭС с докритическим и сверхкритическим давлением пара. Для турбоагрегатов мощностью до 200 МВт применяют докритическое давление пара (около 13 МПа), - а при мощности более 250 МВт - сверхкритическое давление пара (около 24 МПа).

Рассмотрим технологическую схему КЭС, работающей на каменном угле (рисунок 4.1).

.

Рисунок 4.1 – Принципиальная схема КЭС

В котел Кт подается топливо в виде угольной пыли, подогретый воздух и питательная вода ПВ. Подача воздуха осуществляется дутьевым вентилятором ДВ, а питательной воды - питательным насосом ПН. Образующиеся при сгорании топлива газы ДГ отсасываются из котла дымососом Д и выбрасываются через дымовую трубу (высотой 100-250 м) в атмосферу. Пар из котла при давлении до 30 МПа и температуре до 650°С подается в паровую турбину Т, где, проходя через ряд ступеней, он совершает механическую работу - вращает турбину и жестко связанный с ней ротор генератора Г. Отработанный пар из турбины поступает в конденсатор К (теплообменник); здесь он конденсируется благодаря пропуску через конденсатор значительного количества холодной (15-25^oC) циркуляционной воды. Источником холодной воды ИХВ могут быть: река, озеро, искусственное водохранилище, а также специальные установки с охлаждающими башнями (градирнями) или с брызгальными бассейнами, откуда охлаждающая вода подается в конденсатор циркуляционными насосами ЦН. Воздух, попадающий в конденсатор через неплотности, удаляется с помощью эжектора Э. Конденсат, образующийся в конденсаторе, с помощью конденсатного 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 диаэратор также подается химически очищенная вода ХОВ. После диаэратора питательная вода питательным насосом ПН подается в котел, предварительно вода подогревается, причем ее подогрев осуществляется в подогревателях различного давления, снабжаемых паром из отборов турбины, а также в экономайзере (хвостовой части) котла.

Особенности КЭС следующие:

1) строятся по возможности ближе к месторождениям топлива;

2) большую часть выработанной электроэнергии отдают в сети повышенных напряжений

(110-750 кВ);

3) работают по свободному графику выработки электроэнергии (т.е. неограниченному

технологическому режиму);

4) низкоманевренны: разворот турбин и набор нагрузки из "холодного" состояния требует

примерно 3-10 ч;

5) имеют относительно низкий КПД (η=25-40%).

На рисунке 4.2 приведен тепловой баланс КЭС.

ТСТ - тепло, полученное при сжигании топлива; ПКт - потери тепла в котельном агрегате; ПТр - потери тепла в трубопроводах; ПТ - потери тепла в турбогенераторах; ПК – потери тепла в конденсаторе; ТПЭ - тепло, превращенное в электроэнергию

Рисунок 4.2 - Тепловой баланс КЭС:

Мощность современных КЭС достигает 4 ГВт. На них устанавливаются энергоблоки мощностью 200, 300, 500 и 800 МВт. На Костромской КЭС работает один энергоблок мощностью 1200 МВт.

Оборудование на КЭС разделяют на основное и вспомогательное. К основному оборудованию относят паровые котлы, турбины, конденсаторы, теплообменники, электрические генераторы. Вспомогательное оборудование включает систему технического водоснабжения, насосы, тягодутьевые установки, механизированные склады твердого топлива, системы пылеприготовления, золоулавливания и золоудаления, для подготовки добавочной воды и очистки конденсатора и др.

Основными потребителями воды на КЭС являются конденсаторы паровых турбин (92-96% общего количества воды), газоохладители электрических генераторов (2-4%), маслоохладители (1-2%) и ряд других механизмов. Применяется прямоточная, оборотная и смешанная система водоснабжения. Наиболее простой является прямоточная система водоснабжения. Она предполагает наличие в районе КЭС естественного источника воды (реки, озера, моря). При отсутствии источника воды с большим дебитом один и тот же запас воды используется многократно. Такую систему водоснабжения называют оборотной. В нее входят охладитель воды, подводящие и сбросные водопроводы и циркуляционные насосы. В качестве охладителей используются водохранилища - охладители, брызгальные бассейны и градирни. В системе оборотного водоснабжения с градирней (рисунок 4.3) - охлажденная вода бассейна 4, расположенного в основании градирни, поступает к циркуляционным насосам 3, которыми она прокачивается через конденсаторы 2 и возвращается в оросительное устройство 8.

1 – градирня; 2 – конденсатор турбины; 3 – циркуляционный насос; 4 – сбросный бассейн охлаждающей воды; 5 – отвод охлаждающей воды; 6 – подвод охлаждаемой воды; 7 – распределительный желоб; 8 – оросительное устройство; ВНВВ – выход нагретого влажного воздуха; ВХВ – вход холодного воздуха

Рисунок 4.3 - Система оборотного водоснабжения КЭС с градирней

Паровые котлы требуют большого количества воздуха для сжигания топлива, при котором образуется еще больше продуктов сгорания. Совокупность газовоздухопроводов и теплообменных поверхностей нагрева, тягодутьевых машин и золоуловителей, дымовой трубы и внешних газоходов составляет газовоздушный тракт КЭС (рисунок 4.4). Воздух к котлу 2 подается дутьевым вентилятором 3, создающим необходимый напор для преодоления максимального сопротивления воздушного тракта. После воздухоподогревателя 7 поток воздуха разделяется на две части: первичный, поступающий в систему пылеприготовления 1 в качестве сушильного агента и через дроссель 9 для транспортировки топлива в топку, и вторичный, направляемый через дроссель 8 непосредственно к устройствам для сжигания топлива. Продукты сгорания топлива охлаждаются в воздухоподогревателе 7 очищаются от золы в золоуловителях 4 и дымососом 5 выбрасываются через дымовую трубу 6 в атмосферу.

Экономичность работы КЭС принято оценивать расходами теплоты и топлива на выработку энергии и КПД, которые разделяют на КПД брутто η^б_с , в котором не учитывается расход энергии на собственные нужды, и КПД нетто η^н_с ,- с учетом расхода теплоты и электроэнергии на собственные нужды.

Рисунок 4.4 – Газовоздушный тракт КЭС

КПД брутто КЭС определяется по выражению:

(4.1)

где Qс – теплота, подведенная с топливом, кДж/кг; B – расход топлива, кг; Q^р_н – низшая теплота

сгорания топлива, кДж/кг.

Если известны КПД котла η_к и турбоустановки η_ту , то КПД КЭС равен:

(4.2) где η_рт – КПД теплового потока, учитывающего потери теплоты при движении пара от котла к турбине (η_тр = 0,98-0,99)

КПД нетто КЭС составляет:

(4.3)

где Э_сн – доля расхода энергии на собственные нужды (от 4 до 6%).

Наряду с КПД показателем тепловой экономичности КЭС служит расход теплоты:

(4.4)

если η_бс = 0,32-0,37, то q_c = 2.7-3.1.

Из выражения (3.1) можно найти удельный расход топлива на выработку 1 кДж или 1 кВт*ч энергии (в кг/кДж или кг/(кВт*ч)):

(4.5)

В РФ принято оценивать тепловую экономичность КЭС расходом условного топлива (Q^р_н =29,3 МДж/кг), Тогда из (4.5) получаем расход условного топлива в_y (кг/МДж или (кг/кВт*ч)):

(4.6)

В настоящее время на лучших КЭС величина в_y составляет 310-320 г/(кВт*ч).