Использование тепла мини-ТЭЦ

Значимую часть энергии сгорания топлива при выработке электроэнергии составляет тепловая энергия.

Существует варианты использования тепла:

непосредственное использование тепловой энергии конечными потребителями (когенерация);

горячее водоснабжение (ГВС), отопление, технологические нужды (пар);

частичное преобразование тепловой энергии в энергию холода (тригенерация);

холод вырабатывается абсорбционной холодильной машиной, потребляющей не электрическую, а тепловую энергию, что дает возможность достаточно эффективно использовать тепло летом для кондиционирования помещений или для технологических нужд;

Топливо для мини-ТЭЦ

Виды используемого топлива

газ: природный газ магистральный, природный газ сжиженный и другие горючие газы;

жидкое топливо: нефть, мазут, дизельное топливо, биодизель и другие горючие жидкости;

твердое топливо: уголь, древесина, торф и прочие разновидности биотоплива.

Наиболее эффективным и недорогим топливом в России является магистральный природный газ, а также попутный газ.

Малая гидроэлектростанция или малая ГЭС (МГЭС) — гидроэлектростанция, вырабатывающая сравнительно малое количество электроэнергии. Общепринятого для всех стран понятия малой гидроэлектростанции нет, в качестве основной характеристики таких ГЭС принята их установленная мощность. Чаще к малым гидроэлектростанциям относят гидроэнергетические установки, установленная мощность которых не превышает 5 МВт (Австрия, Германия, Польша, Испания и др.). В Латвии и Швеции, малыми считают ГЭС с установленной мощностью до 2 МВт, в некоторых других странах — до 10 МВт (Греция, Ирландия, Португалия). Также в соответствии с определением Европейской Ассоциации Малой Гидроэнергетики считаются малыми ГЭС до 10 МВт. [1]

Время от времени происходят смены классификации: в США, где были принятые меры стимулирования развития малой гидроэнергетики (путём упрощения лицензионной процедуры оформления проектов здания малых ГЭС), изначально к ним относили ГЭС с установленной мощностью до 5 МВт, затем верхняя граница был увеличена до 15 МВт, а в 1980 их максимальная установленная мощность была ограничена 30 МВт. В СССР согласно СНиП 2.06.01-86 к малым относились ГЭС, с установленной мощностью до 30 МВт при диаметре рабочего колеса турбины до 3 м. Среди малых ГЭС условно выделяют микро-ГЭС, установленная мощность которых не превышает 0,1 МВт.

Малая гидроэнергетика является прекрасной альтернативой централизованному энергоснабжению для удаленных и труднодоступных районов и районов с ограниченной передаточной мощностью ЛЭП.

Использование мини-ГЭС позволяет зафиксировать стоимость энергоресурсов на приемлемом для потребителя уровне, решает проблему перебоев электроэнергии.

Преимущества микро- и мини-ГЭС:

отсутствует нарушение природного ландшафта и окружающей среды в процессе строительства и на этапе эксплуатации;

отсутствует отрицательное влияние на качество воды: она не теряет первоначальных природных свойств и может использоваться для водоснабжения населения;

практически отсутствует зависимость от погодных условий;

обеспечивается подача потребителю дешевой электроэнергии в любое время года;

отсутствуют проблемы, характерные крупной гидроэнергетике (строительство сложных и дорогостоящих гидросооружений, затопление местности и т.п.).

Приливные электростанции

Приливные электростанции (ПЭС) выгодно отличаются от речных ГЭС тем, что их работа определяется космическими явлениями и не зависит от природных условий, определяемых целым рядом случайных факторов.

Наиболее существенный недостаток ПЭС — неравно­мерность их работы. Неравномерность приливной энергии в течение лунных суток и лунного месяца, отлича­ющихся от солнечных, не позволяет систематически ис­пользовать ее в периоды максимального потребления в системах. Можно компенсировать неравномерность ра­боты ПЭС, совместив ее с ГАЭС. В то время, когда име­ется избыточная мощность ПЭС, ГАЭС работает в насос­ном режиме, потребляя эту мощность и перекачивая воду в верхний бассейн. Во время спадов в работе ПЭС в генераторном режиме работает ГАЭС, выдавая электро­энергию в систему. В техническом отношении такой npоект удачен, но дорогостоящ, так как требуется большая установленная мощность электрических машин.

Также удачно ПЭС может сочетаться с речной ГЭС, имеющей водохранилище. При совместной работе ГЭС увеличивает мощность при спаде мощности ПЭС и ее ос­тановке; в то время как ПЭС работает с достаточно большой мощностью, ГЭС запасает воду в водохранили­ще. Таким образом, можно уменьшить как суточную, так и сезонную неравномерность работы ПЭС.

ПЭС работают в условиях быстрого изменения напо­ра, поэтому их турбины должны иметь высокие КПД при переменных напорах. В настоящее время создана доста­точно совершенная и компактная горизонтальная турбина двойного действия. Электрический генератор власть деталей турбины заключены в водонепроницаемую кап­сулу и весь гидроагрегат погружен в воду.

В течение нескольких десятков лет в бывшем СССР велись научные и проектные работы по приливной энергетике. К настоящему времени выполнены проработки по Лумбовской, Пенжинской, Мезенской и Тугурской ПЭС.

С 1968 г работает экспериментальная Кислогубская ПЭСмощностью 400кВт.

За рубежом работают три приливных станции:

· ПЭСРанс мощностью 240 МВт во Франции (построена в 1967 г и имеет 24 агрегата).

· ПЭСЦзянсян мощностью 32 МВт в Китае (пуск шести агрегатов осуществлен в период 1980…1985 гг).

· ПЭСАннаполис мощностью 196 МВт в Канаде (построена в 1984 г, имеет 1 агрегат).

Кроме того, в Китае построены десятки микро и мини ПЭС, являющихся элементами комплексов для осуществлении проектов обводнения, осушения, судоходства и т.д.

 

Рис.20. Однобассейновая ПЭСдвухстороннего действия:

Равнинные ГЭС

Гидравлические электростанции (ГЭС)- это комплекс гидротехнических сооружений и энергетического оборудования, с помощью которых энергия концентрированного водного потока с сосредоточенным напором преобразуется в электрическую энергию. ГЭС, как правило, сооружаются не только для выработки электрической энергии, но и для одновременного решения комплекса задач улучшения судоходства, ирригации в составе единого водохозяйственного комплекса.

Существуют две схемы создания напора гидротехническими сооружениями:

· плотинная

· деривационная

На равнинных реках, уклоны которых незначительны, концентрация гидроэнергии выполняется главным образом по плотинной схеме. На горных реках с большими естественными уклонами используются деривационные схемы, основанные на применении искусственного водовода, выполненного в виде открытого канала, туннеля или трубопровода.

Плотинные ГЭСподразделяются на два типа:

· русловые (рис.63);

· приплотинные (рис.64).

Плотинные ГЭСстроятся в пределах речного русла и только отдельные их сооружения частично выходят на берег. Эти ГЭС используются при сравнительно небольших напорах, не превышающих 30 м. Необходимый напорводы создается бетонной плотиной, водосборными сооружениями и одной из стен ГЭС, которая примыкает к плотине и является ее продолжением (рис. 63).

При напорах свыше 30 м здание ГЭСсооружают за плотиной и такие ГЭС называют приплотинными. Весь напорв этом случае воспринимается плотиной.

Влияние искуственных водохранилищ может быть положительным и отрицательным. Положительное влияние состоит в возможности орошения земельных угодий из созданных водохранилищ. В то же время нередки естественные неуправляемые процессы, приводящие к очень неблагоприятным последствиям. Например, создание крупных водохранилищ в равнинных районах приводит к подъему грунтовых вод и, как следствие, к заболачиванию местности, а также подтоплению зданий и сооружений и связанному с этим ухудшению санитарно -эпидемиологических условий местности. Увеличение давления на дно реки может приводить к созданию условий для повышения сейсмической активности в регионе. Вследствие увеличения зеркала водной поверхности резко возрастают потери воды на испарение. Частые колебания уровня воды в водохранилище приводят к переформированию его берегов и дна, сопровождаются образованием подводных отмелей, что неблагоприятно сказывается на условиях судоходства.

Создание водохранилищ приводит к изменению температурного режима воды. Летом и осенью температура воды в водохранилище из-за значительного его объема становится ниже, чем в реке (нижнем бьефе). Это приводит к более раннему ледоставу, сокращает сроки навигации, неблагоприятно воздействует на фауну.

В районе водохранилища изменяется климат, повышается влажность воздуха, часто образуются туманы. При этом снижается среднегодовая сумма осадков, изменяется направление и скорость ветра, уменьшается амплитуда колебаний температуры в течение суток.

 

Рис.63. Схема приплотинной ГЭС:

 

Атомный реактор

Я́дерный реа́ктор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор построен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми.

Составными частями любого ядерного реактора являются: активная лона с ядерным топливом, обычно окружённая отражателем нейтронов, теплоноситель, система регулирования цепной реакции, радиан, защита, система дистанционного управления. Основной характеристикой ядерного реактора является его мощность. Мощность в 1 Мвт соответствует цепной реакции, в которой происходит 3*1016 актов деления в 1 сек.

Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %). В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции.

Назначение паросепаратора

Большое значение сепарация пара имеет на АЭС, где из-за недопустимости высоких температур в реакторе вырабатывается насыщенный пар невысоких (по сравнению с тепловыми электростанциями) параметров. Сепарация может происходить в отдельном устройстве (например, в одноконтурной реакторной установке с реактором типа РБМК) или непосредственно в парогенераторе (в двухконтурной реакторной установке с реактором типа ВВЭР).

В паровых котлах паросепаратор устанавливается обычно на входном патрубке паропровода. Назначение паросепаратора также состоит в отделении капель воды для повышения его сухости. По способу отделения пара паросепараторы бывают центробежными и осадительными.

Классификация ядерных реакторов.

По назначению и мощности ядерные реакторы делятся на несколько групп:

1) экспериментальный реактор (критическая сборка), предназначенный для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов: мощность таких ядерных реакторов не превышает нескольких квт:

2) исследовательские реакторы, в которых потоки нейтронов и g-квантов, генерируемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёрдого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (в т. ч. деталей ядерного реактора), для производства изотопов. Мощность исследовательского ядерного реактора не превосходит 100 Мвт: выделяющаяся энергия, как правило, не используется. К исследовательским ядерным реакторам относится импульсный реактор:

3) изотопные ядерные реакторы, в которых потоки нейтронов используются для получения изотопов, в т. ч. Pu и 3Н для военных целей;

4) энергетические ядерные реакторы, в которых энергия, выделяющаяся при делении ядер, используется для выработки электроэнергии, теплофикации, опреснения морской воды, в силовых установках на кораблях и т. д. Мощность (тепловая) современного энергетического ядерного реактора достигает 3-5 Гвт.

Ядерные реакторы могут различаться также по виду ядерного топлива (естественный уран, слабо обогащённый, чистый делящийся изотоп), по его химическому составу (металлический U, UO2, UC и т. д.), по виду теплоносителя (Н2О, газ, D2O, органические жидкости, расплавленный металл), по роду замедлителя (С, Н2О, D2O, Be, BeO. гидриды металлов, без замедлителя). Наиболее распространены гетерогенные Ядерный реактор на тепловых нейтронах с замедлителями — Н2О, С, D2O и теплоносителями — Н2О, газ, D2O.

Схематическое устройство гетерогенного реактора на тепловых нейтронах

1 — управляющий стержень;

2 — биологическая защита;

3 — теплоизоляция;

4 — замедлитель;

5 — ядерное топливо;

6 — теплоноситель.

 

 

Газотурбинные установки

Газотурбинная электростанция — современная, высокотехнологичная установка, генерирующая электричество и тепловую энергию.

Основу газотурбинной электростанции составляют один или несколько газотурбинных двигателей - силовых агрегатов, механически связанных с электрогенератором и объединенных системой управления в единый энергетический комплекс. Газотурбинная электростанция может иметь электрическую мощность от двадцати киловатт до сотен мегаватт. Газотурбинная электростанция способна отдавать потребителю значительное количество тепловой энергии - с коэффициентом ~ 1:2 по отношению к электрической мощности.

Газотурбинная установка - это агрегат, состоящий из газотурбинного двигателя, редуктора, генератора и вспомогательных систем. Поток газа, образованный в результате сгорания топлива, воздействуя на лопатки турбины, создает крутящий момент и вращает ротор, который в свою очередь соединен с генератором. Генератор вырабатывает электроэнергию. В основу устройства газотурбинного агрегата положен принцип модульности: ГТУ состоят из отдельных блоков, включая блок автоматики. Модульная конструкция позволяет в кратчайшие сроки производить сервисное обслуживание и ремонт, наращивать мощность, а также экономить средства за счет того, что все работы могут производиться быстро на месте эксплуатации.

Газотурбинные установки (ГТУ) позволяют осуществлять работу при резкопеременной нагрузке. Они могут часто останавливаться, быстро запускаться, обеспечивать высокую скорость набора мощности и достаточно экономичную работу в широком диапазоне нагрузки. Удельный расход топлива составляет 450..550 г/кВт*ч. Основным типом газотурбинных агрегатов являются установки ГТ-100-750-2 мощностью 100 МВт.

На отечественных ТЭС начинают широко использо­вать газотурбинные установки (ГТУ). В качестве рабо­чего тела в них используется смесь продуктов сгорания топлива с воздухом или нагретый воздух при большом давлении и высокой температуре. В ГТУ преобразуется теплота газов в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Высокие начальные параметры газотурбинного цикла в сочетании с использованием тепла выхлопных газов для производства горячей воды позволяют поднять КПД энергоустановки на 10-15% по сравнению с традиционными энергоблоками ТЭЦ, а это снижает расходы на основную составляющую себестоимости тепло- и электроэнергии – на топливо.

По конструктивному исполнению и принципу преобразования энергии газовые турбины существенно не отличаются от паровых. Вместо громоздкого парогенератора в ГТУиспользуется относительно малогабаритная камера сгорания (рис.24). Топливом служит мазут или природный газ. При полной нагрузке КПД ГТУ составляет 27-28 процентов. Объем строительно-монтажных работ на газотурбинных электростанциях уменьшается в два раза, так как нет необходимости в сооружении котельного цеха и насосной станции.

Газотурбинные установки обладают относительно компактными размерами и небольшим удельным весом. Допускается монтаж ГТУ на техническом этаже здания или крышное расположение маломощных газотурбинных установок.

Газотурбинные установки — ГТУ отличаются высокой надежностью и неприхотливостью. Имеются подтвержденные заводские данные о безостановочной работе некоторых газотурбинных установок — ГТУ в течение 5–7 лет.

 

Рис.24. Принципиальная схема ГТУ

 

 

Работа ГТУосуществляется следующим образом (рис.24). В камеру сгорания подается жидкое или газообразное топливо и воздух. Образующиеся газы, имеющие высокую температуру и большое давление, подаются на лопатки газовой турбины. Турбина вращает генератор и компрессор, необходимый для подачи воздуха под давлением в камеру сгорания. Сжатый воздух перед подачей к горелкам подогревается в регенераторе отработанными в турбине газами.

Передвижные электростанции

Для снабжения электроэнергией отдаленных районов и промышленных объектов, где поблизости нет электрических линий, приходится применять подвижные, или передвижные, электростанции.

По способу перемещения передвижные электростанции делятся на переносные, автомобильные, прицепные железнодорожные, плавучие. В отличие от крупных тепловых, гидравлических и атомных электростанций, главными двигателями которых являются паровые и гидравлические турбины, электрогенераторы передвижных станций получают вращение от дизелей, бензиновых двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, отслуживших свой срок турбореактивных или турбовинтовых авиационных двигателей.

Кроме двигателя и генератора на передвижной электростанции еще имеются распределительное устройство, комплект кабельной сети, пульт управления, система автоматики и сигнализации.

 

Мощность передвижной электростанции зависит от типа двигателя и составляет от десятков киловатт до десятков мегаватт.

ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Основной элемент дизельной электростанции (ДЭС) -дизель-генератор, состоящий из двигателя внутреннего сгорания (дизеля) и генератора переменного тока. ДЭС мобильны, автономны и потому широко используются в труднодоступных районах. Кроме того, дизель -генераторы используются в качестве резервных источников питания систем собственных нужд АЭСи крупных ТЭС.

На железнодорожном транспорте для электропитания путевого инструмента (шпалоподбивки, рельсорезы и т.д) на перегонах применяются переносные бензоэлектрические станции АБ-2М/1-Т/230 и АБ-4/2-Т/230

 

Солнечные элементы

Солнце излучает ежесекундно 370×10¹² ТДж теплоты. Из этого количества на Землю попадает в энергетическом эквиваленте только 1,2×10⁵ ТВт, т.е. за год 38×10²⁰ кВт×ч, или в 10⁸ раз больше, чем сегодня потребляется в мире. При определении практической целесообразности использования солнечной энергии исходят из того, что максимальная плотность энергии солнечного излучения достигает 1 кВт/м².

Солнечные электростанции преобразуют энергию солнечной радиации в электроэнергию. Они бывают двух видов:

1. фотоэлектрические - непосредственно преобразуют солнечную энергию в электроэнергию при помощи фотоэлектрического генератора.

2. термодинамические - преобразуют солнечную энергию в тепловую, а потом в электрическую; мощность термодинамических солнечных электростанций выше, чем мощность фотоэлектрических станций

 

Фотоэлектрические солнечные электростанции

Главным элементом фотоэлектрических станций являются солнечные батареи. Они состоят из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов и могут преобразовывать солнечную энергию в постоянный электрический ток.

Фотоэлектрические преобразователи отличаются надежностью, стабильностью, а срок их службы практически не ограничен. Они могут преобразовывать как прямой, так и рассеянный солнечный свет. Небольшая масса, простота обслуживания, модульный тип конструкции позволяет создавать установки любой мощности. К недостаткам солнечных батарей можно отнести высокую стоимость и низкий КПД.

Солнечные батареи используют для энергоснабжения автономных потребителей малой мощности, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолётов. Есть надежда, что в будущем им найдут применение в отоплении и электроснабжении жилых домов.

 

Термодинамические солнечные электростанции

В устройстве термодинамических солнечных электростанций используют теплообменные элементы с селективным светопоглощающим покрытием. Они способны поглощать до 97% попадающего на них солнечного света. Эти элементы даже за счет обычного солнечного освещения могут нагреваться до 200°С и более. С помощью них воду превращают в пар в обычных паровых котлах, что позволяет получить эффективный термодинамический цикл в паровой турбине. КПД солнечной паротурбинной установки может достигать 20%.

На основе этого эффекта была разработана конструкция аэростатной солнечной электростанции. Источником энергии в ней является баллон аэростата, заполненный водяным паром. Внешняя часть баллона пропускает солнечные лучи, а внутренняя покрыта селективным светопоглощающим покрытием, и позволяет нагревать содержимое баллона до 150-180°С. Полученный внутри пар будет иметь температуру 130-150°С, а давление такое же как атмосферное. Распыляя воду внутри баллона с перегретым паром, получают генерацию пара.

Пар из баллона отводится в паровую турбину посредством гибкого паропровода, а на выходе из турбины превращается в конденсаторе в воду. Из него воду с помощью насоса подают обратно в баллон. За счет пара накопленного за день, такая электростанция может работать и ночью. В течение суток мощность турбогенератора можно регулировать в соответствии с потребностями.

Главной проблемой является способ размещения солнечных аэростатных электростанций. Такие электростанции можно размещать над землей, над морем или в горах. В каждом случае есть свои плюсы и минусы. Здесь необходимо все учитывать и длину паропровода, и место размещения турбогенератора, и то, чтобы баллоны не мешали движению самолетов

 

 

Рис.14. Схема СЭСс параллельным теплоаккумулятором

МГД генератор

Все современные машинные электрические генераторы основаны на взаимодействии перемещающихся относительно друг друга проводников с током и магнитного поля. Идея магнитогидродинамического (МГД) преобразования энергии основана на замене твердого движущегося проводника потоком высокопроводящих газа и жидкости

Идея использования данного явления для получения электрической энергии была высказана основателем теории электричества известным английским физиком М. Фарадеем (1781—1867).

В обычных электростанциях сжигается горючее вещество (например, уголь или мазут); полученная теплота преобразовывается в электроэнергию. Но этот способ не очень эффективен. Большая часть произведенной теплоты растрачивается непроизводительно из-за низкого KПД установок. Ограничить непроизводительный расход энергии можно с помощью магнитогидродинамиче-ского (МГД) принципа получения электроэнергии. В МГД-генераторе число промежуточных ступеней преобразования энергии сокращается, исключается промежуточное превращение тепловой энергии в механическую.

В МГД-генераторе проводником служит поток электропроводящей плазмы. Взаимодействие электрического тока, протекающего через плазму, с магнитным потоком создает силу, тормозящую движение плазмы по каналу. В результате кинетическая энергия потока плазмы превращается в электрическую энергию.

Первая в мире промышленная МГД-электростанция (МГДЭС) уже строится в России под Рязанью. Она будет работать не автономно: МГД-блок на 250 МВт станет как бы надстройкой к обычной паросиловой ТЭС. Такой «симбиоз», содружество с обычной теплоэнергетикой, комплексность выгодны и технически, и экономически.

По сравнению с обычными ТЭС КПД МГДЭС выше на 10—15%. В перспективе его можно поднять до 60%.

 

Принципиальная схема действия современного МГД-генератора (рис. 3.2) В рассматриваемой схеме между металличе­скими пластинам, расположенными в сильном магнит­ном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного дви­жения частиц. При этом в соответствии с законом элек­тромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа — плазмы — тормозится под дей­ствием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнит­ного потока, Можно провести аналогию между возникающими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и про­исходит путем совершения работы по преодолению сил торможения.

Если какой-либо газ нагреть до высокой температу­ры увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование теп­ловой энергии в электрическую.

МГД-генератор с паросиловой установ­кой. Принципиальная схема МГД-генератора с пароси­ловой установкой показана на рис. 3.3. В камере сгора­ния сжигается органическое топливо, получаемые при этом продукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширяющийся канал МГД-генератора. Сильное магнит­ное поле создается мощными электромагнитами. Темпера­тура газа в канале генерато­ра должна быть не ниже 2000°С, а в камере сгорания 2500—2800°С. Необходи­мость ограничения мини­мальной температуры газов, покидающих МГД-генерато-ры, вызывается настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000°С, что у них практиче­ски исчезает магнитогидро-динамическое взаимодейст­вие с магнитным полем.

Теплота отработанных в МГД-генераторах газов вна­чале используется для подо­грева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, и, следовательно, повышения эффективности процесса его сжигания. Затем в паросиловой установке теплота расходуется на образование пара и доведение его пара­метров до необходимых величин.

Выходящие из канала МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000°С, а современные теплообменники, к сожалению, могут работать при температу­рах, не превышающих 800°С, поэтому при охлаждении газов часть теплоты теряется.