Газогенераторы тепловых энергетических установок

 

Одним из перспективных направлений развития энергетики, обещающих в будущем повышение ее экономичности, является применение неводных паров (обычно газов) в качестве рабочего тела. В данном случае можно увеличить температуру подводимых и снизить температуру отводимых газов, что повысит КПД электростанций. При этом давление рабочего тела может быть значительно более низким, чем в пароводяном цикле, что снижает металлоемкость и повышает безопасность работы оборудования, упрощает его конструкцию. К таким направлениям развития энергетики относятся электростанции с газотурбинными установками (ГТУ) и турбореактивными двигателями (ТРД), парогазовые станции (ПГС). Основным достоинством электростанций с ГТУ и ТРД является их мобильность. Продолжительность их пуска и нагружения в зависимости от типа установки составляет 5–20 мин. Их применение снижает стоимость оборудования (на 50–80%) и размеры здания, сокращает сроки строительства в сравнении с ТЭС.

В современной теплоэнергетике ГТУ занимают небольшое место, что объясняется их недостатками. Они сложнее в заводском изготовлении, требуют высококачественного (жидкого или газообразного) топлива, имеют повышенные шумовые характеристики и мощное вспомогательное оборудование (компрессоры), потребляют на собственные нужды до 50–60 % вырабатываемой энергии. На данном этапе определились наиболее рациональные области использования ГТУ – в качестве пиковых, обычно автономно запускаемых установок с годовой нагрузкой 500–1000 часов. КПД установок составляет 25–33 %, их единичная мощность равна 12–150 МВт.

Простые по конструкции газотурбинные установки типа авиационных турбореактивных двигателей, работающих на жидком или газообразном топливах, целесообразно использовать в пиковой части графика электрической нагрузки. Продолжительность выхода с момента пуска до полной нагрузки у них составляет 2,4–4 минуты, что определяет особую ценность их применения как аварийного резерва энергосистемы.

ТРД работают ограниченное число часов в году, поэтому их КПД может быть невысоким (порядка 26%). Мощность установок равна 25–90 МВт, температура газов на входе в турбину относительно невелика (590–615⁰С), а на выходе снижается до 420–435⁰С. Для уменьшения уровня шума, создаваемого ТРД, в остальных дымовых трубах, куда сбрасываются газы после силовой турбины, устанавливают глушители.

Парогазовые электростанции могут быть представлены парогазовыми установками (ПГУ) и парогазовыми турбинами (ПГТ). Парогазовыми установками называют объединение паровых и газотурбинных установок в общем технологическом цикле. Соединение их в единое целое позволяет снизить потерю теплоты с уходящими газами ГТУ или парового котла. Весьма эффективно использовать отходящие газы ГТУ открытого цикла, содержащие до 16% кислорода в качестве подогретого дутья при сжигании топлива в паровом котле. В этом варианте в контуре ТЭС не требуется дополнительного воздуха и его подогрева для горения топлива. Установки такого типа мощностью 200–500 МВт работают во Франции, ФРГ, США. Применение ПГУ в сегодняшней энергетике – наиболее эффективное средство значительного повышения теплового КПД (до 46–50%) и общей экономической эффективности электростанций на органическом топливе.

В установках ПГТ рабочим телом является парогазовая смесь, которая образуется при объединении потоков нагретого пара и газа. Это позволяет уменьшить температуру смеси перед турбиной до оптимальных значений, резко снизить коэффициент избытка воздуха в камере сгорания по сравнению с ГТУ, который составляет 2,5–5,0 и нужен для обеспечения температуры газов перед турбиной 750–1200⁰С и после турбины она снижается до 450–550⁰С.

 

Гидроэлектростанции

 

ГЭС строят на равнинных и горных реках. Гидроузел состоит из плотины (высота до 350 м), здания электростанции и судоходного шлюза. С помощью плотины создают разность уровней воды до и после нее. Водное пространство перед плотиной называют верхним бьефом, за плотиной – нижним бьефом. Разность уровней бьефов является напором, и чем он больше, тем мощнее электростанция.

Основное силовое оборудование ГЭС включает гидротурбины и гидрогенераторы, располагающиеся в машинном зале здания станции. Вращаемые водой турбины находятся на одном валу с генераторами электротока или связаны с ними с помощью передач.

Частота вращения турбины составляет 60–750 мин^–1. Электроэнергия ГЭС наиболее дешева. При равной мощности станций численность персонала на ГЭС в 4 раза меньше, чем на ТЭС, и в 6 раз меньше, чем на АЭС. С учетом трудозатрат на добычу и транспортировку топлива эта разница в сравнении с ТЭС возрастает до 8 раз. Дальнейшее развитие ГЭС ограничено использованием водных ресурсов в ряде районов, в том числе на европейской территории России. Мощность современных ГЭС велика (Красноярской – 6000 МВт, Саяно-Шушенской – 6 400 МВт).

Существенные недостатки ГЭС – высокая стоимость их сооружения, длительные сроки строительства (до 10–15 лет), затопление значительной площади земель, в том числе обжитых, ценных в сельскохозяйственном отношении.

 

Передача и распределение электроэнергии

 

Важной характеристикой электроэнергии является величина напряжения и тока, с которой она передается. Электрическая мощность прямо пропорциональна силе тока и напряжению, поэтому значительные мощности могут быть переданы за счет повышения напряжения. Увеличение силы тока нецелесообразно из-за резкого возрастания пропорциональных квадрату силы тока тепловых потерь в линиях электропередач. Величину напряжения выбирают из соотношения двух величин: стоимости электроэнергии (с учетом потерь) и стоимости сооружения линии передач, при повышении напряжения становящихся более дорогими.

На электростанциях, в зависимости от их типа, получают трехфазный переменный ток напряжением 6–18 кВ, которое на повышающих трансформаторных подстанциях увеличивают до 35–500 кВ для линий электропередач.

Для передачи электроэнергии большой мощности на очень большие расстояния более экономичен постоянный ток напряжением до 1150 кВ. В этом случае кроме повышающей трансформаторной подстанции, требуется также установка для превращения постоянного тока в трёхфазный переменный.

Приёмники электроэнергии имеют следующие номинальные напряжения трёхфазного тока: 127, 220, 380, 600, 3000, 6000, 10000, 35000, 110000, 154000 и 220000 В. Электросети городских или крупных промышленных предприятий выполняют на напряжение 6 или 10 кВ.

Фундаментальная особенность электростанций заключается в том, что количество выработанной в каждый момент времени электроэнергии полностью соответствует потребляемой. Другая особенность электростанций – круглосуточная, без перерывов работа. Аварийная остановка оборудования электростанций снижает их экономические показатели, а также показатели промышленных предприятий, электроснабжение которых было прервано, что предъявляет высокие требования к надёжности электроснабжения, которые легче удовлетворяются, если отдельные электростанции, тепловые и гидравлические, объединены в энергетическую систему. Управление энергосистемой осуществляется ее центральной диспетчерской службой. В первую очередь загружают ТЭС. Регулирующими станциями являются ГЭС, так как гидрогенераторы могут быстро (за 5–15 мин.) и в широких пределах изменять свою нагрузку.

Более высокая ступень развития – объединение нескольких энергетических систем. Например, в бывшем СССР 95 энергосистем образовывали 11 объединенных энергетических систем. Девять ОЭС были соединены между собой межсистемными связями, образуя Единую энергетическую систему (ЕЭС) СССР, управляемую из центральной диспетчерской. Внедрение ЕЭС позволяет полнее загружать оборудование и экономически выгодно для России, имеющей значительную протяженность во временных поясах. В состав РАО ЕЭС России входит 7 объединенных энергосистем.

 

Нетрадиционная энергетика

 

Наряду с широким промышленным применением энергетики (ТЭС, АЭС, ГЭС) разрабатываются нетрадиционные ее виды, основанные на использовании возобновляемых источников энергии (ветра, воды, Солнца, биомасс, геотермальных источников тепла земли, воздуха, природных вод). Доля этих источников в общем балансе выработки электроэнергии невелика и составляет за рубежом от 0,4 до 2,8 % (США), а в России фактически равна нулю. Потенциал нетрадиционной (альтернативной) энергетики в нашей стране чрезвычайно велик и представлен в таблице 11.2.

 

Таблица 11.2 – Потенциал нетрадиционных возобновляемых источников России

В млн. т условного топлива в год

Ресурс	Распределение ресурса
валовый	технический	экономический
Малая гидроэнергетика
Геотермальная энергия	*	*
Энергия биомассы
Энергия ветра	2,6 ^.10^4
Солнечная энергия	2,4 ^.10^6		12,5
Низкопотенциальное тепло
Итого	2,62 ^.10^6

Примечание – Ресурсы геотермальной энергии в верхней толще земной коры глубиной до 3 км составляют 180 трлн. т.у.т, а пригодная для использования – 20 трлн. т.у.т.

 

Валовый потенциал характеризует суммарную энергию, заключенную в данном виде ресурса.

Технический потенциал определяет количество энергии, которое может быть получено из энергоресурса при существующем уровне науки и техники. По мере развития производства и совершенствования технологии он постоянно увеличивается и может изменяться от долей до нескольких десятков процентов по отношению к валовому потенциалу. Для России технический потенциал в 4 раза превышает уровень ее энергопотребления в 1997 г.

Экономический потенциал представляет собой величину энергии, получение которой из данного ресурса при имеющемся уровне затрат экономически оправдано. В настоящее время он составляет 22% общего энергопотребления России, однако используется менее чем на 1%.

К малой гидроэнергетике относят электростанции и гидроэлектроагрегаты с установленной мощностью, не превышающей 10 МВт.

Источниками геотермальной энергии служат термальные воды, применяемые для отопления, горячего водоснабжения, и пароводяные смеси, пригодные для работы геотермальных электростанций. Российские запасы пароводяных смесей сосредоточены в основном в Курило-Камчатской зоне, которые могут обеспечить работу геоГЭС мощностью до 1000 МВт, что превышает суммарные мощности Камчатской и Сахалинской энергосистем. В настоящее время действует сданная 1967 г. в эксплуатацию геоГЭС (Камчатка) мощностью 11 МВт. В США работают геоГЭС мощностью до 700 МВт.

Биомасса включает отходы животноводства, сельскохозяйственного производства, целлюлозно-бумажной, лесной и деревообрабатывающей промышленности, твердые бытовые отходы, осадки городских сточных вод. Биоресурсы для выработки электроэнергии применяют в ряде стран, в частности, в США, где работает 146 установок с единичной мощностью 5–50 МВт (суммарно – 2,9 ГВт). В качестве топлива на них используется, %: древесина – 72, городские отходы – 22, отходы растениеводства – 6. В России более 15 лет функционирует в Вологодской области электростанция мощностью 1 МВт на отходах лесной промышленности.

Энергия ветра среди возобновляемых источников признается одной из наиболее перспективных. Мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ) Европы в 1996 г. составила более 3,4 ГВт, в том числе в Германии – 1,5 ГВт. Мощность крупной ВЭУ равна 1,5 МВт, диаметр ветрового колеса составляет 67 м. Вклад России в ветроэнергетику ограничивается двумя ВЭУ мощностью 250 кВт. Смонтирован и опробован первый ветроагрегат мощностью 1000 кВт (Калмыцкая ВЭС).

Солнечная энергия по потенциальным возможностям превосходит другие альтернативные источники в десятки раз. Ее количество, излучаемое на территорию России за неделю, превышает суммарную энергию годовых ресурсов страны по нефти, газу, углю и урану. Одним из самых перспективных решений по использованию солнечной энергии является электростанция с фотоэлектрическими элементами на основе кремния. Из-за высокой стоимости фотоэлектрических преобразователей солнечная энергия потребляется только в установках систем отопления и горячего водоснабжения.

Низкопотенциальное тепло включает энергию окружающего воздуха, грунта и грунтовых вод, водоемов, рек, озер, морей (средняя температура источников 5–25⁰С), оборотной воды (25–40⁰С), высокотемпературных гидросетей (40–70⁰С) и др. С помощью теплонасосных установок, затрачивая на их привод 1 кВт-ч внешней электроэнергии, получают 3–6 кВт-ч тепловой энергии с более высоким потенциалом. В четырех странах США, Швеция, Великобритания, Германия в настоящее время работает 10 млн. тепловых насосов, экономящих 220 млн. т.у.т. в год. В России насчитывается 2–3 тыс. действующих теплонасосных установок.

Из других возобновляемых нетрадиционных источников энергии следует отметить приливные электростанции (ПЭС). Мощность самой крупной из них достигает 240 МВт. (Бретань, Франция).

Мировые объемы использования возобновляемых энергоресурсов в настоящее время составляют, МВт: биомасса – 8000, ветер – 4000, геотермальные воды – 9000, солнечная энергия – 20 500. Капитальные затраты на выработку электроэнергии и ее стоимость различными нетрадиционными способами конкурируют с достигнутыми при использовании угля, нефти, газа, ядерной энергии.

Наряду с возобновляемыми альтернативными ресурсами к числу нетрадиционных относят газовые гидраты, практический интерес к которым стал формироваться в последнюю четверть ХХ века.

Газовые гидраты представляют собой соединения воды и природных газов, находящихся в твердом состоянии. Запасы таких газов оцениваются в 2∙10¹⁶ м³ , что превышает количество углерода во всех остальных природных объектах (уголь, газ, нефть и др.). Российские газогидратные ресурсы находятся в прибрежной полосе восточной части Северного Ледовитого океана (3∙10¹⁵ м³) и на суше (6∙10¹³ м³) в зоне вечной мерзлоты Якутии, Чукотки, на Сахалине и Камчатке.

В настоящее время реальными представляются два основных направления переработки газовых гидратов: 1) дестабилизация понижением давления в зоне месторождения; 2) термическое инициирование отдельных участков месторождения, например, подачей горячей воды, геотермальных вод или сжиганием части добываемого топлива (6–7%). Оба направления нерентабельны из-за больших капитальных вложений.

Вовлечение альтернативных источников энергии в народнохозяйственное использование требует разрешения экологических проблем. На первый взгляд они кажутся незначительными, если иметь в виду природную чистоту нетрадиционных энергоносителей. Однако необходимо учитывать воздействие на природную среду сооружений, машин, устройств для сбора и передачи энергии, технологий производства материалов и аппаратов. Например, ветровые электростанции требуют больших площадей размещения и при массовом применении могут повлиять на розу ветров данной местности, т.е. на климатическое равновесие региона. Их работа сопровождается шумом значительной интенсивности (50–80 дБ), генерацией ультразвуковых колебаний, поскольку концы лопастей ветрового колеса движутся со сверхзвуковой скоростью. Сооружение ВЭС сопряжено с увеличением выпуска алюминия или стеклопластика, производство которых относится к числу экологически грязных.

Использование солнечной энергии требует площадей намного больше, чем для ТЭС, развития экологически грязного производства кремния. Основная опасность связана с возможным похолоданием на окружающей территории, пропорциональным количеству конвертированной солнечной энергии. Понижение температуры приведет к конденсации водяного пара в атмосфере и прекращению работы фотоприемника.

При работе геотермальных станций отбор из скважин пароводяной смеси зачастую сопровождается выбросами токсичных газов и сильным шумом. Сброс отработанных горячих и минерализованных вод в реки опасен для гидробионтов.