ТОП 10:

Тепловые конденсационные электрические станции.



Тепловые конденсационные электрические станции преобразовывают энергию органического топлива внача­ле в механическую, а затем в электрическую. Механиче­скую энергию упорядоченного вращения вала получают с помощью тепловых двигателей, преобразующих энер­гию неупорядоченного движения молекул пара или газа.

Все тепловые двигатели подразделяются:
по виду используемого рабочего тела - пар или газ;

по способу преобразования тепловой энергии в механическую— поршневой или ротор­ный (табл. 2.2). В поршневом способе для преобразова­ния используется потенциальная энергия рабочего тела,

Способ работы Рабочее тело
пар газ
Поршневой Паровая машина Двигатель внутреннего сгорания
Роторный Паровая турбина Газовая турбина

 

получаемая при его нагревании. В роторном способе используется кинетическая энергия движущихся с боль­шой скоростью частиц рабочего тела.

Паровая машина была единственным двигателем, используемым в промышленности и на транспорте в XVIII и XIX вв. В настоящее время она практически не встречается, а широко применявшиеся в прошлом паро­возы и пароходы почти полностью сняты с производства.

В настоящее время наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, используемые на автомобильном транспорте. В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания находят ограниченное применение.

На современных мощных ТЭС устанавливают паро­вые турбины,. Первая паровая турбина, предназначенная для вращения электрического трехфазного генератора, была установлена на Эльберфельдской электростанции в 1899 г. С тех пор началось развитие мощных паротур­бинных электростанций.

В качестве тепловых двигателей на электрических станциях используют также газовые турбины.

Для повышения эффективности работы тепловых двигателей стремятся максимально увеличить темпера­туру рабочего тела и его давление до значений, прием­лемых по условиям механической прочности конструк­ционных материалов.

В современных паровых установках, составляющих основу энергетики, используют пар при температуре— около 600°С и давлении 30 МПа. Для охлаждения рабо­чего тела (пара) обычно применяют холодную воду, которая понижает его температуру до 30— 40°С. При этом давле­ние пара резко падает.

На рис. 2.3 схемати­чески показаны стадии преобразования пер­вичной энергии органи­ческого топлива в элек­трическую.

Основные процессы теплового цикла паро­вых установок, как бы­ло показано ранее, про­исходят в следующих элементах: в парогенераторах — подвод теплоты, в турбинах — расширение пара, в кон­денсаторах— отвод теплоты, в турбинах — расширение пара, в конденсаторах — охлаждение. С помощью насо­сов высокого давления производится сжатие, при кото­ром конденсат нагнетается в парогенератор.

Схема тепловой станции, приведенная на рис. 2.1, более подробно показана на рис. 2.4 и 2.5 Работа стан­ции происходит следующим образом. Из бункера 1 (рис. 2.4) уголь поступает в дробильную установку 2, где он превращается в пыль. Угольная пыль вместе с


 

воздухом из воздуходувки 3' подается в топку S, Тепло­та, получаемая при сжигании угля, используется для преобразования воды в пар в трубах 4. Вода по змееви­ку 5 накачивается насосом 14 в барабан котла 5'. Пар, нагретый потоком горячих газов, уходящих в трубу 6, при высокой температуре и высоком давлении поступает сначала в первую ступень турбины 7, а затем во вторую ступень 8. В турбине энергия пара преобразуется в ме­ханическую энергию вращения ротора генератора 9, вы­рабатывающего электрическую энергию. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор 13, превращается в воду, которая насосом 14 подается в котел, и затем цикл превращения воды повторяется. Охлаждение пара в конденсаторе производится с помощью воды, забирае­мой из водоема (пруда или реки) 11, накачиваемой на­сосом 12 и вновь выбрасываемой в водоем. Продукты сгорания угля проходят через очистительные сооружения (не показанные на рис. 2.4), где выделяются зола, твер­дые частички несгоревшего угля и прочие примеси, а оставшиеся газы через трубу 6 выбрасываются в атмос­феру. Электрическая энергия, получаемая от статора генератора, отдается в электрическую систему через выводы 10.

На рис. 2.5 показана общая схема получения теплоты и преобразования ее в электрическую энергию.

 

Рассмотрим дополнительно работу одного из основ­ных элементов станции — парогенератора, в котором получают пар для питания станции. Современный паро­генератор представляет собой сложное техническое сооружение больших размеров, высота которого соизме­рима с высотой пятиэтажного дома. В топке парогенера­тора сжигается превращенный в мелкую пыль уголь, газ или распыленная нефть при температуре 1500—2000°С. Для наиболее полного сжигания топлива с помощью вентилятора в больших количествах подается подогре­тый воздух. Появляющаяся в процессе сгорания топлива теплота нагревает воду, превращает ее в пар и увеличи­вает его температуру и давление до расчетных значений. Использованные горячие газы дымососами вытягиваются из парогенератора и подаются в очистительные устройст­ва, а затем направляются в дымовую трубу. Вода, пода­ваемая в парогенератор, предварительно очищается от примесей, содержание которых допускается в меньшем количестве, чем в питьевой воде. Очистка воды произво­дится в специальных устройствах — питателях.

По конструктивному выполнению парогенераторы подразделяют на барабанные и прямоточные

В барабанном парогенераторе (рис. 2.6) имеется стальной барабан 3, в нижней части которого

находится вода, а в верхней части — пар. По циркуляци­онной трубе 2 вода поступает в трубки экрана /, покры­вающие стенки топки 7.Трубки экрана выполняют стальными, небольшого диаметра (примерно 40 мм сна­ружи и 32 мм внутри), для того чтобы они смогли вы­держать большое давление пара. В крупном парогенера­торе каждый час испаряются сотни тонн воды и поэтому трубки имеют общую длину до 50 км.

Чтобы повысить эффективность работы парогенератора, вода перед подачей в барабан нагревается в эконо­майзере 5, а воздух перед подачей в топку подогревается
горячими газами в воздухоподогревателе 6. Выходящий
из барабана пар дополнительно нагревается в паропере­гревателе 4. _

В барабанном парогенераторе происходит естествен­ная циркуляция воды и пароводяной смеси за счет их разных плотностей. С увеличением температуры и дав­ления пара уменьшается разность в плотностях воды и пара, что ухудшает их циркуляцию.

В прямоточном парогенераторе барабана нет. Циркуляция воды и пара создается насосами (рис. 2.7). Вода через водоподогреватель 3 поступает в трубы 1, расположенные в топке, превращается в пар, который затем подается в пароперегреватель 2 и далее в турбину. В воздухоподогревателе 4 происходит подо­грев воздуха перед подачей его в топку. Прямоточные парогенераторы требуют качественного регулирования подачи воды. Кроме того, к питательной воде, используе­мой в парогенераторах этого типа, предъявляют очень высокие требования в отношении ее химической чистоты.

Прямоточные котлы получили широкое распростране­ние, так как они дешевле ба­рабанных. У барабанных пароге­нераторов при высоких давлени­ях (свыше 20 МПа) нарушается естественная циркуляция воды и пара.

Прямоточные парогенераторы стали применяться в нашей стра­не в 30-е годы по инициативе Л. К. Рамзина, который разрабо­тал ряд оригинальных конструкций котлов.

Турбины. Полученный в паро­генераторах перегретый пар при температуре ~600°С и давлении 30 МПа по паропроводам переда­ется в сопла. Сопла предназначе­ны для преобразования внутренней энергии пара в ки­нетическую энергию упорядоченного движения молекул.

Если перед входом в сопло пар имел некоторую на­чальную скорость Со и начальное давление р1 (рис. 2.8), то после выхода из сопла в результате расширения пара происходит увеличение его скорости до значения с1 и уменьшение давления до значения р2. Температура пара также при этом значительно понижается.

После выхода из сопла пар подается на рабочие лопатки турбины. Если турбина активная, то между ее рабочими лопатками расширения пара не про­исходит, следовательно, давление пара не меняется (рис. 2.8). Абсолютная скорость движения пара умень­шается от с1 до с2 вследствие вращения турбины со скоростью υ.

Конструктивно обычно турбина выполняется в виде нескольких ступеней, каждая из которых состоит из одного венца сопловых лопаток и одного венца рабочих лопаток. Сопловые и рабочие лопатки закреплены на окружностях одинакового радиуса.

У реактивной турбины или ступени происхо­дит расширение пара, проходящего через каналы рабо­чих лопаток. В зависимости от показателей расширения пара в каналах турбины характе­ризуют ступенями реактивности. В настоящее время турбины выполняют многоступенчатыми, причем в одной и той же турбине могут быть как активные, так и реактивные (с различной степе­нью реактивности) ступени.

Изменение параметров пара в реактивной ступени турбины по­казано на рис. 2.9. В соплах тур­бины происходит частичное рас­ширение пара до промежуточного давления р1. Дальнейшее расши­рение пара до давления p2 проис­ходит в каналах между лопатка­ми. Абсолютная скорость пара в сопле увеличивается до значения сi, а в каналах между лопатками уменьшается из-за вращения лопаток до зна­чения С2.

Общий вид лопаток мощной паровой турбины пока­зан на рис. 2.10.


В реактивных турбинах помимо центробежных сил, возникающих при изменении скорости движения пара, на лопатки действуют реактивные силы, вызванные рас­ширением пара.

Появление реактивной силы можно показать на сле­дующем примере. Пусть в бак, установленный на тележке (рис. 2.11), подведен пар под давлением, который в положении I равномерно действует на все стенки. Если убрать пробку, то равновесие бака сразу же нарушится. На правую стенку будет действовать неизменная сила, а сила, действующая на левую стенку, резко уменьшится, так как давление окружающей среды меньше, чем давление в баке. Пар устремится из бака, а тележка под действием реактивной силы начнет двигаться вправо (положение II).

(Конденсаторы. Пар, выходящий из турбины, направ­ляют для охлаждения и конденсации в специальное устройство называемое конденсатором. Конденсатор пред­ставляет собой цилиндрический корпус, внутри которого имеется большое число латунных трубок. По трубкам протекает охлаждающая вода, поступающая в конден­сатор обычно при температуре 10—15°С и выходящая из него при температуре 20—25°С. Пар обтекает трубки сверху вниз, конденсируется и снизу удаляется. Давле­ние в конденсаторе поддерживается в пределах 3— 4 кПа, что достигается охлаждением пара.

Расход охлаждающей воды составляет примерно 50—100 кг на 1 кг пара. На электростанции мощностью 1 ГВт расходуется 40 м3/с охлаждающей воды, что при­мерно равно расходу воды в Москве-реке.

Если воду для охлаждения пара забирают из реки, подают в конденсатор, а затем сбрасывают в реку, то такую систему водоснабжения называют прямоточной. В случаях, когда воды в реке не хватает, сооружают пруд. С одной стороны пруда вода подается в конденса­тор, а с другой стороны пруда сбрасывается нагретая в конденсаторе вода.

В замкнутых системах водоснабжения для охлажде­ния воды, нагретой в конденсаторе, сооружают градир­ни, представляющие собой устройства высотой при­мерно 50 м. Вода вытека­ет струйками из отверстий лотков, разбрызгивается и, стекая вниз, охлажда­ется. Внизу расположен бассейн, в котором вода собирается и затем насо­сами подается в конден­сатор.

Тепловой баланс кон­денсационной электриче­ской станции. На ТЭС происходят многократные преобразования энергии, сопровождающиеся поте­рями. Экономичность про­цесса преобразования хи­мической энергии топлива в электрическую и потери на различных стадиях производства можно выявить из ана­лиза теплового баланса электрической станции. Если за 100% принять химическую энергию, получаемую при сжигании угля в топках котлов, то в среднем только 25% этой энергии превращается в электрическую (рис. 2.12). Наибольшие потери теплоты происходят в конденсаторе. С охлаждающей водой конденсатора уносится 55% теп­лоты.

 

 

ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ.

Производство электрической энергии на ТЭС сопро­вождается большими потерями теплоты. В то же время многим отраслям промышленности таким, как химиче­ская, текстильная, пищевая, металлургическая, и ряду других теплота необходима для технологических целей. Для отопления жилых зданий требуется в значительном количестве горячая вода.

В нашей стране больше ½ всего добываемого топли­ва расходуется на тепловые нужды предприятий. Ориентировочное представление о потреблении теплоты в промышленности можно получить, рассмотрев потребно­сти в нем какого-либо конкретного предприятия. Напри­мер, на автомобилестроительном заводе приблизительно ¾ всей потребляемой теплоты идет на отопление, венти­ляцию и бытовые нужды и только ¼ расходуется на про­изводственные цели. Противоположная ситуация на азот­нотуковом комбинате — предприятии химической про­мышленности. Здесь примерно ¾ всей потребляемой теплоты расходуется на производственные цели. Удов­летворение потребностей в теплоте сооружением неболь­ших индивидуальных котельных, как правило, не эконо­мично, так как такие установки работают с небольшими КПД и технически менее совершенны, чем крупные ус­тановки современных мощных ТЭС.

В этих условиях естественно использовать пар, полу­чаемый в парогенераторах на тепловых станциях, как для выработки электроэнергии, так и для теплофикации потребителей. Электростанции, выполняющие такие функции, называются теплоэлектроцентралями.

Отработанный в турбинах конденсационных станций пар имеет температуру 25—30°С, поэтому он не пригоден для использования в технологических процессах на пред­приятиях.» Во многих производствах требуется пар, име­ющий давление 0,5—0,9 МПа, а иногда и до 2 МПа длят приведения в движение прессов, паровых молотов, тур­бин. Иногда требуется горячая вода, нагретая до темпе­ратуры 70—150°С.

Для получения пара с необходимыми для потребите­лей параметрами используют специальные турбины с промежуточными отборами пара. В таких турбинах, по­сле того как часть энергии пара израсходуется на при­ведение в движение турбины и параметры его понизят­ся, производится отбор некоторой доли пара для потре­бителей. Оставшаяся доля пара далее обычным способом используется в турбине и затем поступает в конденсатор. Поскольку для части пара перепад давления оказывает­ся меньшим, несколько возрастает расход топлива на выработку электроэнергии. Так, если при перепаде дав­ления от 9000 до 4 кПа на выработку 1 кВт-ч электро­энергии требуется 4 кг пара, то при увеличении давления отработанного пара до 120 кПа необходимое количество пара составляет 5,5 кг. Однако такое увеличение расхода пара на выработку электроэнергии на ТЭЦ и связанное с этим увеличение расхода топлива в конечном счете ока­зываются меньшими по сравнению с расходом топлива в случае раз­дельной выработки электроэнергии и выра­ботки ,теплоты на не­больших котельных ус­тановках.

Благодаря более полному использова­нию тепловой энергии КПД ТЭЦ достигает 60-65%, а КПД КЭС —не более 40%. На рис. 2.13 приведен примерный тепловой баланс ТЭЦ.

Горячая вода и пар под давлением, дости­гающем в отдельных случаях 3 МПа, доставляются потребителям по трубо­проводам. Совокупность трубопроводов, предназначен­ных для передачи теплоты, называется тепловой сетью. Экономия топлива связана с совершенствованием теп­ловой изоляции, поэтому повышение ее качества отно­сится к одной из важнейших задач теплофикации.

Эффективность работы системы теплоснабжения во многом зависит от рационального размещения ТЭЦ, которые стремятся по возможности приблизить к крупным потребителям теплоты и электрической энергии, так как передача теплоты в виде пара неэкономична на расстояниях свыше 5—7 км. На решение вопроса о целесо­образных местах расположения ТЭЦ в последнее время значительно влияет загрязнение ими окружающей среды.

Централизованное теплоснабжение на базе комбини­рованной выработки теплоты и электрической энергии имеет большие преимущества: обеспечивает основную долю потребности в теплоте промышленного и жилищно-коммунального хозяйства, уменьшает расходование топ­ливно-энергетических ресурсов, а также материальных, и трудовых затрат в системах теплоснабжения.

Однако при максимальной централизации теплоснаб­жения на ТЭЦ можно выработать только 25—30% требу­емой электроэнергии. Работа же конденсационных стан­ций определяется только условиями выработки электро­энергии, что делает весьма благоприятными концентра­цию больших электрических мощностей и позволяет быстро наращивать электроэнергетический потенциал страны. Поэтому в настоящее время и в будущем будут строиться конденсационные станции, несмотря на те преимущества, которые имеет выработка электроэнергии -на ТЭЦ. Развитию теплофикации в СССР придается большое значение. Так, уже в начале девятой пятилетки установленная электрическая мощность теплофикацион­ных агрегатов превысила 45 млн. кВт, что составило око­ло ⅓ установленной мощности всех ТЭС страны, работа­ющих на органическом топливе.

 

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

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.

По конструктивному исполнению и принципу преобра­зования энергии газовые турбины не отличаются от па­ровых. Экономичность работы газовых турбин примерно такая же, как и двигателей внутреннего сгорания, а при очень высоких температурах рабочего газа экономичность газовых турбин выше. Кроме того, газовые турбины более компактны, чем паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания аналогичной мощности.

Особенно широкое распространение газовые турбины получили на транспорте. Применение газовых турбин в качестве основных элементов авиационных двигателей позволило в современной авиации достичь больших ско­ростей, грузоподъемности и высоты полета. Газотурболокомотивы на железнодорожном транспорте конкурен­тоспособны с тепловозами, оборудованными поршневы­ми двигателями внутреннего сгорания.

Современные газовые турбины в основном работают на жидком топливе, однако кроме жидкого топлива мо­жет использоваться газообразное: как естественный при­родный горючий газ, так и искусственный газ, получа­емый особым сжиганием твердых топлив любых видов.

Представляет практический интерес перспектива сжигания угля в места его залегания. При этом под землю компрессорами в необходимом количестве подает­ся воздух, производится специальное сжигание угля с об­разованием горючего газа, который затем подается по трубам к газотурбинным установкам. Впервые в мире такая опытная электростанция построена в Тульской об­ласти.

(Работа газотурбинной установки осуществляется сле­дующим образом. В камеру сгорания / подается жидкое или газообразное топливо и воздух (рис. 2.14, с). Полу­чающиеся в камере сгорания газы 2 с высокой темпера­турой и под большим дав­лением направляются на рабочие лопатки турби­ны 3. Турбина вращает электрический генератор 4 и компрессор 5, необхо­димый для подачи под давлением воздуха 6 в ка­меру сгорания. Сжатый в компрессоре воздух пе­ред подачей в камеру сго­рания подогревается в регенераторе 7 отработанными в турбине горючими газами 8. Подогрев воздуха позволяет повысить эффективность сжигания топлива в камере сгорания.

 


 

ПАРОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ

Отработанные в ГТУ газы имеют высокую температу­ру, что неблагоприятно сказывается на КПД термодина­мического цикла. Совмещение газо- и паротурбинных агрегатов таким образом, что в них происходит совмест­ное использование теплоты, получаемой при сжигании топлива, позволяет на 8—10% повысить экономичность работы установки, называемой парогазовой, и снизить ее стоимость на 25%.

Парогазовые установки, использующие два вида ра­бочего тела - пар и газ - относятся к бинарным. В них часть теплоты, получаемой при сжигания топлива в парогенераторе, расходуется на образование пара, который затем направляется в турбину (рис. 2.15), Охлажденные до температуры 650—700°С газы попадают на рабочие лопатки газовой турбины. Отработанные в турбине газы используются для подогрева питательной воды, что по­зволяет уменьшить расход топлива и повысить КПД всей установки, который может достичь примерно 44%,

Парогазовые установки могут работать также по схеме, в которой отработанные в газовой турбине га5ы по­ступают в паровой/котел (рис. 216 — обозначения те же, что и на рис. 2.15). Газовая турбина в этом случае слу­жит как бы частью паросиловой установки. В камере сгорания газотурбинной установки сжигается 30—40% топлива, а в парогенераторе — остальное топливо.

Газотурбинные установки могут работать только на, жидком или газообразном топливе, так как продукты сгорания твердого топлива, содержащие золу и механи­ческие примеси, оказывают вредное влияние на лопатки газовой турбины. В газотурбинных установках, так же как и в обычных паросиловых установках, тепловая энер­гия преобразуется в механическую в турбинах и механи­ческая энергия — в электрическую в генераторах. Эта схема электромеханического преобразования энергии требует использования материалов, способных выдержи­вать большие механические нагрузки при больших часто­тах вращения вала турбины и высоких температурах. Ограниченная прочность материалов вынуждает исполь­зовать пар при температурах не выше 600°С, в то время как температура сжигаемого топлива достигает 2000°С. Сокращение разницы этих температур позволит суще­ственно повысить КПД тепловых установок.

 







Последнее изменение этой страницы: 2017-02-17; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.95.131.208 (0.192 с.)