Паротурбінні (теплові) електростанції

Схему паротурбінної електростанції наведено на рис. 6.1. Во­на складається з парового котла (парогенератора) 1, парової турбіни — 2, електрогенератора — З і розподільного пристрою. Топка і паровий котел уявляють собою один вузол. Паливо по­дається в розпиленому стані, що забезпечує його повне згоряння і підвищує ККД парогенератора. Перегріта пара високого тиску по паропроводу надходить до парової турбіни і приводить її до обертання. Оскільки вона знаходиться на одній осі з генерато­ром, то він теж обертається з такою ж швидкістю, як і турбіна та перетворює механічну енергію в електричну. Відпрацьована пара після турбіни надходить до конденсатора, де охолоджується во­дою до конденсації. Вода в паровім котлі подається насосами 5 із генератора 6. Бойлери (підігрівачі) 7 призначені для підігрівання води для побутових, виробничих потреб.

Рис. 6.1. Схема теплоелектроцентралі

Зараз для виробництва електроенергії використовують блоки одиничної потужності 55, 800, 1000 і 12000 МВт при тиску пари 13, 17, і 25 Мпа 9 температура відповідно (534...565), (550...570) і 580 °С). Схему прямоточного котла показано на рис. 6.2.

Живильна вода (пом'якшена та очищена) спочатку підігрі­вається, потім випаровування, тобто перетворюється в пару, яка потім перегрівається до заданої температури. Перегріта пара потім надходить до турбіни.

1 — пальники; 2 — нижня радіаційна частина; З — верхня

радіаційна частина; 4 — ширми первинного і вторинного па-

ропідігрівача; 5 — конвективні первинні і вторинні паропідігрівачі;

6 — зона максимальної теплоємкості; 7 — водяний економайзер;

8 —регенеративний повітропідігрівач.

На рис. 6.3 показано одну із можливих схем прямоточного кот­ла. Пальником 1 полум'я підігріває труби нижньої 2 та верхньої З радіаційної частини, в яких перетікає вода. Перетворившись в па­ру, вода або парорідинна суміш надходить до паронагрівачів 5, зо­на яких відокремлена ширмами (екрани) 4 від первинних і вторин­них підігрівачів 5. Водяний економайзер 7 призначено для еко­номії теплоти також як регенеративний повітропідігрівач 8.

Одну із можливих конструкцій парових турбін показано на рис. 6.4. Ротор турбіни з 12 дисків посаджено на валу 10, що обер­тається на підшипниках 4 і 11, тобто турбіна дванадцятиступенева.

На ободах дисків закріплено робочі лопаті, які утворюють на кожному із дисків решітки із робочих лопатей. Число дисків в кожному типі турбін — різне. Якщо в турбіні один диск, то її на­зивають одноступеневою, а у всіх інших випадках — багатосту­пеневою. Конус 9 турбіни має циліндричну росширювальїгу фор­му і складається з нижньої та верхньої частини, з'єднаних болта­ми. В місцях виходу вала ротора є лабірінтні ущільнювачі, які є перепоною для виходу пари в довкілля. Пара надходить в турбіну через клапани 6, що розміщені в клапанних коробках 8.

Потім пара проходить через проточні частини всіх ступеней турбіни, де її теплова енергія перетворюється в механічну.

Вал турбіни за допомогою гнучкої муфти 14 з'єднаний з ва­лом електрогенератора. Передній опорно-упорний підшипник спирається на раму 2, в якій розміщена зубчаста (трибова) пере­дача до валика регулятора.

В залежності від тиску пара за останнім ступенем турбіни поділяють на конденсапійні, якщо тиск пари менше атмосферно­го (0,029...0,049) МПа і протитискові, якщо тиск більше атмо­сферного.

Після конденсаційних турбін пара спрямовується до конден­саторів, в яких конденсат використовують для живлення водою парових котлів. Пара після протискових турбін за звичай вико­ристовується для технологічних потреб підприємства. Парові турбіни зазвичай працюють при сталій швидкості обертання 50 об/с, тобто при 50-періодному електричному струмі та двополюс­ному генераторі.

Електрогенератори

Для перетворення механічної енергії в електричну парові турбіни як і будь-які первинні двигуни (двигуни внутрішнього зго­ряння, гідравлічні, газові турбіни, вітрові двигуни, тощо) призна­чені для вироблення зазвичай електричного струму змінної частоти коливань. В якості генераторів використовують синхронні машини змінного струму, в яких кутова швидкість ротора при сталій час­тоті струму в приєднанній мережі зберігається сталою і не залежить від навантаження на валу машини. В промислових установках найбільше розповсюдження мають трифазні синхронні машини.

Трифазна синхронна машина складається з нерухомого ста­тора та обертального ротора, що знаходиться всередині статора, між якими існує повітряний зазір, радіальний розмір якого зале­жить від номінальної потужності машини і змінюється від частки до декількох десятків міліметрів (рис. 6.5).

Ротор уявляє собою електромагнітну систему сталого струму з обмоткою, яка має таку ж кількість полюсів що і трифазна об­мотка статора. Магнітні силові лінії обох полюсів ротора зами­каються через повітряний зазір машини і магнітопровід статора. Перетин магнітних силових ліній с певною частотою призводить до появи електричного струму.

Рис. 6.5. Будова трифазної синхронної машини з ротором:

а — неявнополюсними; б — явнополюсними;

1 — станина; 2 — магнітопровід статора; 3 — провідники

обмотки статора; 4 — повітряний зазір; 5 — полюс ротора;

6 — полюсний наконечник; 7 — провідники обмотки ротора;

8 — котушкова обмотка збудження; 9 — короткозамкнута

обмотка; 11 — струмознімальні щітки; 12 — вал.

Обмотка ротора, або обмотка збудження, одержує живлення від випрямлювана або невеликого генератора сталого струму збуджувача, потужність якого складає (0,5... 10)% номінальної по­тужності синхронної машини.

Швидкісні генератори за звичай безпосередньо з'єднанні з па­ровими турбінами на одному валу, що розраховані на 3000 або 1500 об/хв. при частоті струму 50 Гц.

Гідравлічні турбіни або двигуни внутрішнього згоряння та інші розраховують на частоту обертів 1500, 1000, 750 і менше обертів на хвилину при сталій частоті 50 Гц. Швидкість обертан­ня первинного двигуна розраховують за формулою

n = 60ƒ

p

де ƒ— частота змінного струму,

р — число пар полюсів.

Синхронні машини номінальною потужністю до 5 кВт іноді виготовляють в оберненому варіанті виконанні — з обмоткою збудження на статорі і трифазною обмоткою на роторі. Будову двох типів трифазної синхронної машини показано на рис. 6.5.

Атомні електростанції

Принципова технологічна схема вироблення електроенергії на атомних електростанціях не відрізняється від схем звичайних електростанцій за виключенням способу одержання теплоти для перетворення води в пару високого тиску. Джерелом теплоти на атомних електростанціях є атомні реактори, в яких відбувається самоутворюємий але регульований процес поділу атомних ядер з перетворенням звільненої ядерної енерїї в теплоту.

Ядерний реактор за смислом замінює топку котла. За ядерне паливо використовують збагачений уран 235 та плутоній — 239. Керування реакцією поділу ядер здійснюють стрижнями із кадмію або бористої сталі, які поглинають нейтрони і уповільню­ють число поділу урана — 235. Змінюючи глибину занурення стрижнів, можна впливати на роботу реактора в значних межах. Реактори за звичай двоконтурні. В першому радіактивному контурі циркулюють теплоносії (рідкий метал, вода, газ) і його розташовано в захисній зоні реактора. Другий контур не потре­бує спеціального біологічного захисту і його винесено за межі ре-акторної зони, де здійснюється перетворення теплоти пари в еле­ктроенергію.

Принципову схему атомної електростанції наведено на рис. 6.6. В результаті випромінювання уранових стрижнів в активній зоні реактора 1 утворюється теплова енергія з температурою до 600 °С, яка регулюється керуючими урановими стрижнями 2 с уповільнювачами, що знаходяться в корпусі реактора. В резуль­таті циркуляції (за звичай рідкий натрій) рідини за допомогою насоса 6 першим контуром відводиться теплота, яка перетворює воду в пару в пароутворювачеві 5.

Уповільнювачі призначенні для того, щоб ланцюгова реакція поділу ядер була перетворена у стаціонарну в результаті погли­нання більшої частки нейтронів, що забезпечує стабільність виз­волення енергії при поділенні ядерного палива.

В першому контурі є компенсатор ємності 4 для підтримки певного тиску в першому контурі. Реактор міститься в герметич­ному захисному корпусі 7. Другий контур відводить із пароутво-рювача 5 пару, що приводить в дію парову турбіну 8 і генератор змінного електричного струму 9. Після турбіни водяна пара кон­денсується в холодильнику 10, а рідина (вода) насосом 11 друго­го зовнішнього контуру через тешюобмінник 12 знову направ-

Рис. 6.б. Схема вироблення електроенергії на атомних електростанціях

лається до пароутворювача 5. Таким чином принципово атомні електростанції нічим не відрізняються від звичайних теплових за виключенням способу одержання теплоти.

Схему водоводяного реактора вітчизняного виробництва на­ведено на рис. 6.7. В результаті випромінювання уранових стрижнів в реакторі 12 утворюється теплова енергія с температу­рою до 600 °С, яка передається першим контуром (1, 2, З, 8, 9, 10, 11) до другого контура (3, 4, 5, б, 7), що передає пару високого ти­ску до турбіни 4 та електрогенератора 5.

На діючих атомних електростанціях, використовуються реак­тори трьох типів: графітові канальні РБМК-1000 і РБМК-1500, водо-водяні корпусні ВВЕР-440 і ВВЕР-1000 та реактори на швидких нейтронах БН-600.

Реактори ВВЕР-1000 розміщуються всередені герметичної залізобетонної оболонки діаметром 47,7 м та висотою 67,5 м. Ре­актор і парогенератор розділенні залізобетонною стінкою тов­щиною (1,0... 1,5) м. В реакторі розміщено 66 т збагаченного ура­ну. АЕС мають деякі переваги у порівнянні з електростанціями інших, типів: не мають складських, приміщень та обладнання для приготування палива, не викидають в атмосферу шкідливих окислів азоту та сірки, а також золи, тобто не забруднюють ат­мосферу і не використовують кисень.

Рис. б. 7. Принципова схема водоводяного реактора:

І__компенсатор високого тиску; 2 — циркуляційний насос;

З — парогенератор; 4, 5 — турбоелектрогенератор; (5__конденсатор; 7 — живильний насос; 8 — підживильний на­сос; 9 — живильна ємкість; 10— фільтр; 11 — холодильник,

12 —реактор.

Гідроелектростанції

Схему вироблення електричної енергії на гідравлічних елект­ростанціях показано на рис. 6.8.

Гребля, що перегороджує річку дає змогу створити тиск або напір води, яка через спрямовуючий апарат з верхнього б'єфа (рівень 7.70) води надходить до нижнього б'єфа (рівень 0.00), про­ходить через колесо гідравлічної турбіни 3, яка обертається на одній осі з генератором електричної енергії в капсулі 1. Регулю­вання витрат води здійснюється спеціальними затворами. Решітки в греблі призначені для затримки сміття, щоб вони не надходили до турбіни.

Оскільки потужність ГЕС визначається тиском (напір) води і її витратами, то на рис. 6.9 для прикладу і порівняння наведено відповідні напори для кожної ГЕС на Дніпрі.

Рис. 6.8 Схема зображення ГЕС з горизонтальним капсульним

гідроагрегатом (київська ГЕС): 1 — капсула; 2 — напрямний

устрій; З — турбіна (робоче колесо); 4 — кран.

На гідроелектростанціях в залежності від напору і витрат во­ди використовують різного типу турбіни (активні реактивні) з вертикальною та горизонтальною осями обертання, з поворот­ними лопатями турбін, тощо. Використовують турбіни по­тужністю від декількох до 500 тис. кВт. Собівартість електрое­нергії на ГЕС значно менше собівартості на інших електрос­танціях незважаючи на значні капіталовкладення.

Схему підгтреблевої ГЕС с вертикальним турбогенератором наведено на рис. 6.10.

Рис. 6.10. Схема підгтреблевої ГЕС

Вода з верхнього б'єфа водосховища 6 надходить по трубам при відкритій засувці 5 до лопастей гідротурбіни 4 і приводить її до обертання разом з ротором генератора 1, а потім надходить до нижнього б'єфа річки через відсосну трубу 3. Потужність ГЕС залежить від енергії падаючої води, тобто від висоти падіння і ви­трат води.

Електричні мережі

Оскільки теплові та гідравлічні електростанції розташовані в місцях залягання палива або біля водосховищ річок, а споживачі зазвичай знаходяться на значній відстані від електростанцій, пе­редача електроенергії здійснюється лініями або мережами елект­ропередач, які бувають повітряні і кабельні.

Повітряні лінії будують при передачі електроенергії на значні відстанні через малонаселенні райони і сільску місцевість, а ка­бельні — в містах і промислових центрах. Втрати електроенергії в мережах за законом Джоуля-Ленця визначаються за формулою

де / — сила струму;

R — опір провідника;

— час.

Для зменшення втрат треба або зменшити опір провідника, тобто збільшити його перетин або зменшити силу струму (збіль­шити напругу при однаковій потужності P=IU).

На значні відстані струм передають напругами 20, 35, ПО, 150, 220, 330, 750 і 1150 кВ, а сталий струм — 1500 кВ. Лінії елек­тропередач з напругами 380 (із заземленою нейтраллю), 220 і 127 В називають низьковольтними і використовують в роз­подільчих мережах, які з'єднують трансформаторні підстанції із споживачами.

Передача електричної енергії на відстань більше 1000 км змінним струмом невигідна через значні втрати в проводах і по­рушення синхронності роботи генераторів. Тому в таких випад­ках ставлять випрямлячі, які перетворюють змінний струм в ста­лий, а в районі споживання знову сталий струм перетворюють в змінний за допомогою інверторів в струм високої напруги, а потім через пониження напруги в трансформаторах надходить до споживачів. В бувшому СРСР побудована була перша в світі еле­ктропередача сталим струмом на відстані 473 км: Волзька ГЕС — Донбас потужністю 700 МВт при напрузі 800 кВ.

Матеріалом для електропроводів служить мідь, алюміній., сталь, а в особливих випадках — бронза. Найбільша провідність у міді, але вона має високу вартість, яка менша в алюмінія, але він має незначну міцність. Для ліній з напругою 35 кВ використову­ють комбіновані сталеалюмінієві провода: центральна частина стальна забезпечує певну міцність, а алюмінієва має високу елек­тропровідність.

Система енергетики в будь-якій країні повинна відповідати основним вимогам до яких в першу чергу відносять надійність або стабільність, динамічність, інерційність, дискретність та еко­номічність і самоорганізованість

Економічність — властивість системи здійснювати свої функції з мінімумом втрат при наявності суттєвих обмежень. Ця властивість віднесена до групи функціонування, тому що воно в більшій мірі виявляється в період експлуатації.

Надійність — комплексна властивість системи виконувати за­дані функції при заданих умовах і обмеженнях функціонування.

В групу властивостей, що характеризують керованість систе­ми, включені п'ять основних: неповнота інформації; адаптація; недостатність оптимальних рішень; самоорганізованість; багато-кр итер іальність.

Властивість самоорганізованості полягає в спроможності си­стеми вибирати рішення і реалізовувати їх для зберігання взаємодії з навколишнім середовищем. Це пов'язано властивістю нецілісності системи. Основне завдання всього народно-госпо­дарського комплексу України полягає в скороченні затрат енергії на виробництво товарів. Конкурентно спроможною може стати продукція на виробництво якої витрачається в (6...7) разів менше енергії.

Перспективи розвитку електроенергетики заключаються у ви­користанні відновлюємих джерел енергії, тобто енергії води, вітру, сонця, тощо. Існують переконання, що більша частина не­обхідної нам енергії в майбутньому буде отримуватися від космічних електростанцій, які можуть допомогти забезпечити наші енергетичні потреби. Батареї сонячних елементів будуть пе­ретворювати сонячне світло в електрику. Отримана енергія буде спрямована на Землю у вигляді пучків мікрохвиль. Сонячний мо­дуль, який складається з ряду кремнієвих, фотоелектричних еле­ментів, послідовно сполучених один з одним для збільшення на­пруги, що отримується при падінні на них сонячного світла. Стандартний модуль цього типу виробляє максимум 2 ампери при напрузі 17 вольт, а отримана потужність дорівнює 34 вата. Можуть бути перспективними одержання електроенергії хімічним перетворюванням води, тобто спалювання водню після якого утворюється екологічно безпечний викид — вода.

Водень може використовуватися як добавка (активатор) у газотурбінних і поршневих двигунах для зниження токсичності відпрацьованих газів та ефективнішого спалювання основного пального. Основна проблема заключається в накопиченні вод­ню. Достатньо зауважити, що густина водню складає 0,09 кг/ , тобто для його зберігання треба мати величезний об'єм ємності, або дуже великий в ємності тиск. Зараз ведуться розробки по виз­наченню методів накопичення водню методами абсорції на ос­нові використання гідридів металів накопичувачів водню. Ведуться роботи зі створення та вдосконалення водневих двигунів для автотранспорту та авіації.

Використання водню як палива диктує необхідність шукати

шляхи розв'язання багатьох проблем, передусім пов'язаних з йо­го зберіганням і транспортуванням. За останні роки синтезовано велику кількість сплавів накопичувачів водню, деякі з них уже застосовуються в промисловості. Проте одержати таке поєднання

параметрів, як значна сорбційна ємність, легкість процесів сорбції-десорбції водню за невисоких температур, висока тепло­провідність, легкість активації, наявність стабільних робочих ха­рактеристик під час експлуатації з невисокою вартістю. Ці за­вдання досить складні і не вирішенні.

Використання біогазу при зброджуванні біомаси може щорічно замінити 750 тис. т. умовного палива щорічно. Експлу­атація повітряних електродвигунів може дати в перспективі (30...40) млрд. кВт.год щорічно, а потенціал енергії малих рі­чок — 2400 МВт. та може виробляти 4 млрд. кВт.год електрое­нергії. Запаси гідротермічної енергії на глибині до 2000 м склада­тимуть 28300 тис. на добу при 30 °С.

Контрольні запитання до 6-го розділу.

1. Основні види палива та їх характеристики.

2. Характеристики енергокомплексу України.

3. Теплові електростанції.

4. Гідроелектростанції.

5. Нетрадиційні джерела електроенергії.

6. Відновлювальні та не відновлюєальні джерела електрое­нергії.

7. Технологічна схема вироблення електроенергії.

8. Паротурбінні електростанції.

9. Принципи одержання пари.

10. Перетворення пари в електроенергію.

11. Електрогенератори.

12. Схеми вироблення енергії на атомних електростанціях.

13. Схема вироблення енергії на гідроелектростанціях.

14. Електричні мережі, їх призначення та основні характерис­тики.

15. Основні напрямки розвитку електроенергії.

16. Перспективи використання водню як джерела енергії.

17. Засоби вробництва енергії в Україні із відновлюванних джерел.