Конденсационные электростанции

Конденсационные электростанции (КЭС) — тепловые паротурбинные электростанции, предназначенные для выработки электрической энергии.

 

 

Рис. 2.1. Принципиальная технологическая схема конденсационной электростанции, работающей на твердом топливе

 

Топливо, поступающее на электростанцию, проходит предварительную обработку. Так, наиболее часто используемое на ТЭС твердое топливо (уголь) сначала дробится, а затем подсушивается и на специальных мельничных установках размельчается до пылевидного состояния. Комплекс устройств, предназначенных для разгрузки, хранения и предварительной обработки топлива, составляет топливное хозяйство или топливоподачу. Топливоподача 1 и пылеприготовление 2 образуют топливный тракт КЭС (А на рис. 2.1.).

Угольная пыль вместе с воздушным потоком, создаваемым специальным насосом (воздуходувкой), подается в топку котла 3. Продукты сгорания топлива проходят через специальные очистительные сооружения 7 (золоуловители), где выделяются зола и другие примеси (при сжигании нефти и газа золоуловители не требуются), а оставшиеся газы с помощью дымососа 6 через дымовую трубу 8 выбрасываются в атмосферу.

Теплота, получаемая при сжигании топлива в котле, используется для получения пара, который перегревается в пароперегревателе 4 и по паропроводу 9 поступает в паровую турбину 10. В турбине энергия пара преобразуется в механическую работу вращения ее вала, который специальной муфтой соединен с валом генератора 13, вырабатывающим электроэнергию. Отработавший в турбине пар после своего расширения от начального давления при входе в турбину 13—24 МПа до конечного (на выходе) 0,0035—0,0045 МПа поступает в специальный аппарат 11, называемый конденсатором. В конденсаторе пар превращается в воду (конденсат), которая насосом 12 подается обратно в котел, и цикл в пароводяном тракте (Б на рис. 2.1.) повторяется. Для охлаждения пара в конденсаторе используется вода, забираемая циркуляционным насосом 14 из водоема 17.

Таков общий принцип действия КЭС. На такой электростанции в процессе преобразования энергии неизбежны ее потери. Тепловой баланс, представленный на рис. 2.2., дает общее представление об этих потерях.

 

Рис. 2.2. Тепловой баланс конденсационной электростанции

 

Совершенство КЭС (ТЭС) определяется ее коэффициент полезного действия (КПД) агрегатов станции. КПД станции без учета расходов энергии на собственные нужды, например привод электродвигателей вспомогательных агрегатов, называется КПД брутто и имеет вид

η^бр = [ Э_выр / (G ▪ Q^r)] ▪ 100%,

где: Э_выр ─ количество выработанной генератором электроэнергии, кДж;

G ─ расход топлива за это же время, кг;

Q^r ─ теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Коэффициент полезного действия (КПД) современных крупных блочных КЭС не превышает обычно 35%.

Основными элементами ТЭС являются:

Паровой котел. Это сложное техническое сооружение, предназначенное для получения (генерации) пара заданных по давлению и температуре параметров из поступающей в него питательной воды. По конструктивным признакам паровые котлы подразделяются на барабанные и прямоточные.

Упрощенная схема прямоточного котла, приведена на рис. 2.3. Циркуляция воды и пара создается насосами. Конструктивно такой котел состоит из ряда параллельно включенных витков стальных труб, в которые через экономайзер 1 поступает питательная вода. Сначала эта вода поступает в нижнюю часть экранов (витков труб) 2. Здесь она нагревается и, поднимаясь, испаряется, постепенно утрачивая свойства капельной жидкости. В верхней части экранов 3 осуществляется начальный перегрев пара, после чего он поступает в пароперегреватель 4 и далее по паропроводам в турбину. В воздухоподогревателе 5 воздух подогревается перед подачей его в топку, (давление пара свыше 22 МПа).

 

 

Рис. 2.3. Упрощенная схема прямоточного парового котла.

 

Паровая турбина. Паровой турбиной называют тепловой двигатель, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию, а затем в механическую работу на валу. Преобразование энергии в турбине происходит в два этапа (рис. 2.4.).

На первом этапе пар из паропровода поступает в неподвижное сопло 1 (может быть группа параллельных сопл, образующих так называемую сопловую решетку), где он расширяется и, следовательно, ускоряется в своем движении в направлении вращения рабочих лопаток. Другими словами, пар, проходящий по соплу, теряет свою тепловую энергию (температура и давление снижаются) и повышает кинетическую (скорость увеличивается). После сопл поток пара попадает в каналы, образованные рабочими лопатками 2, закрепленными на диске 3 и жестко соединенными с вращающимся валом 4. Здесь происходит второй этап преобразования энергии: кинетическая энергия потока превращается в механическую работу вращения ротора турбины (вала с дисками и лопатками).

В зазоре между сопловой и рабочей решетками давление пара не изменяется, оно изменяется в рабочих лопатках.

Рис. 2.4. Схема ступени турбины

 

Совокупность соплового и лопаточного аппаратов носит название турбинной ступени. Конструктивно турбины выполняются как одноступенчатыми так и многоступенчатыми (рис.2.5.). В последнем случае неподвижные сопловые решетки чередуются с рабочими.

Все крупные турбины делают многоступенчатыми. На рис. 2.5. показана схема активной многоступенчатой турбины, которая включает несколько последовательно расположенных по ходу пара ступеней, сидящих на одном валу. Ступени отделены друг от друга диафрагмами, в которые встроены сопла. В таких турбинах давление падает при проходе пара через сопла и остается постоянным на рабочих лопатках. Абсолютная скорость пара в ступени, называемой ступенью давления, то возрастает — в соплах,

Рис. 2.5. Схема активной турбины с тремя ступенями давления:

1 — сопло; 2 — входной патрубок; 3 — рабочая лопатка 1 ступени; 4 — сопло; 5 — рабочая лопатка 2 ступени; 6 — сопло; 7 — рабочая лопатка 3 ступени; 8 — выхлопной патрубок; 9 — диафрагмы

 

 

то снижается — на рабочих лопатках. Так как объем пара по мере его расширения увеличивается, то геометрические размеры проточной части по ходу пара возрастают.

Генератор предназначен для преобразования механического движения (вращения вала турбины) в электрический ток. Электрический ток бывает постоянным и переменным. Но широко

 

 

 

Рис. 2.6. Простейшая установка для выработки переменного электрического тока

применяется переменный ток. Это обусловлено тем, что напряжение и силу переменного тока можно преобразовывать практически без потерь энергии. Переменный ток получают при помощи генераторов переменного тока с использованием явлений электромагнитной индукции. На рис. 2.6. изображена принципиальная схема установка для выработки переменного тока.

Принцип действия установки прост. Проволочная рамка вращается в однородном магнитном поле с постоянной скоростью. Своими концами рамка закреплена на кольцах, вращающихся вместе с ней. К кольцам плотно прилегают пружины, играющие роль контактов. Через поверхность рамки непрерывно будет протекать изменяющийся магнитный поток, но поток, создаваемый электромагнитом, останется постоянным. В связи с этим в рамке возникнет ЭДС индукции.

В мировой промышленной практике широко распространен трехфазный переменный ток, который имеет множество преимуществ перед однофазным током. Трехфазной называют такую систему, которая имеет три электрические цепи со своими переменными ЭДС с одинаковыми амплитудами и частотой, но сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120° или на 1/3 периода.

Конденсатор. Экономичность работы паровой турбины в большой степени зависит от конечного давления пара, с понижением которого увеличивается используемый тепловой перепад и возрастает КПД турбоустановки. Можно сказать, что из трех параметров пара, определяющих экономичность турбины,— начального давления, начальной температуры и конечного давления — последний параметр оказывает наибольшее влияние на КПД турбины.

 

Рис. 2.7. Схема конденсатора.

 

 

Снижение давления пара после выхода его из турбины осуществляется с помощью устройства, называемого конденсатором, в котором поддерживается низкое абсолютное давление, равное 0,005-0,0035 МПа.

В простейшем случае конденсатор представляет собой цилиндрический корпус с большим числом трубок, закрытый с торцов (рис. 2.7.). Охлаждающая вода поступает через патрубок 1, пройдя по трубкам 2 и нагревшись, она покидает конденсатор через патрубок 3. Пар поступает через патрубок 4, заполняя межтрубное пространство внутри корпуса, соприкасается с холодной наружной поверхностью трубок и конденсируется. Конденсат специальным насосом откачивается через патрубок 5.

Температура охлаждающей воды на входе в конденсатор обычно 12—20° С, на выходе из него 30—35° С. Таким температурам конденсации соответствует глубокий вакуум (0,0035—0,0045 МПа).

Для обеспечения вакуума воздух из конденсатора откачивается с помощью вакуумного насоса через патрубок 6.

Количество охлаждающей воды для выработки 1 кВт-ч электроэнергии современной мощной конденсационной турбиной составляет от 0,12 до 0,16 м³, тогда как для КЭС установленной мощностью 1000 МВт среднегодовой расход воды будет равен не менее 20 м³/с. Это немногим меньше, чем, например, летний расход подмосковной р. Пахры близ железнодорожной станции «Ленинская». Нетрудно увидеть, что для технических нужд КЭС мощностью 2000—3000 МВт требуется «солидная» река. Поэтому строительство мощных КЭС возможно лишь вблизи крупных водоемов.

 

Теплоэлектроцентрали

К теплоэлектроцентралям (ТЭЦ) относятся электростанции, которые вырабатывают и отпускают потребителям не только электрическую, но и тепловую энергию. При этом в качестве теплоносителей служат пар из промежуточных отборов турбины, частично уже использованный в первых ступенях расширения турбины для выработки электроэнергии, а также горячая вода с температурой 100—150° С, нагреваемая отбираемым из турбины паром.

Технологическая схема ТЭЦ отличается от схемы КЭС лишь наличием промежуточных отборов пара из турбины на отопительные и технологические нужды.

Пар из парового котла поступает по паропроводу в турбину 1 ( Рис.2.8 .), где он расширяется до давления в конденсаторе и потенциальная энергия его преобразуется в механическую работу вращения ротора турбины 2 и соединенного с ним ротора генератора 3. Часть пара после нескольких ступеней расширения отбирается из турбины и направляется по паропроводу потребителю пара 7. Место отбора пара, а значит, и его параметры устанавливаются с учетом требований потребителя.

При этом чем выше требуемое давление, тем меньше число ступеней турбин до места отбора, т. е. тем меньшее количество электроэнергии вырабатывает каждый килограмм отобранного пара.

В современных турбинах предусматривается несколько мест отбора пара. Пар наиболее низких параметров используется для получения горячей воды. Такой пар по паропроводу поступает в сетевой подогреватель- теплообменник 7. Горячая вода, идущая на нужды теплоснабжения, циркулирует между сетевым подогревателем и потребителем по замкнутому контуру при помощи сетевого насоса. Система трубопроводов, обеспечивающих подачу воды от ТЭЦ потребителям и возврат охлажденной воды на ТЭЦ, носит название тепловой сети.

Централизованное снабжение потребителей тепловой энергией, полученной от отработавшего в турбине пара при производстве электрической энергии, является основой современной теплофикации.

Таким образом, из принципа действия ТЭЦ следует, что до ее конденсатора доходит только небольшое количество пара. Поэтому и потери теплоты с охлаждающей конденсатор водой на таких станциях

Рис. 2.8. Принципиальная схема ТЭЦ, снабжающей потребителей горячей водой: 1. ─ паровой котел; 2. ─ паровая турбина; 3. ─ электрогенератор; 4. ─ конденсатор; 5. ─ питательный бак; 7 ─ подогреватель-теплообменник.

 

значительно меньше, чем на конденсационных станциях, турбины которых не имеют отбора технологического пара, что, в конечном счете, приводит к более высоким тепловым и энергетическим показателям ТЭЦ.

В настоящее время разработаны и эксплуатируются теплофикационные энергоблоки мощностью 250 МВт на сверхкритических параметрах пара. Намечено также увеличение единичных мощностей теплофикационных турбин до 600 МВт.

Так как теплота на ТЭЦ расходуется на производство электрической и тепловой энергии, то различаются КПД ТЭЦ по производству и отпуску электрической энергии и по производству и отпуску тепловой энергии. Однако для совместной оценки экономической эффективности обоих процессов используется полный (общий) КПД ТЭЦ, который характеризует степень использования теплоты, расходуемой на производство обоих видов энергии одновременно. Значение этого КПД для ТЭЦ, снабженных турбинами с конденсацией и отборами пара, составляет около 60%, а для ТЭЦ, использующих турбины с противодавлением,— 75%.

 

Атомные электростанции

Привлекательность ядерной энергетики заключается в том, что при делении ядер урана ²³⁵U выделяется большое количество энергии. При полном делении 1 кг ²³⁵U выделяется 86▪10⁶ МДж (23▪10⁶ кВт- ч) энергии, а при сжигании 1 кг каменного угля выделяется только 8 кВт- ч энергии. Анализируя эти данные можно сделать вывод, что ядерное топливо эффективнее традиционного органического топлива в 3000000 раз.

Источником ядерной энергии могут быть либо тяжелые ядра, для которых возможны ядерные превращения, сопровождающиеся их делением на более мелкие ядра, либо легкие элементы, вступающие в реакции синтеза.

Рассмотрим процесс деления тяжелых ядер, лежащий в основе работы ядерного реактора АЭС. В состав атомов элементов, как известно, входят электрон, протон, нейтрон. Атомы состоят из ядер, вокруг которых вращаются электроны. Сами ядра состоят из очень плотно «упакованных» с помощью ядерных сил нейтронов и протонов. Ядерные силы действуют на очень коротких расстояниях, соизмеримых с размерами ядер, и превосходят по значению все другие силы, в том числе кулоновские силы отталкивания между протонами ядер.

Деление ядер происходит при бомбардировке их нейтронами. Поскольку нейтрон имеет нулевой заряд, кулоновские силы не могут препятствовать проникновению нейтрона в ядро. Нейтрон, который не связан с тяжелым ядром, попав в него, не изменяет полную энергию связи всех протонов и нейтронов (нуклонов) ядра, но изменяет среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон, в результате чего эта энергия в новом ядре станет меньше, чем в старом. Нуклоны станут меньше связаны друг с другом, а это приведет к тому, что в таких ядрах, как уран или плутоний, ядерных сил связи будет недостаточно для удерживания всех нуклонов вместе. Произойдет деление ядра на два других (осколки деления) с одновременным испусканием нескольких отдельных нейтронов, которые в свою очередь вызывают новые деления ядра (рис. 2.9.), при этом процесс деления сопровождается выделением огромного количества энергии.

Освобождаемая энергия проявляется в виде кинетической энергии продуктов деления (осколков), что при их торможении приводит к разогреву окружающей среды. Выделяемая тепловая энергия с помощью теплоносителей передается рабочему телу турбины для выработки электроэнергии генератором.

В современных атомных электростанциях используются в основном реакторы на тепловых (медленных) нейтронах. Рассмотрим в связи с этим, что же представляет собой наиболее распространенный в энергетике ядерный реактор на тепловых нейтронах.

 

Рис. 2.9. Схема расщепления ядра урана-235

 

В настоящее время существует несколько типов реакторов, однако всем им присущи некоторые общие черты. Все они имеют прежде всего так называемую активную зону 1 (рис. 2.10), в которую загружается

 

 

Рис. 2.10. Упрощенная схема АЭС

 

ядерное топливо, содержащее ²³⁵U и замедлитель (обычно графит или вода). Для сокращения утечки нейтронов из активной зоны последнюю окружают отражателем 2, выполненным обычно из того же материала, что и замедлитель. За отражателем снаружи реактора размещается бетонная защита 5 от радиоактивных излучений.

Загрузка реактора ядерным топливом обычно значительно превышает критическую. Чтобы по мере выгорания топлива непрерывно поддерживать реактор в критическом состоянии, в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней 4 из карбида бора. Такие стержни называют регулирующими или компенсирующими, поскольку они компенсируют дополнительную нагрузку топлива (избыточную реактивность реактора). По мере выгорания топлива эти стержни постепенно извлекаются из активной зоны.

Часть этих стержней используется также для регулирования мощности реактора, осуществляемого с помощью автоматики.

В процессе деления ядра основная доля освобожденной энергии переходит, как уже говорили, в кинетическую энергию осколков, при торможении которых выделяется теплота, отводимая теплоносителем 3 в теплообменник-парогенератор 5, где она трансформируется в рабочее тело — пар. Пар поступает в турбину 7 и вращает ее ротор, вал которого соединен с валом генератора 8. Отработавший в турбине пар попадает в конденсатор 9, после которого сконденсированная вода вновь идет в теплообменник, и цикл повторяется.

В зависимости от вида теплоносителя, нагреваемого в атом­ном реакторе, и способа его использования АЭС делятся на одноконтурные, двухконтурные и трехконтурные. Принципиальные схемы этих АЭС представлены на рис. 2.11.

 

 

Рис. 2.11. Упрощенная принципиальная схема одно-(а) и двух-(б) контурныхреакторов АЭС:

1 — ядерный реактор с первичной биологической защитой, 2 — вторичная биологическая защита, 3 — турбина, 4 — генератор, 5 — конденсатор, 6 — насос, 7 — регенеративный теплообменник, 8 — циркуляционный насос, 9 — парогенератор, 10 — промежуточный теплообменник

 

В одноконтурных АЭС (рис. 2.11а) в качестве рабочего тела паротурбинного цикла используется сам теплоноситель. Такая схема наиболее проста и дешевая в реализации, в ней отсутствуют также дополнительные потери, связанные с получением рабочего тела в двух- и трехконтурных АЭС. Однако в таких АЭС все оборудование работает в радиационно-активных условиях, что осложняет эксплуатацию энергоблока. Недостатком ее является также работа реактора на двухфазной пароводяной среде.

В двухконтурных АЭС (рис. 2.11 б) контуры теплоносителя и рабочего тела разделены. В таких схемах реактор охлаждается теплоносителем, прокачиваемым через него и парогенератор циркуляционным насосом. Пар из парогенератора поступает в турбину, затем в конденсатор, откуда после превращения в конденсат насосом подается обратно в парогенератор. Таким образом, на таких АЭС радиоактивным контуром является только первый, т. е. контур теплоносителя. В двухконтурной паротурбинной АЭС обязательным элементом является парогенератор, разделяющий оба контура.

В качестве теплоносителя в двухконтурной АЭС могут быть использованы также и какие-либо органические жидкости или газы. Двухконтурные схемы в настоящее время наиболее распространены.

Основным достоинством АЭС является относительная независимость от источников сырья (урановых месторождений) благодаря компактности горючего, легкости его транспортировки и продолжительности использования. Так на Нововоронежской АЭС на выработку 1 млн. кВт-ч электроэнергии расходуется всего около 200 г урана.

Современные АЭС на тепловых нейтронах имеют КПД несколько ниже, чем у блочных КЭС сверхкритических параметров. Капиталовложения на 1 кВт установленной мощности у них выше, хотя себестоимость вырабатываемой электроэнергии, как правило, более низкая.

Наибольшую долю электрической энергии, вырабатываемой на АЭС, в суммарном энергопроизводстве имеют: Франция ─ 78%, Бельгия ─ 60%, Украина ─ 47%, Швеция ─ 46%, Швейцария, Словения и Венгрия ─ по 40%. АЭС обеспечивают примерно 17% общемирового производства электроэнергии.