Федоров С.А. Экология энергетики

Подождите немного. Документ загружается.

Главная проблема при выработке электроэнергии— найти ис-

точник энергии для вращения генератора. Самый распространенный

метод — кипячение воды для получения пара с высоким давлением.

Пар подается на лопасти турбины (рис. 2.9), соединенной с генера-

тором. Комплекс «турбина и генератор» называется турбогенерато-

ром. Для нагревания воды можно использовать любой источник те-

пла. Сейчас это в основном уголь, нефть и ядерное топливо.

Рис. 2.9. Основные

способы выработки

электроэнергии

На ТЭС химическая энергия топлива преобразуется сначала в

механическую, а затем в электрическую. Топливом для такой стан-

ции могут служить уголь, торф, горючие сланцы, мазут. ТЭС под-

разделяют на конденсационные (КЭС), предназначенные для выра-

ботки только электрической энергии, и теплоэлектроцентрали

(ТЭЦ),

производящие кроме электрической тепловую энергию в ви-

де горячей воды

пара. Крупные

КЭС

районного значения получи-

ли название государственных районных электростанций (ГРЭС).

Первая

мире АЭС, преобразующая энергию расщепления ядер

атомов тяжелых элементов

электрическую, была построена

1954

г.

в СССР

в г.

Обнинске. Основным тепловым агрегатом

АЭС, как и

ГЭС,

является паротурбинная установка. Средой, преобразующей

те-

пловую энергию

механическую, также служит водяной

пар.

Прин-

ципиальное отличие АЭС

от

ТЭС

том,

что

теплота, необходимая

для

выработки пара, получается

не при

сгорании органического топлива,

при

расщеплении ядер тяжелых элементов

ядерных реакторах.

Та-

кими элементами являются природный изотоп урана

235

U и

получае-

мые искусственным путем изотоп урана

233

плутоний

239

Ри

. Из

1 кг

урана можно получить столько

же

теплоты, сколько получается

при сжигании примерно

ООО

каменного угля.

Любая электростанция должна вырабатывать электроэнергию

возможно меньшими затратами.

Для

уменьшения стоимости

1 кВт

установленной мощности

на

электростанциях одного

того

же

типа

и параметров стремятся увеличивать единичную мощность основ-

ных агрегатов

мощность электростанции

целом. Таким образом,

концентрацией мощностей удешевляется энергия

снижаются

за-

траты

на ее производство.

Передача электроэнергии

Согласно закону

Ома

сила тока пропорциональна напряжению:

U=IR,

(2.1)

где

R —

электрическое сопротивление.

некоторых материалах

(на-

пример,

полупроводниках) сопротивление

зависит

от

величины

напряжения,

закон

Ома в

этом случае, строго говоря,

не

выполняет-

ся.

Электрическая энергия удобна

тем, что

легко преобразуется

другие виды энергии. Например, электродвигатели преобразуют

электроэнергию

механическую.

электронагревательных прибо-

pax получается тепловая энергия. Согласно закону Джоуля—Ленца

выделяющаяся в сопротивлении R тепловая мощность

P=I

R. (2.2)

Соотношение (2.2) можно преобразовать, учитывая закон Ома:

P = U

/R, (2.3)

P = UL (2.4)

Уравнение (2.4) имеет более общий характер, чем два преды-

дущие, и позволяет определить мощность, выделяющуюся на участ-

ке цепи или источником тока, даже если в цепь включены не только

потребители тепловой энергии (например, электромоторы).

Упражнение

Рассчитайте сопротивление 12-вольтовой автомобильной лампочки

мощностью 40 Вт.

Электростанции часто располагаются далеко от промышленных

городов, ГЭС строятся на больших реках, для АЭС также требуется

большое количество охлаждающей воды. Крупные ТЭС стараются

строить вдали от городов с целью уменьшить загрязнение воздуха. В

любом случае электроэнергию приходится передавать на большие

расстояния. Ясно, что чем меньше сила тока при передаче, тем

меньше потери (см. уравнение (2.2)). По этой причине в линиях

электропередач увеличивают напряжение — оно достигает 700 кВ.

Генераторы на электростанциях не вырабатывают столь высокие

напряжения, бытовое напряжение также намного ниже. Переменное

напряжение удается легко регулировать с помощью трансформато-

ров:

напряжение, вырабатываемое на электростанциях, перед пода-

чей в линию повышается, а в городах, на выходе у потребителя, оно

в несколько этапов понижается.

Упражнения

Поселок потребляет среднюю электрическую мощность 120 кВт от

электростанции, расположенной на расстоянии 10 км. Полное сопротивле-

ние линии передачи — 0,4 Ом. Определите потери мощности при напряже-

нии на выходе электростанции:

а) 240 В; б) 24 000 В.

В доме используются приборы— нагреватель мощностью 3,5 кВт

в течение 2,5 ч в сутки, 6 ламп по 100 Вт — 5 ч в сутки, электроплита мощ-

ностью 3,3 кВт — 1,2 ч в сутки и ряд других приборов, расходующих в

среднем 1,6 кВт • ч в сутки. Сколько угля (его теплотворная способность

ООО

ккал/кг) придется сжечь на тепловой станции, КПД которой 35 %,

чтобы обеспечить этот дом электроэнергией в течение года?

Электростанция снабжает электроэнергией завод по проводам с

сопротивлением 3,2 Ом. Потребляемая мощность — 360 кВт. Насколько

уменьшатся потери, если напряжение в линии электропередач повысить с

ООО

до 40

ООО

В?

Для обогрева комнаты объемом 36 м

используется электрический

нагреватель. Воздух поступает с улицы при температуре 5 °С и полностью

обновляется дважды в час. Потери тепла через стены составляют примерно

500 ккал/ч. Какую мощность должен иметь нагреватель, чтобы температура

воздуха в комнате поддерживалась на уровне 20 °С? Удельная теплоем-

кость воздуха — 0,17 ккал/кг

•

°С.

3. Тепловые электростанции (ТЭС)

Принципы работы угольных

ТЭС.

Подготовка угля

Около

80 %

электроэнергии, вырабатываемой

России, прихо-

дится

на

долю

ТЭС,

использующих каменный уголь, торф, сланцы,

мазут

природный

газ.

Топливо сжигается

паровых котлах,

при

этом получается

пар,

приводящий

движение паровые турбины.

Турбины вращают соединенные

ними генераторы электрической

энергии.

Рассмотрим вкратце работу угольной электростанции. Уголь

подается железнодорожными составами, которые опорожняются

помощью вагоноопрокидывателя. Ленточные транспортеры достав-

ляют уголь

на

склад,

где

хранится двухнедельный,

иногда двухме-

сячный запас топлива.

Лучше всего сжигать уголь

виде пыли. Поэтому сначала

его

дробят

на

куски,

затем транспортеры

III

доставляют топливо

на

верхний этаж котельной

ссыпают

бункера

121

(рис.

3.1). Из

бун-

керов уголь поступает

во

вращающиеся барабаны мельниц

/3/.

Стальные шары, перекатываясь

по

барабану, превращают куски угля

в мелкую пыль. Мощные вентиляторы

—

эксгаустеры

—

прогоняют

через мельницы топочные газы

или

горячий воздух, которые просу-

шивают пыль. Затем

ее

вдувают

топки. Сгорая, угольная пыль

об-

разует факел температурой

до 1 500

°С.

Для

полного

ее

сгорания

вентиляторы подают

горелки воздух. Чтобы

не

тратить

на

нагрев

воздуха значительного количества тепла,

его

предварительно подог-

ревают дымовыми газами

воздухоподогревателе

191.

Пламя

топке нагревает воду

тонких трубках

/6/,

которыми,

как экраном, покрыты изнутри стенки котла.

Раскаленные газы проходят

по

дымоходу, отдавая свое тепло

сначала воде, циркулирующей

густой сети кипятильных трубок /6/,

затем пару, проходящему

по

змеевикам пароперегревателя

111.

Еще

дальше

по

дымоходу

они

попадают

экономайзер /8/

—

приспособ-

ление,

котором подогревается поступающая

котел вода,

а за ним

—

воздухоподогреватель.

Рис. 3.1. Разрез котельной и машинного зала электростанции

Для создания тяги перед трубами устанавливают мощные вен-

тиляторы — дымососы (рис. 3.2). Дымовые газы несут в себе много

золы и примесей. Очистка газов производится в специальных золо-

уловителях. Оттуда зола водой смывается в отстойники, а затем ее

отвозят на золовые отвалы.

Рис. 3.2

Циркуляция воды

На тепловых угольных электростанциях используются барабан-

ные или прямоточные паровые котлы. В барабанных используется

большой неподвижный барабан

151

(рис. 3.1), в верхней части кото-

рого собирается пар . В прямоточных вода непрерывно движется по

трубам, превращаясь по пути в пар. Такие котлы устанавливают на

мощных электростанциях, работающих при давлении пара свыше

100 атм.

Пар образуется в экранных трубках, далее поступает в змеевики

пароперегревателя, где нагревается до очень высокой температуры.

Затем по паропроводам, покрытым толстым слоем теплоизоляции,

он направляется в машинный зал на турбины /10/ под давлением 170

атм и при температуре 530 °С.

Использование паровых турбин имеет свои особенности. Их

нельзя сразу нагружать на полную мощность, как водяные турбины

на ГЭС. Прогрев паровых турбин на холостом ходу может занимать

несколько часов. Паровые турбины чувствительны к качеству пара:

сырой или загрязненный пар может вызвать повреждение лопаток

рабочих колес.

Чем выше параметры пара на входе в турбину и чем ниже они на

выходе из нее, тем больше энергии пара использует турбина. Высокие

параметры пара создает паровой котел. Чтобы понизить их на выходе

из турбины, пар направляют в конденсатор

/11/.

Внутри него по тон-

ким латунным трубам непрерывно циркулирует холодная вода, пре-

вращая пар в конденсат. Конденсат — очень чистая вода, в которой не

содержится химических и механических примесей. Сконденсировав-

шийся пар возвращают обратно в котел.

Однако перед подачей конденсат направляют в деаэратор. Здесь

конденсат нагревают и удаляют из него пузырьки воздуха. При вы-

соких давлениях и температурах кислород активно окисляет стенки

кипятильных трубок.

Очищенный от кислорода конденсат (питательная вода) предва-

рительно прогоняется по трубам подогревателя и экономайзера,

обогреваемого дымовыми газами.

Для возмещения утечек и потерь воды на каждой электростан-

ции существуют участки подготовки воды. Насосы забирают воду из

реки или озера и подают ее в установки для химической очистки.

Если такой очистки недостаточно, воду направляют в испарители,

подогреваемые паром, отобранным из турбин. После испарения и

конденсации получается дистиллированная вода. В деаэраторе ее

смешивают с конденсатом, затем направляют в котел, возмещая все

потери пара и конденсата.

Если электростанция находится на берегу реки, циркуляцион-

ные насосы забирают воду для конденсаторов из реки. Пройдя через

конденсаторы, теплая вода сливается обратно в реку. Расход воды

при этом достаточно большой. Например, для турбины мощностью

150 тыс. кВт — свыше 20 тыс. м

/ч, что примерно соответствует по-

треблению воды городом с населением 200 тыс. человек. Темпера-

тура охлаждающей воды повышается с 25 до 35 °С.

Если воды в реке недостаточно или электростанция расположена

далеко от источников воды, осуществляется оборотное водо-

снабжение. Используются специальные пруды, бассейны с брызга-

тельными установками или градирни. Выходящая из конденсаторов

горячая вода поступает в них, охлаждается и возвращается обратно. В

градирне возникает значительная тяга, так что часть воды испаряется

и уносится в атмосферу. На электростанции мощностью 1 300 МВт

потери влаги могут составлять 1 м

/с .

Обычно на электростанциях устанавливают по несколько котлов

и турбин. На электростанциях малой и средней мощности пар от кот-

лов поступает в общий паропровод, а затем распределяется между

турбинами. Для больших электростанций с котлами и турбинами вы-

сокого и сверхвысокого давления применяют блочные схемы, при

которых два котла работают на одну турбину. По таким блочным

схемам строятся ТЭС мощностью свыше 1 млн кВт.

Получение и распределение электрической энергии на ТЭС

Паровые турбины приводят в движение электрические генера-

торы, которые вырабатывают переменный ток частотой 50 Гц и на-

пряжением до 15 кВ.

Обычно турбины имеют скорость 3 тыс. об/мин, а ротор генера-

тора делается двухполюсным. Это позволяет соединять вал турбины

непосредственно с валом генератора без промежуточных передач.

Полученная электрическая энергия делится на три основных

потока:

Часть ее отправляется различным потребителям, располо-

женным недалеко от электростанции.

Небольшая часть идет в распределительное устройство для

собственных нужд, от которого питаются электрические двигатели

всех вспомогательных механизмов станции. Эти механизмы потреб-

ляют до 8 % электроэнергии, вырабатываемой на электростанции.

Основная часть электроэнергии предназначается для потре-

бителей, расположенных далеко от электростанции. Передачу тока

на

большие расстояния осуществляют при напряжении 110—220 кВ

(есть линии 500 кВ) с помощью повышающей трансформаторной

подстанции через высоковольтные линии электропередач.

ТЭЦ и КЭС

ТЭС,

в которой весь пар, прошедший через турбину, попадает в

конденсатор, называется конденсационной (КЭС). КПД таких стан-

ций составляет 35—40 %.

Станции, на которых вырабатываются и электроэнергия, и теп-

ло,

называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). На них использу-

ются специальные теплофикационные турбины. Обычно они состоят

из двух цилиндров — высокого и низкого давления — и допускают

отбор пара. Часть пара, отработанную в нескольких ступенях турби-

ны

или в цилиндре высокого давления, направляют потребителям

тепловой энергии (см. рис. 3.2). Открытая система отпуска тепла,

при которой часть циркулирующей воды прямо используется потре-