I. Общие сведения об электрических станциях, подстанциях и электроэнергетических системах

I.1. Компоненты электроэнергетической системы. Их назначение

Энергосистема – совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей и потребителей электрической и тепловой энергии, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства, распределения и потребления электрической и тепловой энергии.

Электроэнергетическая система – часть энергосистемы за исключением тепловых сетей и потребителей тепла.

Компоненты ЭЭС:

а) электростанции – установки, производящие электро- и тепловую энергию;

б) подстанции (п/ст) – электроустановки, предназначенные для преобразования электрической энергии одного напряжения (частоты) в электроэнергию другого напряжения (частоты) и распределения её между ЛЭП и потребителями;

в) ЛЭП – система проводов или кабелей, предназначенных для передачи электроэнергии от источника к потребителю;

г) потребители электроэнергии.

Совокупность ЛЭП и подстанций образуют электрическую сеть.

I.1.1. Электрические станции

а) Классификация электростанций

В настоящее время в выработке электроэнергии участвуют электрические станции следующих типов (см. рис.I.2): 1) теплоэлектростании с паротурбинными (ТЭС с ПТУ), парогазовыми (ТЭС с ПГУ) и газотурбинными (ТЭС с ГТУ) установками; 2) атомные электростанции (АЭС); 3) гидроэлектостанции (ГЭС) и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС); 4) электростанции, использующие нетрадиционные источники электроэнергии (солнечные (СЭС), ветровые (ВЭС), геотермальные (ГеоТЭС), приливные (ПЭС); 5) дизельные электростанции (ДЭС).

Рис. I.2. Классификация ЭС

ВВЭР – водо-водяной энергетический реактор;

РБМК – реактор большой мощности канальный;

БН – реактор на быстрых нейтронах;

Основную часть ЭЭ вырабатывают: КЭС, ТЭЦ, АЭС, ГЭС. Наиболее перспективными являются ТЭС с ПГУ, АЭС с ректорами ВВЭР и на быстрых нейтронах, а также Электростанции, использующие нетрадиционные источники энергии.

б) Особенности технологического процесса производства электрической энергии на электростанциях различного типа.

б.1) КЭС.

б.1.1) Особенности КЭС.

1. Генерация электроэнергии происходит по следующей схеме (см. рис. I.3):

Рис. I.3. Структурная схема генерация электроэнергии КЭС

2. Основной вид топлива уголь, газ и мазут.

3. В отечественной энергетике на долю КЭС приходится примерно 60% выработки электроэнергии.

4. КПД составляет 33-42 %, т.к. основное количество тепла теряется в конденсаторе.

5. КЭС удалены от потребителей электроэнергии, т.к. их строительство определяется условиями водоснабжения и влиянием выбросов ЭС на окружающую среду.

6. Станции низкоманевренные.

Пуск паротурбинного блока 200 – 500 МВт из холодного состояния длится не менее 10 – 12 часов.

7. Современная КЭС активно воздействует на окружающую среду, особенно на атмосферу и гидросферу.

Влияние на атмосферу заключается в выбросе значительного количества продуктов сгорания, а влияние на гидросферу – в сбросе большого количества горячей воды из конденсаторов, а также в сбросе промышленных стоков.

б.1.2). Принципиальная технологическая схема энергоблока КЭС

Схема представлена на рис.. I.4.

Рис. I.4. Принципиальная технологическая схема энергоблока КЭС

1. – склад топлива и система топливоподачи

2. – система топливоприготовления (только для угля)

3. – котёл (парогенератор)

4. – турбина

5. – конденсатор

6. – циркуляционный насос

7. – конденсатный насос

8. – питательный насос

9. – горелки котла

10. – дутьевой вентилятор

11. – дымосос

12. – воздухоподогреватель

13. – водяной экономайзер

14. – подогреватель низкого давления

15. – деаэратор

16. – подогреватель высокого давления

17. – дымовая труба

18. – источник воды (водоём)

П – пар

ПВ – питательная вода (очищенная)

К – конденсат

Т – топливо (газ, уголь, мазут)

ГПС – газообразные продукты сгорания (дымовые газы)

В – сырая вода

ГШС – гидрошлаковая смесь

ХОВ – химически очищенная вода

Г – генератор

БТ – блочный трансформатор

ТСН – трансформатор собственных нужд.

Технологическая схема КЭС состоит из семи систем:

1. топливного хозяйства;

2. основного пароводяного тракта;

3. циркуляционного водоснабжения;

4. газовоздушного тракта;

5. золошлакоудаления (только на станциях, работающих на угле);

6. водоподготовки;

7. электрической части станции.

1. Топливное хозяйство предназначено для приёма, хранения, подготовки и подачи топлива в котёл.

2. Основной пароводяной контур предназначен для превращения пара, вышедшего из котла (парогенератора) в конденсат (функции конденсатора), превращения конденсата в питательную воду (функция деаэратора), превращение питательной воды в пар (функция котла) и поступления пара в турбину для создания её вращательного движения.

3. Система циркуляционного водоснабжения предназначена для подачи холодной циркуляционной воды в змеевик конденсатора, тем самым охлаждая пар и превращая его в конденсат.

4. Газовоздушный тракт служит для подачи воздуха в котёл и отвода дымовых газов.

5. Система золошлакоудаления предназначена для удаления из котла образующейся в результате сгорания топлива золы, и отвода гидрошлаковой смеси в специальные устройства – золоотвалы.

6. Система водоподготовки служит для:

1) взятия из водоёма воды, её очищения и превращения в химически очищенную воду;

2) восполнения потерь очищенной воды, циркулирующей в основном пароводяном контуре, путём подачи в деаэратор хим. очищенной воды.

7. Электрическая часть станций предназначена для преобразования механической энергии вращения турбины в электрическую, выдачи основной её части в ЭЭС и обеспечение электроснабжения системы собственных нужд.

б.2) ТЭЦ.

б.2.1) Характеристика ТЭЦ.

1. Генерация электроэнергии происходит по схеме, аналогичной для КЭС.

2. Основной вид топлива – уголь, газ и мазут.

3. На долю ТЭЦ приходится примерно 5% выработки электроэнергии страны.

4. КПД достигает 50-75 % за счёт одновременной выработки электроэнергии и тепла.

5. ТЭЦ расположены вблизи центров электрических нагрузок – городов, т.к. их основная задача – обеспечить теплом город. Следовательно, они привязаны к потребителю.

6. Станции низко маневренные, т.к. пуск генератора из холодного состояния может занимать несколько часов, а изменение мощности может занимать несколько десятков минут.

7. Влияние ТЭЦ на окружающую среду аналогично влиянию КЭС.

б.2.2) Принципиальная технологическая схема ТЭЦ.

Технологическая схема ТЭЦ имеет большое сходство со схемой КЭС. Основное отличие заключается в специфике паро-водяного контура выдавать тепло на производственные и теплофикационные нужды и способе выдачи эл. энергии.

Особенности технологической схемы показаны на рис. I.5.

Рис. I.5. Принципиальная технологическая схема энергоблока ТЭЦ (СН – сетевой насос; СП – сетевой подогреватель; МН – местная нагрузка)

Технологическая схема ТЭЦ состоит из 8 систем. 7 систем аналогичны схеме КЭС. 8-я называется система сетевого водоснабжения. Она предназначена для подогрева сырой воды, идущей на теплофикационные нужды (функция сетевого подогревателя) и создания её циркуляции в теплофикационной сети (функция сетевого насоса).

б.3) АЭС.

б.3.1) Особенности АЭС.

1. Схема генерации электроэнергии представлена на рис. I.6:

Рис. I.6. Структурная схема генерация электроэнергии АЭС

2. Топливом на АЭС служит:

1. Для реакторов типа ВВЭР и РБМК – изотоп урана U-235, который расщепляется под действием тепловых нейтронов.

2. Для реакторов типа БН – уран-238 и плутоний плутоний-239, который образуется при бомбардировке быстрыми нейтронами урана-238.

3. На долю АЭС приходится примерно 16% выработки электроэнергии страны.

4. КПД составляет 28-33 %.

5. АЭС выгодно оснащаются энергоблоками большой мощности, тогда по своим технологическим показателям они не уступают КЭС.

6. Маневренность АЭС такая же, как у ТЭС, т.е. низкая, так как в основном пароводяном контуре имеется паровая турбина.

7. Влияние на окружающую среду.

Влияние на атмосферу почти не оказывают, т.к. не имеет выбросов дымовых газов и не имеет отходов в виде золы и шлаков.

Влияние АЭС на гидросферу аналогично влиянию КЭС.

Важной особенностью воздействия АЭС на окружающую среду является необходимость захоронения радиоактивных отходов.

б.3.2) Типы и устройство ядерных реакторов

Ядерный реактор - аппарат, в котором происходят ядерные реакции превращения одних химических элементов в другие. Для этих реакций необходимо наличие в реакторе делящегося вещества, которое при своем распаде выделяет элементарные частицы (нейтроны), способные вызвать распад других ядер.

В зависимости от скорости элементарной частицы выделяют два вида нейтронов: быстрые и медленные. Нейтроны разных видов по-разному влияют на ядра делящихся элементов. Уран-238 делится только быстрыми нейтронами. При его делении выделяется энергия и образуется 2-3 быстрых нейтрона. Вследствие того, что эти быстрые нейтроны замедляются в веществе урана-238 до скоростей, неспособных вызвать деление ядра урана-238, цепная реакция в уране-238 протекать не может. Поскольку в естественном уране основной изотоп - уран-238, то цепная реакция в природном уране протекать не может. В уране-235 цепная реакция протекать может, так как наиболее эффективно его деление происходит, когда нейтроны замедлены в 3-4 раза по сравнению с быстрыми, что происходит при достаточно длинном их пробеге в толще урана без риска быть поглощенными посторонними веществами или при прохождении через вещество, обладающее свойством замедлять нейтроны, не поглощая их. Поскольку в естественном уране имеется достаточно большое количество веществ, поглощающих нейтроны (тот же уран-238, который при этом превращается в другой делящийся изотоп - плутоний-239), то в современных ядерных реакторах необходимо для замедления нейтронов применять не сам уран, а другие вещества, мало поглощающие нейтроны (например, графит). Обыкновенная вода нейтроны замедляет очень хорошо, но сильно их поглощает. Поэтому для нормального протекания цепной реакции при использовании в качестве замедлителя обыкновенной легкой воды необходимо использовать уран с высокой долей делящегося изотопа – урана-235 (обогащенный уран). Обогащенный уран производят по достаточно сложной и трудоемкой технологии на горнообогатительных комбинатах, при этом образуются токсичные и радиоактивные отходы. Графит хорошо замедляет нейтроны и плохо их поглощает. Поэтому при использовании графита в качестве замедлителя можно использовать менее обогащенный уран, чем при использовании легкой воды. При попадании медленного нейтрона в ядро урана-235 он может быть захвачен этим ядром. При этом произойдет ряд ядерных реакций, итогом которых станет образование ядра плутония-239. (Плутоний-239 в принципе может тоже использоваться для нужд ядерной энергетики, но в настоящее время он является одним из основных компонентов начинки атомных бомб.) Поэтому ядерное топливо в реакторе не только расходуется, но и нарабатывается. У некоторых ядерных реакторов основной задачей является как раз такая наработка.

Другим способом решить проблему необходимости замедления нейтронов является создание реакторов без необходимости их замедлять – реакторов на быстрых нейтронах. В таком реакторе основным делящимся веществом является не уран, а плутоний. Уран же (используется уран-238) выступает как дополнительный компонент реакции - от быстрого нейтрона, выпущенного при распаде ядра плутония, произойдет распад ядра урана с выделением энергии и испусканием других нейтронов, а при попадании в ядро урана замедлившегося нейтрона он превратится в плутоний-239, возобновляя тем самым запасы ядерного топлива в реакторе. В связи с малой величиной поглощения нейтронов плутонием цепная реакция в сплаве плутония и урана-238 идти будет, причем в ней будет образовываться большое количество нейтронов.

Таким образом, в ядерном реакторе должен использоваться либо обогащенный уран с замедлителем, поглощающем нейтроны (ректоры типа ВВЭР), либо необогащенный уран с замедлителем, мало поглощающем нейтроны (ректоры типа РБМК), либо сплав плутония с ураном без замедлителя (ректоры типа БН).

В зависимости от вида нейтронов, используемых в ядерной реакции, выделяют реакторы не тепловых (медленных) нейтронах и реакторы на быстрых нейтронах. К реакторам на тепловых нейтронах относятся реакторы типа ВВЭР и РБМК, к реакторам на быстрых нейтронах – реакторы типа БН.

Одними из основных элементов конструкции реактора, работающего на тепловых нейтронах, являются ядерное топливо, теплоноситель замедлитель и поглотитель (рис. I.17). В реакторах на быстрых нейтронах присутствуют те же элементы, кроме замедлителя.

Теплоноситель передает энергию из реактора в парогенератор, а замедлитель замедляет скорость нейтронов, преобразуя быстрые нейтроны в тепловые. В водо-водяном энергетическом реакторе вода является теплоносителем и замедлителем одновременно, в ректоре большой мощности канальном вода является теплоносителем, графитовая кладка, образующая канал – замедлитель. В ректорах БН теплоносителем является жидкий натрий, который в отличие от воды является плохим замедлителем.

Поглотитель поглощает нейтроны, уменьшая их количество в активной зоне, тем самым позволяя управлять ядерной реакцией. Управление производится регулирующими стержнями из бороциркониевого сплава и оксида европия.

Ядерным топливом в реакторах ВВЭР является обогащенный до 4.5% уран, в реакторах РБМК – уран, обогащенный до 2,8%, в ректорах БН – плутоний и уран-238.

Рис. I.7. Схематическое устройство ядерного реактора на тепловых нейтронах: 1 – регулирующий стержень (поглотитель); 2 – биологическая защита; 3 – теплоизоляция; 4 – замедлитель; 5 – ядерное топливо; 6 – теплоноситель

Ректор типа РБМК располагает рядом преимуществ по сравнению с ВВЭР. Во первых его топливо имеет более низкую стоимость. Во вторых он обладает непрерывным эксплуатационным циклом, тогда как при перегрузке топлива в реакторе ВВЭР, которая осуществляется 1 раз в 4-6 месяцев, необходимо останавливать реактор. Несмотря на это, РБМК имеет очень существенный недостаток

В реакторе ВВЭР при появлении в активной зоне пара или при повышении температуры теплоносителя, приводящего к снижению его плотности, падает количество столкновений нейтронов с атомами молекул теплоносителя, уменьшается замедление нейтронов, вследствие чего все они уходят за пределы активной зоны, не реагируя с другими ядрами. Реактор останавливается.

В реакторе РБМК при вскипании воды или повышении ее температуры, приводящее к снижению ее плотности, уходит ее нейтронопоглощающее действие (замедлитель в этом реакторе и так уже есть, а у пара коэффициент поглощения нейтронов гораздо ниже, чем у воды). В реакторе нарастает цепная реакция и он разгоняется, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению температуры воды и ее вскипанию.

Следовательно, при возникновении нештатных ситуаций работы реактора, сопровождающихся его разгоном, реактор ВВЭР заглохнет, а реактор РБМК продолжит разгон с нарастающей интенсивностью, что может привести к очень интенсивному тепловыделению, результатом которого будет расплавление активной зоны реактора. Данное последствие очень опасно, так как при контакте расплавленных циркониевых оболочек с водой происходит разложение ее на водород и кислород, образующих крайне взрывчатый гремучий газ, при взрыве которого неизбежно разрушение активной зоны и выброс радиоактивных топлива и графита в окружающую среду. Именно по такому пути развивались события при аварии на Чернобыльской АЭС.

б.3.3) Принципиальные технологические схемы АЭС.

Технологическая схема АЭС зависит в основном от типа реактора. Схема может быть одноконтурная, двухконтурная и трёхконтурная.