книги / Тяговые подстанции городского электрического транспорта

Энергетический баланс теплоэлектроцентрали характеризует­ ся уменьшением потерь на конденсацию до 18%. Таким образом, общий выход энергии на теплофикацию и в электросеть состав­ ляет около 60—70%.

На тепловых паротурбинных электростанциях в нашей стра­ не вырабатывается около 85% электроэнергии. Поскольку такое же соотношение сохранится и на ближайшие годы, то уменьше­ ние удельного расхода материалов, уменьшение габаритов и по­ вышение к. п. д. паротурбинных электростанций при конструиро­ вании приобретает важное значение. Улучшение экономических показателей паротурбинных электростанций достигается, в част­ ности, увеличением мощности турбин и генераторов и примене­ нием более интенсивного охлаждения последних. Если турбоге­ нератор мощностью 30 тыс. кет требует материалов 2,75 кг/квт, то у машины в 200 тыс. кет удельный расход снижается до 1,53 кг/квт, а у машин 500 тыс. кет составляет всего 0,69 кг/квт.

Важным фактором в работе турбогенератора является на­ грев его рабочих частей. Мощность паровой турбины зависит от перепада в ней температуры пара. У современных паровых тур­ бин температура пара держится около 540° С при давлении 240—250 кГ/см2. Дальнейшее повышение температуры пара вы­ зывает резкий износ материала турбин и сокращение срока их работы.

Мощность электрического генератора ограничивается нагре­ вом обмоток ротора и статора. Для более интенсивного охлаж­ дения мощных генераторов применяется водородное охлажде­ ние, а для генераторов мощностью 500 Мет— водяное.

Общий вид (разрез) главного здания ГРЭС мощностью 1200 Мет изображен на рис. 6-3.

Атомные электростанции являются самой молодой отраслью энергетики. Первая в мире атомная электростанция Академии наук СССР была пущена в опытную эксплуатацию 27 июня 1954 г., а в начале сентября 1958 г. пущена первая очередь атом­ ной электростанции мощностью в 100 Мет. В дальнейшем элект­ рическая мощность этой станции доведена до 600 Мет.

Атомные электростанции используют энергию атомных реак­ ций. В качестве ядерного горючего применяются уран и торий. Мировые запасы только одного урана содержат в 20—40 раз больше энергии, чем разведанные запасы угля и нефти; 1 кг ура­

на соответствует примерно 2000 т	первосортного угля, или
20 млн. квт-ч.	урана нейтронами ядра
Известно, что при бомбардировке

атомов урана распадаются и при этом выделяется энергия, рав­ ная 2,3* 104 квт-ч на каждый грамм урана. Около 90% этой энергии превращается в тепло.

Ядра изотопов урана U235 и U238 ведут себя по-разному при бомбардировке их нейтронами. Если ядра U235 делятся под

действием нейтронов малой и большой скорости, а наиболее эф­ фективно на эти ядра воздействуют медленные нейтроны, то ядра U238 делятся только под действием нейтронов с энергией, пре­ вышающей 1 Мэе.

Врезультате деления каждого ядра U235 появляется несколь­ ко новых нейтронов, которые, двигаясь с большой скоростью, вызывают новые деления ядер урана. Такого рода реакция с ла­ винообразным увеличением нейтронов носит название цепной реакции.

Природный уран содержит 99,283% U238 и только 0,712% U235.

Втаком уране цепная реакция невозможна, поэтому для

атомных реакторов применяют обогащенный уран с повышен­ ным содержанием изотопа U235.

Управление цепной реакцией обогащенного урана в котле производится замедлителями, в качестве которых обычно ис­ пользуют графитовые стержни. Замедлители снижают скорость движения нейтронов с 10 тыс. км/сек до 2,2 км/сек и тем самым уменьшают захват нейтронов ураном U238 и увеличивают веро­ ятность попадания нейтронов в ядра урана U235, что и обеспечи­ вает цепную реакцию.

Следует отметить и недостатки уранового топлива. Если огне­

вое топливо	сгорает почти до конца, то из урана, заложенного
в атомный	реактор,	используется только		небольшая	часть.
Оставшийся	же в	реакторе уран	может	быть повторно
использован	лишь	после химической	и механической		пере­

работки.

Разрез реактора атомной электростанции изображен на рис. 6-4. В стальном цилиндрическом кожухе реактора простран­ ство между нижней 2 и верхней 8 плитами заполняется графи­ товой кладкой 4. Сквозь графитовую кладку проходят верти­ кальные каналы, из которых большая часть является рабочими каналами 11 с ураном, а в остальных располагаются замедлите­ ли для регулирования и аварийная защита.

Активной зоной реактора является пространство в центре кладки в форме цилиндра с диаметром около 150 см и высотой 170 см.

Биологическая защита от радиоактивных излучений с боко­ вых сторон реактора обеспечивается слоем воды и бетона, а свер­ ху— графитовой кладкой и чугунной плитой 8.

Рабочий канал реактора представляет собой длинный графи­ товый цилиндр; внутрь которого вставлены урановые тепловыде­ ляющие элементы и тонкостенные стальные трубки, по которым протекает вода.

Технологическая схема атомной электростанции изображена на рис. 6-5. Атомный реактор здесь играет роль чтопкн под паро­ вым котлом.

топлива, на котором работает газовая турбина. Вследствие этого обстоятельства к. п. д. газовой турбины ниже паровой турби­ ны. Вторым недостатком газовых турбин является необходи­ мость в очень чистых продуктах сгорания в виде природного газа или специально очищенного и поэтому дорогого жидкого топлива.

Научно-исследовательские работы и перспективные разработ­ ки в области тепловых электростанций направлены как на со­ вершенствование существующих систем, так и на создание принципиально новых систем.

К таким системам относится магнитогидродинамический ге­ нератор (МГД), позволяющий получить электрическую энергию непосредственно из плазмы. Эта новая наука называется магни­

тогидродинамической. МГД не имеет котла,	турбины, ротора
и вообще никаких других подвижных частей.	Газы, разогретые

до весьма высокой температуры, образуют плазму, обладающую хорошей проводимостью. В плазме, перемещающейся в мощном магнитном поле, как в проводнике, наводится э. д. с. Таким об­ разом, тепло непосредственно превращается в электричество. Теоретические расчеты показывают, что размеры мощного МГД

должны быть	очень	большими. Это	подтверждается опыт­
ной моделью	такого	генератора	(У-02), разработанного
в 1967 г.

Вторым направлением являются работы по получению элект­ рической энергии при химических реакциях. На таком принципе созданы топливные элементы. В топливных элементах не тре­ буется высоких температур и они имеют высокий к. п. д. Топлив­ ные элементы пока что имеют очень небольшую мощность и ра­ ботают только на химически чистом кислороде и химически чистом водороде. Естественно, что это не позволяет применить топливные элементы в энергетике, где практический интерес имеют лишь дешевые виды топлива.

§ 7. Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанции используют энергию массы воды при ее падении с высоты. При этом гидроэлектростанции, построен­ ные на реках, используют энергию лишь некоторого их участка. Например, Куйбышевская гидроэлектростанция использует энер­ гию Волги от Чебоксар до Куйбышева, являясь шестой ступенью Волжского каскада.

Энергетический баланс гидроэлектростанций в процентах от энергии падающей воды характеризуется потерями в гидротех­

нических	сооружениях (около 4%),		потерей в гидротурби­
не (6%),	потерей в гидрогенераторе		(3%) и полезным выходом
энергии в сеть (87%).
Мощность		гидроэлектростанций зависит от высоты падения
воды и от ее		расхода, т. е. количества воды, проходящей через

турбину в единицу времени. В соответствии с этим гидроэлект­ ростанции подразделяются на деривационные и плотинные.

Деривационные гидроэлектростанции строятся на горных ре­ ках Кавказа, Средней Азии, Алтая. При сравнительно неболь­ шом расходе воды и большой высоте падения, доходящей до 400 м, эти станции бывают достаточно мощными.

В деривационных ГЭС вода после плотины отводится к тру­ бопроводам турбин через открытые каналы или через водоводы в виде туннелей или трубопроводов. Для уменьшения гидравли­ ческого удара такие устройства снабжаются уравнительным резервуаром — демпфером, который снижает избыточные дав­ ления.

Плотинные ГЭС используют напор воды, создаваемый плоти­ ной между верхним и нижним бьефами. В этих ГЭС напор воды значительно меньше, чем в деривационных, а необходимая мощ­

ность получается за счет большого расхода воды.	здание	ГЭС
Плотинные ГЭС бывают р у с л о в ы е , когда
является составной частью плотины, и п р и п л о т и н н ы е ,		ког­

да здание ГЭС строится отдельно от плотины в низовой ее части (рис. 7-1).

Для уменьшения стоимости строительства плотин на широ­

ких равнинных реках	советскими гидроэнергетиками	созданы
гидроэлектростанции	с о в м е щ е н н о г о т ип а . На	этих ГЭС

-только часть плотины-выполняется из железобетона, береговые же плотины и дамбы выполнены земляными. Так, например, построены Куйбышевская, Волгоградская и Горьковская ГЭС.

Преимущество гидроэлектростанций по сравнению с тепловы­ ми состоит в том, что стоимость электроэнергии на них мала

иони не истощают природные ресурсы.

Кнедостатку гидроэлектростанций относятся: высокая стои­ мость и большой срок их сооружения, а также возможность их сооружения лишь в тех местах, где имеются водные энергетиче­ ские ресурсы, а не там, где сосредоточены пдтребители электро­

энергии.

§8. Режим работы электростанций

Вработе электрических станций характерной особенностью является полное равенство между энергией, вырабатываемой

станциями, и энергией, потребляемой электроустановками и включающей все виды потерь. Иными словами, генераторы электростанций должны вырабатывать в любой момент такую активную мощность, которая покрывала бы сумму активных

нагрузок потребителей, включая потери		активной	энергии на
нагрев проводов и	стальных сердечников, и такую		реактивную
энергию, которая	соответствовала бы	энергии	магнитных

и электрических полей во включенных электрических цепях.

Рис. 7-1. Разрез по зданию Волжской ГЭС им. В. И. Ленина

/ — сороудержшающне сооружения; 2 — краны обслуживания; 3 — выводы на	открЫТую
подстанцию 500 кв; 4— мостовой кран машинного зала; 5 —«гидрогенератор;	Б — транс-
форматор; 7 — помещения электрооборудования

Изменение активных и реактивных нагрузок по времени су­ ток и в зависимости от сезона происходит по закономерности, характерной для каждой группы потребителей. В соответствии с этим достаточно строгая закономерность изменения нагрузок

Рис. 8-1. Пример суточного графика активных на­ грузок:

а — построенного по точкам; б — ступенчатого

по времени наблюдается и в энергосистемах. Эти зависимости

обычно выражают в виде	г р а ф и к о в		н а г р у з о к ,				которые
строятся для активных (кет) и реактивных				(квар)		нагрузок. По
продолжительности графики бывают суточными и годовыми.
	Суточный график нагрузок стро­
ai	ят в соответствии				с	показаниями
	электроизмерительных						приборов
	(рис. 8-1,а). Однако для						простоты
	построения		и удобства			пользования
	строят	графики		ступенчатой формы
	(рис. 8-1,6). Построение ступенча­
	того графика ведут таким образом,
	чтобы площадь,			заключенная				меж­
	ду кривой и осью абсцисс этого гра­
	фика,	наиболее			полно		выражала
	среднее	значение			электроэнергии,
	выработанной электростанцией в те­
	чение суток.
	Годовые		графики обычно строят
	по месяцам года, отражают они
	максимальные			суточные			нагрузки
	в каждом месяце				(рис. 8-2,а).
	Пользуясь подобными						графика­
	ми, можно определить, какое число
Рис. 8-2. Примеры годовых	агрегатов должно находиться							в ра­
графиков:	боте по месяцам				года,	и в соответ­
мальных нагрузок; б — по про­	ствии с этим составлять планы капи­
а —изменения суточных макси­	тальных ремонтов				оборудования.
должительности нагрузки