4. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ПРОИЗВОДСТВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.2. Видыэлектростанций

Электрические станции, которые стали интенсивно строиться в 70–80-х гг. ХIХ в. и продолжают строиться в настоящее время, можно классифицировать по первичной энергии на следующие виды:

тепловые, включая атомные; гидравлические; ветровые; гелиостанции; геотермальные; приливные и др.

Тепловые электростанции, в зависимости от типа первичного двигателя (а электрическая энергия пока является только вторичной энергией), подразделяются на электростанции:

спаровыми турбинами – КЭС (конденсационные) или ГРЭС (государственная районная электростанция), вырабатывающие только электрическую энергию;

степлофикационными турбинами – ТЭЦ, в которых одна часть тепловой энергии отдается потребителям в виде горячей воды или пара, а другая часть идет на выработку электроэнергии;

споршневыми машинами – локомобилями или дизелями;

сгазовыми турбинами;

атомные и др.

Рассмотрим кратко, что собой представляют перечисленные виды электростанций.

4.2.1. Тепловыеэлектростанции

Тепловые электростанции используют для выработки энергии органическое топливо. По виду вырабатываемой энергии ТЭС бывают конденсационными (КЭС), вырабатывающими только электрическую энергию, и теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), вырабатывающими не только электрическую, но и тепловую энергию [30].

Тепловые электростанции (ТЭС) состоят из основных крупных узлов, представленных на рис. 4.1.

Котельная установка (реактор) служит для выработки пара из воды за счет использования тепла топлива (угля, торфа, нефти, мазута и т. д.).

Вкотельную установку входит топка, где происходит сжигание топлива,

ипаровой котел. Кроме этого в нее входит пароперегреватель, экономайзер (для подогрева питательной воды), воздухоподогреватель (для подогрева воздуха для топки). Котельная установка имеет также вспомогательное оборудование: тягодувное устройство – естественное (в виде высокой трубы) или искусственное (дутьевые вентиляторы); золоуловители (фильтры); систему водоподготовки (очистка воды).

История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие

-118-

4.РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ПРОИЗВОДСТВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.2.Виды электростанций

Рис. 4.1. Схема ТЭС

Рис. 4.2. Паровая турбина

9

Р

Рис. 4.3. Схема КЭС

История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие

-119-

4.РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ПРОИЗВОДСТВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.2.Виды электростанций

Паровая турбина (рис. 4.2) состоит из вала, на котором прочно насажены диски. На ободах этих дисков закреплены особо изогнутые рабочие лопатки. Вал вращается на подшипниках. Пар из котла по соплам поступает на рабочие лопатки турбины и заставляет вал турбины вращаться. Выходя из пространства турбины, пар конденсируется, чтобы создать больший перепад давления, ускорить протекание пара и повысить эффективность цикла. Давление уменьшается со 100 до 0,4 атм.

Электрогенератор вырабатывает электрическую энергию, которая поступает на преобразовательную подстанцию. Его ротор находится на одном валу с турбиной.

Технологическая схема КЭС, приведенная на рис. 4.3, включает в се-

бя:

топливное хозяйство 1 и топливоподачу 2, где топливо проходит специальную обработку. Например, уголь дробится, сушится и измельчается в пыль;

котел и воздухоотдувку. В топке котла 3 происходит сгорание топлива и нагревание теплоносителя – воды, проходящей по трубам через топку; наряду с топливом в котел поступает воздух, подаваемый специальным насосом – воздухоотдувкой 5;

пароперегреватель – паропровод – паровую турбину – генератор. На выходе из котла теплоноситель перегревается в пароперегревателе 4 и по паро- про-воду 9 поступает в паровую турбину 10; в турбине энергия пара преобразуется в механическую работу вращения вала, связанного специальной муфтой с валом генератора 13, преобразующего механическую энергию в электрическую;

газовоздушный тракт – золоуловитель, дымосос, дымовую трубу и конденсатор. Продукты сгорания из котла проходят очистку в золоуловителях 7 и фильтрах, очищенные газы с помощью дымососов 6 выбрасываются через дымовую трубу 8 в атмосферу. На выходе из турбины пар охлаждается в конденсаторе 11, превращается в воду – конденсат, и часть ее подается насосом 12 обратно в котел, а другая часть по водопроводу 16 поступает в водохранилище 17. В качестве охладителя пара используется, как правило, подаваемая циркуляционными насосами 14 по водопроводу 15 холодная вода из специально создаваемых водоемов 17 – водохранилищ, брызгальных бассейнов, градирен.

4.2.2. Газотурбинныеэлектростанции

Газотурбинные электростанции работают примерно по тому же принципу, что и паротурбинные, но в качестве рабочего вещества используется не водяной пар, а газ – продукт сгорания топлива или природный газ. Применение газовых турбин в настоящее время – одно из перспективных путей снижения затрат на получение электрической и тепловой энергии. Для них характерно блочно-модульное исполнение, высокие технические характеристики, малые габариты (так как не требуется паровой котел и паропроводы). Для повышения эффективности они укомплектовываются водяным котломутилизатором, КПД с таким котлом примерно равно 77 %.

История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие

-120-

4.РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ПРОИЗВОДСТВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.2.Виды электростанций

4.2.3.Гидроэлектростанции

Вгидростанциях (ГЭС) для производства электроэнергии используется энергия движущейся воды (рис. 4.4). Первичными двигателями электрогенераторов являются гидротурбины, в которых потенциальная и кинетическая энергия воды преобразуется в механическую энергию для вращения ротора генератора [30, 31].

Гидротурбина состоит из рабочего колеса и направляющего устройст-

ва. Рабочее колесо жестко закреплено на валу турбины, имеет на своем ободе по всему периметру ряд особо изогнутых лопаток.

Направляющее устройство придает движению воды нужное направление и регулирует количество воды, поступающее в турбину с помощью поворотных лопаток. Механизм разворота направляющих лопаток связан с регулятором турбины, поддерживающим постоянное число оборотов турбины и тем самым частоту тока. Из рабочего колеса вода отводится через всасывающую трубу в нижний бьеф гидростанции.

Мощность Рт, развиваемая турбиной на валу, зависит от расхода воды Q‚ м3/с, напора воды Н, м (т. е. от разности высот воды между верхним и нижним бьефом реки), и коэффициента полезного действия k гидротурбины:

Рт = QНk.

(4.1)

Гидроэнергетика России характеризуется высокой степенью концентрации мощностей. Крупнейшие российские ГЭС приведены в табл. 4.1.

На рис. 4.5 показан вид Саяно-Шушенской ГЭС, высота ее плотины– 245 м.

В60–80-е гг. XX в. во многих странах наметился некоторый спад

встроительстве крупных гидроузлов. Однако в 1990-е он был преодолен. Например, в Китае в настоящее время строятся 70 плотин высотой более 15 м и сооружается самая крупная в мире ГЭС «Три ущелья» мощностью 18,2 млн. кВт. В табл. 4.2 представлены крупнейшие электростанции мира.

Рис. 4.4. Схема плотины ГЭС

Рис. 4.5. Саяно-Шушенская ГЭС

История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие

-121-

4.РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ПРОИЗВОДСТВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.2.Виды электростанций

						Таблица 4.1
						Среднемноголетняя
Электростанция		Река		Установленная		проектная выработка
				мощность, МВт		электроэнергии,
				6400		млрд кВт·ч
Саяно-Шушенская		Енисей			23,30
Красноярская		Енисей		6000	20,40
Братская		Ангара		4500	22,60
Усть-Илимская		Ангара		3840	21,62
Волгоградская		Волга		2541	11,10
Волжская		Волга		2300	10,90
Чебоксарская		Волга		1370	3,31
Саратовская		Волга		1360	5,40
Зейская		Зея		1330	4,91
Нижнекамская		Кама		1205	2,54
Воткинская		Кама		1020	2,32
Чиркейская		Сулак		1000	2,43
Загорская ГАЭС		Кунья		1000	1,20
Бурейская		Зея		2000		–
						Таблица 4.2
Наименование ГЭС		Страна		Установленная		Примечание
				мощность, тыс. кВт
						Строится
«Три ущелья»		Китай		18200
Итайпу		Бразилия		12600		Действующая
Грэнд-Кули		США		10800		Действующая
Гури		Венесуэла		10300		Действующая
Тукуруи		Бразилия		8000		Действующая
Саяно-Шушенская		Россия		6400		Действующая
Красноярская		Россия		6000		Действующая
Ла Грандэ		Канада		5328		Действующая
Черчил-Фулз		Канада		5225		Действующая

Советский Союз долгие годы занимал лидирующее положение в мировой гидроэнергетике. В свое время Красноярская и Саяно-Шушенская ГЭС были самыми мощными в мире. После распада СССР лидирующие позиции России и стран СНГ в этой области были утрачены.

4.2.4. Атомныеэлектростанции

Первоначальные затраты при строительстве АЭС в 1,5–2 раза выше, чем при строительстве ТЭЦ, но себестоимость электроэнергии ниже в 1,3– 1,7 раза.

АЭС для получения электроэнергии и тепла используют ядерное горючее. Вместо котельного агрегата на атомных станциях используется ядерный реактор и особые парогенераторы (рис. 4.6).

История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие

-122-

4.РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ПРОИЗВОДСТВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.2.Виды электростанций

Вкачестве топлива на АЭС применяется вещество, способное к самопроизвольному расщеплению ядер атомов с выделением энергии в виде тепла.

Важнейшим ядерным топливом являются тяжелые элементы: уран-235, уран-233, плутоний-239.

Расщепление ядер урана-235 происходит под воздействием нейтронов по цепной реакции, при этом выделяется

большое количество тепловой энергии

(83 %) и так называемого ядерного Рис. 4.6. АЭС излучения (17 %).

Существует несколько типов реакторов на тепловых нейтронах, однако всем им присущи некоторые общие элементы, приведенные на рис. 4.7. Реакторы имеют так называемую активную зону 1, в которую загружается ядерное топливо, содержащее уран-235 и замедлитель (обычно графит или вода). Для сокращения утечки нейтронов активная зона окружена отражателем 2, за которым размещается бетонная защита 5 от радиоактивных излучений. Количество ядерного топлива в реакторе значительно превышает критическую массу. Поэтому в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней 4 из карбида бора. По мере выгорания топлива регулирующие стержни извлекают из активной зоны. Нагретый теплоноситель отводится по трубам 3 в теплообменник-парогенератор 6, где передает свое тепло рабочему телу (например, воде, проходящей по змеевикам и превращающейся в пар). Рабочее тело (пар) поступает в турбину 7, вращает вал турбины, соединенный с валом генератора 8. Отработавший в турбине пар попадает в конденсатор 9, после чего сконденсированная вода вновь идет в теплообменник.

Все ядерные реакторы имеют специальную биологическую защиту, чтобы предохранить обслуживающий персонал от опасных радиоактивных излучений, которые вызывают ионизацию молекул клеток.

Рис. 4.7. Упрощенная схема АЭС

История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие

-123-

4.РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ПРОИЗВОДСТВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.2.Виды электростанций

Коэффициент полезного действия АЭС на медленных нейтронах обычно составляет 25–35 %.

Первая в мире атомная электростанция вступила в строй в России в 1954 г. в г. Обнинске (под Москвой). Первая в СССР АЭС на быстрых нейтронах сооружена в 1972 г. в г. Шевченко (ныне г. Актау, Республика Казахстан) для опреснения морской воды и получения электроэнергии.

Первый атомный реактор был построен под руководством И. В. Курчатова (1902–1960) (рис. 4.8). Большие заслуги в создании АЭС принадлежат ученым А. П. Александрову (рис. 4.9), Н. А. Доллежалю (рис. 4.10) и др.

Типы ядерных реакторов и их топливо.

По расчетам ученых, 1 кг ядерного топлива при полном его использовании заменяет 2 000 т угля.

Топливо АЭС – обогащенный уран. В ядерном реакторе в процессе работы накапливается плутоний, который может делиться под воздействием нейтронов с выделением энергии. В результате реакции в ядерном топливе накапливаются продукты деления и трансмутации, многие из которых высокорадиоактивны, а некоторые имеют период полураспада десятки, сотни и даже тысячи и миллионы лет – это долгоживущие радиоактивные отходы, которые нужно захоранивать в надежных могильниках.

В инфраструктуру замкнутого ядерного топливного цикла входят следующие производства: 1) добыча и обогащение урановых руд и производство естественного урана; 2) радиохимическая переработка отработавшего ядерного топлива;

3)захоронение радиоактивных отходов.

Всовременных ядерных реакторах исполь-

зуется небольшая часть энергии, заключенной в атомах урана. Дело в том, что природный уран состоит из двух частей (изотопов) – урана-235 и урана-238. Доля урана-238 составляет 99,3 %, а урана-235 – всего 0,7 %. Атом урана-235 распадается на два осколка под действием медленных (тепловых) нейтронов.

Рис. 4.8. И. В. Курчатов

Рис. 4.9. А. П. Александров

Рис. 4.10. Н. А. Доллежаль

История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие

-124-

4.РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ПРОИЗВОДСТВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.2.Виды электростанций

Чтобы увеличить продолжительность работы реактора без перегрузки атомного горючего, урановая руда предварительно обогащается. В результате содержание урана-235 увеличивается с 0,7 % до 3–5 %.

Особенность реакторов на быстрых нейтронах – бридеров – в том, что

впроцесс деления ядер урана-235 вовлекается и уран-238.

ВРоссии строительство АЭС базируется на корпусных реакторах с водой под давлением – ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) и кипящих канальных уран-графитовых реакторах – РБМК (реактор большой мощности кипящий).

Принцип работы этих атомных реакторов одинаков: внутри реактора располагают тепловыделяющие элементы – ТВЭЛы, которые состоят из ме-

таллической трубки из сплава циркония, заполненной смесью урана-235

иурана-238.

Вреакторе ВВЭР все ТВЭЛы помещены в стальной корпус, заполненный водой, которая непосредственно соприкасается с ТВЭЛами и охлаждает их. Тепло атомного реактора нагревает воду под высоким давлением, она становится радиоактивной. Поэтому эта вода направляется в промежуточный парогенератор, где вода второго контура превращается в пар, направляемый

втурбину.

Реактор РБМК заполнен графитовыми блоками, внутри которых сделаны отверстия. В них помещены тонкостенные трубы (рабочие каналы) из циркония, в которых устанавливаются ТВЭЛы. Через трубы циркулирует вода под давлением, она отводит тепло от ТВЭЛов и при этом частично испаряется.

РБМК – это канальный реактор, а ВВЭР – корпусной. ВВЭР получили более широкое распространение, чем РБМК. Преимуществом РБМК является возможность замены ТВЭЛов без остановки реактора.

Главной особенностью энергетических реакторов на быстрых нейтронах является возможность получить не только тепловую и электрическую энергию, но и одновременно воспроизводить новое ядерное топливо. Основным топливом в реакторах на быстрых нейтронах является искусственный химический элемент плутоний-239 и «пассивный» уран-238.

Тепловая энергия в реакторе на быстрых нейтронах получается за счет деления ядер плутония, при этом часть образующихся нейтронов захватывается (поглощается) ураном-238 и он превращается в плутоний-239. Вновь образуемый плутоний является ядерным горючим. Кроме этого в реакторе образуется избыток нового плутония по сравнению с выгорающим, и он может быть извлечен из данного реактора и направлен для использования в другой реактор. В результате этого процесса возможно использование почти всего урана-238.

Введенная в эксплуатацию в 1972 г. АЭС в г. Шевченко имеет реактор БН-350 на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, мощностью

350 МВт.

История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие

-125-

4.РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ПРОИЗВОДСТВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

4.2.Виды электростанций

						Таблица 4.3
			Производство электроэнергии, ТВт·ч
	Страна
		общее	ТЭС	АЭС	ГЭС	ВИЭ
	Всего в мире	13720	8592,0	2415,6	2516,7	195,6
	В том числе:
	США	3677,8	2518,7	720,8	353,1	85,2
	Китай	1080,0	877,7	14,3	188,0	–
	Япония	1012,1	601,2	304,6	81,0	25,3
	Россия	847,2	577,4	109,0	160,8	–
	Канада	570,7	118,1	93,0	356,1	3,5
	Германия	555,3	361,5	161,6	22,2	10,0
	Франция	513,1	43,1	401,2	65,7	3,1
	Индия	435,1	367,5	8,4	59,0	0,2
	Великобритания	347,9	243,5	95,0	3,5	5,9

На Белоярской АЭС в этот период пущен в эксплуатацию энергоблок на быстрых нейтронах БН-600 мощностью 600 МВт.

В качестве теплоносителя и охладителя реактора на БН применяется жидкий металл – натрий, который в последующем контуре отдает свое тепло воде, превращая ее в пар, поступающий в паровую турбину; далее цикл превращения энергии пара в электричество происходит обычным путем.

Теплоноситель натрий не должен нигде соединиться с водой, иначе произойдет взрыв. Сегодня вместо натрия используется гелий или диссоциирующий газ.

Структура производства электроэнергии в крупнейших странах мира

вконце ХХ в. приведена в табл. 4.3.

4.3.Развитиеальтернативныхспособов полученияэлектроэнергии

4.3.1. Геотермальныеэлектростанции

Геотермальные электростанции (ГТЭС) используют внутреннее тепло Земли, геотермическую энергию гейзеров, термальных источников для теп- ло-фикации и производства электроэнергии (рис. 4.11). В России геотермальные источники существуют на Камчатке, Курильских островах, в Сибири

[30].

Впервые геотермальная станция на глубинном паре давлением 5 атм и температурой 200 °С была построена в г. Лардерелло (Италия) в 1904 г.

Геотермальные станции используются в Италии, Исландии, России, Японии, Новой Зеландии.

В России, на Камчатке, в 1967 г. была построена Паужетская ГТЭС на 11 МВт, в 2000 г. запущена Мутновская ГТЭС на 200 МВт, в настоящее время строится Паратунковская ГТЭС.

История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие

-126-