ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА_учебное пособие.pdf 5 семестр

турбины передается ротору генератора, на обмотку которого подается ток возбуждения. Магнитное поле ротора пересекает обмотку статора генератора, в которой наводится ЭДС. Через распределительное устройство электрическая энергия поступает в энергосистему к потребителям.

Р и с. 24.16. Технологическая схема тепловой электростанции, работающей на твердом топливе:

1 - дымовая труба; 2 - дымосос; 3 - система газоочистки; 4 - расходный бункер; 5 - шахтномельничная установка; 6 - топка парогенератора; 7 - барабан;

8 - пароперегреватель; 9 - экономайзер; 10 - воздухоподогреватель; 11 - выход продуктов сгорания; 12 - дутьевой вентилятор; 13 - подогреватель питательной воды (высокого давления); 14 - система химводоподготовки; I5 - деаэратор;

16 - бак питательной воды; 17 - питательный насос; 18 - подогреватель питательной воды (низкого давлении); 19 - паровая турбина; 20 - электрогенератор; 21 - конденсатор турбины; 22 - конденсатный насос; 23 - градирня;

24 - циркуляционный насос; 25 - система гидрозолоудаления; 26 - топливное хозяйство

Особенностями энергетического производства являются непрерывная связь процессов производства и потребления энергии (в каждый момент времени выработка энергии должна соответствовать потребностям потребителей); напряжение и частота тока, давление и температура теплоносителей должны соответствовать техническим требованиям на протяжении всего периода энергоснабжения; масштабы и режим потребления энергии определяют технико-экономические показатели тепловой электростанции. Поэтому выбору мощности и типа оборудования на электростанции предшествуют расчеты по определению электрических и тепловых нагрузок района, выбор вида топлива и схемы энергоснабжения района. Вопрос о целесообразности энергоснабжения от ТЭЦ (комбинированная схема энергоснабжения района) или от энергосистемы и производственно-отопительных котельных (раздельная схема энергоснабжения) решается на основании техникоэкономического сравнения возможных вариантов.

121

25.ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

25.1.Основные элементы и циклы газотурбинных установок

Газотурбинные установки (ГТУ) широко применяются для привода электрических генераторов на тепловых электростанциях, для привода насосов и компрессоров на магистральных газо-и нефтепроводах, в газовой и нефтяной промышленности, на нефтеперерабатывающих и металлургических заводах, на транспорте и в других отраслях народного хозяйства.

Основными элементами ГТУ являются газовая турбина, компрессор и камера сгорания. Кроме основных элементов, в технологическую схему ГТУ входит вспомогательное оборудование (регенераторы, насосы, пусковой двигатель и др.). Первая газовая турбина была построена инженером П. Д. Кузьминским в 1897 г.

Идеальными циклами газотурбинных установок являются: цикл с подводом теплоты в термодинамическом процессе при постоянном давлении и цикл с подводом теплоты в термодинамическом процессе при постоянном объеме. На рис. 25.1 изображена принципиальная тепловая схема ГТУ с подводом теплоты при р=const. Газотурбинные установки, в которых сгорание топлива происходит в открытой камере при постоянном давлении, иногда называют газотурбинными установками с постоянным давлением сгорания, они наиболее распространены.

В камеру сгорания 2 топливным насосом 1 через специальную форсунку подается топливо, а компрессором 4 нагнетается воздух. В камере сгорания топливо сгорает при р = const. Продукты сгорания из камеры сгорания поступают на рабочие лопатки газовой турбины 3. Перед поступлением на лопатки продукты сгорания расширяются в направляющем аппарате и на рабочих лопатках турбины. По выходе из турбины газы выбрасываются в атмосферу.

На рис. 25.2 представлен цикл ГТУ с подводом теплоты при р = const в координатах рυ. В процессе, характеризующемся кривой 0-1, газ засасывается в компрессор, а в процессе, характеризующемся кривой 1-2, адиабатно сжимается. При давлении р2 газ из компрессора подается в камеру сгорания. В процессе, характеризующемся кривой 2-3 при р = const, газу сообщается теплота q1. Затем газ расширяется до давления p1 по адиабате 3 - 4. В процессе, характеризующемся кривой 4-1 (при р = const), от газа отводится теплота q2. Отношение p2/p1 = β называют степенью повышения давления в компрессоре, а отношение υ3/υ2 = ρ - степенью изобарного расширения.

Количество теплоты q1, подведенной в цикле, составляет

q1 cp T3 T2 .

Количество теплоты q2, отведенной в цикле, равно

q2 cp T4 T1 .

Термический КПД для цикла ГТУ с подводом теплоты при р = const

ηt 1 q2 /q1 1 cp T4 T1 / cp T3 T2 1 T4 T1 / T3 T2 .

122

Ри с. 25.1. Принципиальная тепловая схема газотурбинной установки:

1- топливный насос; 2 - камера сгорания; 3 - газовая турбина; 4 - воздушный компрессор

Ри с. 25.2. Цикл ГТУ

сподводом тепла при р = const

вкоординатах pυ

Температуры Т2, Т3 и T4 можно выразить через Т1 из соотношения параметров в адиабатном процессе, характеризующемся кривой 1-2,

T2 T1 p2	k 1 /k	β	k 1 /k	, откуда T2 T1β	k 1 /k	.
	p1

Из соотношения параметров в изобарном процессе, характеризующемся кри-

вой 2 - 3,

Т3 / Т2 = υ3 / υ2 = ρ;

Т3 = Т2ρ ,

откуда

T3 T1β k 1 /k ρ.

Из соотношения параметров в адиабатном процессе, характеризующемся кривой 3 - 4,

T4 T3 p4	k 1 /k	p1		k 1 /k	p1		k 1 /k	k 1 /k	,
	p3			p2			p1β	1 β
откуда			k 1 /k	k 1 /k			ρ.
	T4 T1β					T1
				ρ 1 β

Если полученные значения температур подставим в формулу для подсчета термического КПД цикла, то

		T1ρ T1			ρ 1
ηt 1				1
	T β	k 1 /k ρ T β	k 1 /k		β k 1 /k ρ 1
	1	1

или

ηt 1 1/β k 1 /k .

Очевидно, что термический КПД с подводом теплоты при р = const зависит от степени повышения давления β и показателя адиабаты k. С увеличением β и k термический КПД цикла возрастает.

Цикл ГТУ с подводом теплоты в изохорном процессе (υ = const).

123

Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при υ = const в координатах pυ представлен на рис. 25.3. В этом цикле газ с начальными параметрами p1, υ1, T1 сжимается по адиабате 1-2 до давления р2 (точка 2), затем к газу подводится теплота q1 (по изохоре 2 - 3). Следует расширение по адиабате 3 - 4 и возвращение к начальному состоянию по изобаре 4-1 с отводом теплоты q2.

Р и с. 25.3. Цикл ГТУ с подводом тепла при υ = const в координатах pυ

Для практического осуществления цикла с подводом теплоты при υ = const камера сгорания оборудована впускным и выпускным клапанами. При подаче топлива в камеру и при сгорании оба клапана закрыты, поэтому объем газов в процессе сгорания топлива не изменяется (υ=const). После сгорания топлива открывается выпускной клапан и продукты сгорания через направляющий аппарат поступают на рабочие лопатки турбины.

Продувка камеры сгорания от продуктов сгорания и наполнение ее сжатым свежим воздухом производится при открытых клапанах. К концу продувки клапаны последовательно закрываются и процесс повторяется. Таким образом, в ГТУ, работающей по этому циклу, поток газов, поступающих на рабочие лопатки турбины, носит пульсирующий характер.

Отношение р3/р2 = λ называется степенью добавочного повышения давле-

ния.

Количество подводимой теплоты q1 и отводимой теплоты q2

q1 cp T3 T2 ; q2 cp T4 T1 .

Термический КПД цикла

ηt 1 q2 /q1 1 cp T4 T1 / cυ T3 T2 1 k T4 T1 / T3 T2 .

Если выразить Т2, Т3 и T4 через Т1, получим: для адиабатного процесса

T	2	T p	2	p	1	k 1 /k	β k 1 /k ;	T	2	T β k 1 /k ,
		1								1

для изохорного процесса, характеризующегося кривой 2-3,

Т / Т = р / р			2	= λ;	Т = Т λ ;		T T β k 1 /k ,
3	2	3			3	2	3	1

124

для адиабатного процесса, характеризующегося кривой 3-4,

T4 T3 p4

p3 k 1 /k

p1 p1βλ k 1 /k

1 βλ k 1 /k ,

1

k 1 /k

k 1 /k

1

k 1 /k

T

4

T

T β

λ

,

3

1

βλ

βλ

Т4 = Т1λ1/k,

тогда

k T

T

k T λ1/k

T

4

1

ηt 1

1

1

1

T

3

T

2

T β

k 1 /k λ T β k 1 /k

или

1

1

k λ1/k

1

ηt 1

.

β k 1 /k λ 1

С увеличением k, β и λ КПД цикла ГТУ с подводом теплоты при υ=const возрастает. Вследствие отрицательного влияния пульсирующего потока газа на рабочее колесо турбины и ненадежной работы клапанов в условиях высокой температуры в камере сгорания ГТУ с постоянным объемом сгорания практического распространения не получили. Действующие в настоящее время ГТУ работают по циклу с подводом теплоты при постоянном давлении.

КПД простейших ГТУ, работающих по разомкнутому циклу с выбросом отработавших газов в атмосферу, не превышает 20 %. КПД газотурбинных установок может быть повышен при использовании регенерации тепла отработавших газов. Суть регенерации тепла состоит в подогреве воздуха, поступающего в камеру сгорания 2 ГТУ, при использовании теплоты отработавших газов (рис. 25.4).

Ри с. 25.4. Принципиальная схема газотурбинной установки

срегенеративным подогревом воздуха:

1– топливный насос; 2 – камера сгорания; 3 – газовая турбина; 4 – воздушный компрессор; 5 – регенератор

125

Воздух после сжатия в компрессоре 4 направляется в регенератор 5 (газовоздушный теплообменник поверхностного типа), в котором нагревается в результате более глубокого охлаждения уходящих газов. После подогрева в регенераторе воздух поступает в камеру сгорания. Таким образом, для достижения заданной температуры газов на выходе из камеры сгорания (т. е. перед турбиной) потребуется меньше топлива.

25.2. Принципиальная схема газотурбинной установки

Газотурбинные установки могут работать по разомкнутому или по замкнутому циклу.

Газотурбинная установка, работающая по разомкнутому циклу изображена на рис. 25.5. Пуск газотурбинной установки осуществляется пусковым двигателем 1. В камеру сгорания 5 через форсунку 4 из бака 2 подается жидкое топливо. Воздух для горения топлива в камеру сгорания нагнетается компрессором 6. Продукты сгорания через направляющий аппарат поступают на рабочие лопатки газовой турбины 7, которая приводит во вращение вал электрогенератора 8. Если используется газообразное топливо, то взамен топливного насоса устанавливают газовый компрессор. Установка работает по разомкнутому циклу, так как газы после турбины выбрасываются в окружающую среду.

Одним из основных агрегатов ГТУ является газовая турбина. Газовая турбина представляет собой ротационный тепловой двигатель, рабочим телом для которого служат продукты сгорания жидкого или газообразного топлива. Иногда газовые турбины в отличие от паровых, работающих на паре, называют турбинами внутреннего сгорания. По принципу действия газовые турбины, как и паровые, могут быть активными и реактивными. Турбины, у которых степень реактивности 0,5 и выше, называют реактивными. Турбины, в которых газ движется в направлении продольной оси вала турбины, называют турбинами осевого типа

(рис. 25.5).

Ри с. 25.5. Схема газотурбинной установки разомкнутого цикла

спостоянным давлением сгорания:

1- пусковой двигатель; 2 - бак; 3 - топливный насос; 4 - форсунка; 5 - камера сгорания; 6 - компрессор; 7 - газовая турбина; 8 – генератор

126

В газовых турбинах, так же, как и в паровых, различают ступени давления и ступени скорости. Многоступенчатые турбины (с несколькими ступенями давления и скорости) применяются в том случае, когда необходимо использовать большой теплоперепад, причем в каждой ступени преобразуется лишь часть общего теплоперепада. В многоступенчатой турбине каждая ступень состоит из направляющего аппарата и рабочего колеса. Так как турбины со ступенями скорости имеют более низкий КПД, чем турбины со ступенями давления, то в многоступенчатых газовых турбинах применяются главным образом ступени давления.

Осевой компрессор является обращенной турбиной, поэтому их иногда называют турбокомпрессорами. В турбокомпрессорах за счет механической работы, затрачиваемой на привод, давление воздуха, забираемого из атмосферы, повышается до 0,6 - 0,8 МПа, т.е. степень повышения давления может быть доведена до 8.

Осевые компрессоры применяются при больших мощностях ГТУ. В ГТУ мощностью до 300 кВт применяют центробежные компрессоры со степенью повышения давления 3,5 - 6,5. КПД турбокомпрессоров достигает 88 - 90%. КПД центробежных компрессоров не превышает 80 – 82 %.

Камеры сгорания ГТУ могут быть индивидуальные (выносные) и встроенные (секционные); по форме камеры - цилиндрические и кольцевые; по направлению движения потоков воздуха и газов - прямоточные, противоточные и угловые. Цилиндрическая камера сгорания обычно оборудована одной форсункой с механическим или воздушно-механическим распылом. Воспламенение топлива при запуске производится от специального запального устройства с искровыми или искродуговыми свечами.

25.3.Области применения паротурбинных

игазотурбинных установок

Паротурбинные и газотурбинные установки применяются в качестве приводных двигателей в энергетике, газовой и химической промышленности, на металлургических комбинатах, на транспорте и т. д. В современной энергетике доминирующее положение занимают паротурбинные установки. Основными преимуществами паротурбинных установок на современном этапе развития техники является: доступность рабочего тела (запасы воды, из которой получают водяной пар, практически безграничны); паротурбинные установки позволяют использовать любые виды органического топлива (твердое, жидкое и газообразное) и ядерного; возможность создания агрегатов большой единичной мощности (в настоящее время введены в строй действующие паротурбинные агрегаты единичной мощностью 800 тыс. кВт, осваивается агрегат мощностью 1200 тыс. кВт и ведутся исследования по созданию агрегатов еще большей мощности); сравнительно высокие технико-экономические показатели. КПД современных паротурбинных установок достигает 40 - 41 %. В перспективе, при использовании жаропрочных материалов, которые позволят поднять уровень начальных давлений и температуру пара, экономичность паротурбинных установок может быть значительно повышена.

127

К основным преимуществам газотурбинных установок также относят простоту технологической схемы. Однако газотурбинные установки с простой технологической схемой (разомкнутый цикл) имеют сравнительно низкие техникоэкономические показатели, КПД таких установок при начальной температуре рабочего тела в пределах 700 °С составляет 16 - 20 %.

Дальнейшее повышение экономичности газотурбинных установок может быть достигнуто при усложнении схемы и удорожании установки. По отдельным расчетам, при условии повышения начальной температуры до уровня 1500 °С, экономичность газотурбинной установки можно приблизить к экономичности паротурбинных установок. Однако это достигается при значительном усложнении тепловой схемы и конструкции самой турбины (дополнительное охлаждение лопаток), что снижает конкурентоспособность газотурбинных установок.

Газотурбинные установки имеют значительно меньшую единичную мощность. Самая крупная газовая турбина имеет мощность 100 тыс. кВт Современные газотурбинные установки работают на дефицитных видах топлива (жидком и газообразном). Использование твердого топлива в газотурбинных установках ведет к усложнению схемы и удорожанию установки.

На современном уровне развития науки и техники идут по пути создания парогазовых установок. Применение паровых и газовых турбин не ограничивается областью энергетики. Они применяются в химической и других отраслях промышленности для привода мощных насосов и компрессоров. Газовые турбины применяются также в автомобильном и железнодорожном транспорте и в других отраслях народного хозяйства.

26. АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

На атомных электрических станциях тепловая энергия, служащая для производства пара, выделяется при делении ядер атомов вещества, называемого ядерным топливом (горючим). Ядерным горючим служит в основном обогащенный природный уран 238U, смеси с ураном 235U. Наиболее освоенными энергетическими реакторами являются водоводяные (ВВЭР). Такой реактор представляет собой металлический корпус с размещенными в нем кассетами. Каждая кассета состоит из металлического кожуха с собранными в нем цилиндрическими стержнями. Стержни, в свою очередь, состоят из тонкостенной циркониевой оболочки, заполненной ураном. Стержни являются тепловыделяющими элементами (твэлами).

Через корпус реактора, т. е. через кассеты твэлов, насосами прогоняется теплоноситель (вода), который нагревается за счет теплоты, выделяющейся в результате реакции деления ядерного топлива.

Ядра атомов урана 235U обладают способностью самопроизвольно делиться. Осколки деления разлетаются с огромной скоростью (2·104 км/с). За счет преобразования кинетической энергии этих частиц в тепловую в твэлах выделяется большое количество теплоты. Преодолеть металлический кожух твэла способны только нейтроны. Попадая в соседние твэлы, они вызывают деление ядер 235U в них и создают цепную ядерную реакцию.

128

Вода, являясь теплоносителем, одновременно, выполняет также роль замедлителя нейтронов. Для поддержания цепной реакции нужны замедленные (тепловые) нейтроны, скорость которых не превышает 2 км/с. Именно двоякая роль воды в реакторе подобного типа определила его название - водоводяной энергетический реактор (ВВЭР). Такой реактор называют также реактором на тепловых (медленных) нейтронах.

Схема АЭС, в которой пар, направляемый в турбину, производится реактором, называется одноконтурной (рис. 26.1, а).

Вода, в особенности содержащая твердые примеси, становится в корпусе реактора радиоактивной. Поэтому в одноконтурных АЭС все оборудование работает в радиационно-активных условиях. Это усложняет его эксплуатацию. Преимуществом их является лишь простота конструкции. В двухконтурных АЭС (рис. 26.1, б) контуры первичного теплоносителя и рабочего тела разделены. Теплоноситель, циркулирующий в первом контуре, является источником теплоты для второго контура, в парогенерирующем устройстве которого образуется пар для паротурбинной установки. В этом случае рабочее тело обладает заметно меньшей радиационной активностью, что упрощает эксплуатацию АЭС.

Чтобы избежать в первом контуре реактора вскипания воды, необходимо поддерживать в нем более высокое давление, чем давление пара во втором контуре двухконтурной схемы. Для уменьшения давления в реакторе можно использовать высококипящий теплоноситель (органические жидкости, жидкие металлы, кипящие при высоких температурах при отсутствии заметного избыточного давления) или газ.

Для существующих АЭС характерен низкий перегрев пара. Пар поступает в турбину насыщенным, поэтому при достижении предельной влажности (по условиям эрозионного износа лопаток 8-12 %) он выводится из промежуточных ступеней турбины и пропускается через сепаратор для отделения влаги, а иногда и через пароперегреватель, затем пар снова поступает в последующие ступени турбины.

Рис. 26.1. Принципиальные схемы одно- и двухконтурных АЭС:

а - одноконтурная схема; б - двухконтурная; 1 - реактор; 2 - турбина; 3 - парогенератор, 4 - конденсатор; 5 - деаэратор; 6 - сепаратор; 7 - паросборник; 8 - компенсатор объема; 9 - конденсатный насос; 10 - циркуляционный насос; 11 - питательный насос; 12 - промежуточный пароперегреватель

Развитие и совершенствование оборудования АЭС позволило повысить КПД до 35 %, а единичную мощность энергоблоков довести до 1000 МВт и более. Се-

129

бестоимость производимой на АЭС электроэнергии соизмерима с себестоимостью электроэнергии, отпускаемой ТЭС, использующими органическое топливо.

К настоящему времени появились и другие типы реакторов. Использование, например, реакторов-размножителей на быстрых нейтронах позволяет воспроизводить ядерное горючее на 25-40 % больше затраченного топлива. При этом из 238U, находящегося в реакторе вместе с 235U, получается плутоний 239Рu. Этот искусственно полученный изотоп плутония (в природе он не существует) так же, как и 235U, является ядерным горючим, поскольку легко самопроизвольно делится.

Основным достоинством АЭС является независимость от источников сырья (урановых месторождений) благодаря компактности горючего, легкости его транспортировки и продолжительности использования. На Нововоронежской АЭС на выработку 1 млн кВт·ч электроэнергии расходуется всего около 200 г урана, что эквивалентно примерно 400 т угля.

Экологическая чистота АЭС много выше, чем ТЭС, работающей на органическом топливе, а вероятность аварии на них ничтожна. Поэтому атомная энергетика будет развиваться и в будущем. Во Франции, например, в настоящее время 70 % электроэнергии вырабатывается на АЭС. По мере развития безопасность АЭС неуклонно повышается, при этом учитывается и опыт имевших место, хотя и малочисленных, аварий, в том числе и на Чернобыльской АЭС в нашей стране.

27. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

Гидроэлектростанции по сравнению с тепловыми электростанциями обладают рядом достоинств, связанных с экономией топлива, с рациональным решением не только проблем энергетики, но и ряда других, имеющих важное хозяйственное значение: судоходство, ирригация и мелиорация земель, водоснабжение и т. д.

Опыт эксплуатации первых гидроэлектростанций показал, что они имеют большую маневренность, хорошую надежность работы и малые эксплуатационные расходы, требуют немногочисленного обслуживающего персонала и допускают полную автоматизацию процесса производства электроэнергии с весьма широкими возможностями телеуправления. Современные гидравлические турбины обладают КПД, доходящим до 93%. Энергия, производимая гидроэлектростанциями, дешевле электроэнергии тепловых электростанций.

В техническом и эксплуатационном отношениях очень важным является то, что гидроэлектрические установки обладают маневренностью. Эта особенность гидроагрегатов имеет особо важное значение для крупных энергетических систем, так как резкий прирост нагрузки, особенно при аварийных условиях в системе, можно быстро компенсировать включением резервных гидроагрегатов. Таким образом, гидроагрегаты очень удобны для покрытия пиков нагрузки в системах, сочетающих как тепловые, так и гидравлические станции. Кроме того, конструкция агрегатов ГЭС проще, чем тепловых станций, а процесс производства электрической энергии менее сложен.

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс гидротехнических сооружений и энергетического оборудования, посредством которых энергия водных потоков или расположенных на относительно более высоких уровнях водоемов преобразуется в электрическую энергию (рис. 27.1).

130