3.2. Опорный конспект

Введение. Основные сведения об энергетике

Под топливно-энергетическим комплексом (ТЭК) понимают совокупность предприятий, установок и сооружений, обеспечивающих добычу и переработку первичных топливно-энергетических ресурсов, их преобразование и доставку потребителям, а также использование во всех отраслях национального хозяйства. Понятия «топливно-энергетический комплекс» и «энергетика» являются синонимами.

В рамках ТЭК совместно решаются задачи развития систем добычи энергоресурсов, сетей их транспортировки, рационального состава и размещения генерирующих электрических мощностей (электростанций), оптимизации структуры топливно-энергетического баланса с учетом состояния мировой экономики, цен на основные энергоресурсы, политической ситуации и т. д.

Первичные энергоресурсы находятся в природе в начальной форме. Они подразделяются на возобновляемые и невозобновляемые ресурсы. Возобновляемые энергоресурсы – излучение солнца, энергия океана, рек, ветра и другие

– восстанавливаются постоянно. Энергоресурсы, запасы которых по мере их использования необратимо уменьшаются, называют невозобновляемыми. Это нефть, природный газ, уголь (каменный и бурый), торф, сланцы, ядерное топливо.

Энергоресурсы, получаемые в результате переработки или преобразования первичных ресурсов, называются вторичными. К ним относятся, например, электрическая энергия, водяной пар, горячая вода и др.

Современная энергетика использует в основном невозобновляемые энергоресурсы (см. таблицу). Если даже добыча энергоресурсов будет поддерживаться постоянной на уровне 2000 года, то оценочно разведанных запасов угля хватит на 400 лет, нефти – на 40 лет, газа – на 60 лет. По этой причине уже сегодня ведутся исследования с целью определения приемлемой альтернативы для получения энергии на перспективу.

Основными видами энергии на современном этапе являются электрическая и тепловая. Электрическая энергия может передаваться на большие расстояния, легко преобразуется в другие виды энергии.

Тепловая энергия обычно вырабатывается в двух видах: пара и горячей воды − передается по трубам большого диаметра, характеризуется определенны-

19

ми параметрами (температурой и давлением), ее преобразование затруднительно.

Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях, а тепловая – на электростанциях и в котельных.

Теплоснабжение потребителей, как правило, осуществляется также централизованно, однако, в тепловой части между отдельными источниками теплоты – электростанциями и котельными – связей нет.

Производство энергетических ресурсов в мире в 1990-2020 гг.

Источники	1900 г.	1990 г.	2000 г.	2010 г.*		2020 г.*
энергии
Всего,
млрд т у.т.	1	11	12,5	14		18
%	100	100	100	100		100
В том числе:
уголь,	56	29	31	33		35
нефть,	2	40	35	28		20
газ,	1	22	22	21		21
гидроэнергия,	2	2,5	3	3		3
атомная энергия,	-	6,5	8	10		12
прочие, включая	39	доли %	1	5		9
альтернативные
энергоносители
* Прогноз

Для децентрализованного энергоснабжения применяются отдельные автономные источники электрической и тепловой энергии – котельные и электростанции небольшой мощности, как правило, полностью автоматизированные.

Раздел 1. Электрические станции

1.1.Традиционные и нетрадиционные источники энергии

Внастоящее время первичные источники энергии (энергоносители) принято делить на традиционные и нетрадиционные.

Ктрадиционным источникам относятся:

-органическое топливо (уголь, газ, продукты переработки нефти);

-неорганическое (ядерное) топливо;

-гидравлическая энергия рек.

20

К нетрадиционным источникам и видам энергии можно отнести:

-тепло недр Земли (геотермальная энергия);

-движение воздуха в атмосфере (энергия ветра);

-движение воды в океане (кинетическая энергия океана);

-разность температур поверхностных и глубинных слоев воды в океане;

-энергию солнца и другие.

Энергия, заключенная в органическом и неорганическом топливах, является невозобновляемой. В отличие от этого кинетическая энергия воды, движущейся в реках, является возобновляемой.

1.2. Основные виды электростанций

Электростанции, использующие традиционные источники энергии, делятся на две группы: тепловые (ТЭС на органическом топливе, АЭС на ядерном топливе) и гидравлические (ГЭС, ГАЭС).

Тепловые электростанции, вырабатывающие только электрическую энергию, называются конденсационными (КЭС), а тепловую и электрическую совместно – теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Гидравлические электростанции (ГЭС) бывают плотинные (русловые и приплотинные) и деривационные. На русловых ГЭС здание ГЭС и плотина составляют единое целое и совместно воспринимают напор воды. У приплотинных ГЭС напор воды воспринимает плотина, а здание ГЭС располагается непосредственно за ней на уровне нижнего бьефа. Деривационные ГЭС сооружаются на горных реках, используют естественный напор воды и их отличительным признаком является отсутствие плотины.

Гидроаккумулирующая станция (ГАЭС) в часы пониженных нагрузок работает как насосная станция, заполняя водой верхний бассейн. В часы максимальных нагрузок запасенная вода используется для вращения гидротурбин и ГАЭС работает как электростанция.

Из электростанций, работающих на нетрадиционных и местных источниках энергии, в мировой практике наибольшее распространение получили:

-ветряные электростанции (ВЭС);

-геотермальные электростанции (ГеоТЭС);

-приливные электростанции (ПЭС);

-мини- и микроГЭС;

-солнечные электростанции (ГелиоЭС);

-электростанции на биотопливе.

21

1.3. Теплосиловые установки электростанций

Теплосиловая установка – это преобразователь тепловой энергии в механическую – представляет собой либо некоторую совокупность элементов (например, паросиловые установки, газотурбинные установки, комбинированные парогазовые установки), либо один элемент (например, поршневой двигатель внутреннего сгорания).

Основными элементами паросиловой установки (паротурбинной установки, ПТУ) является паровой котел, тепловой двигатель – паровая турбина и конденсатор. В газотурбинную установку (ГТУ) входят компрессор, камера сгорания и тепловой двигатель – газовая турбина. Поршневой двигатель внутреннего сгорания сам непосредственно является тепловым двигателем.

С точки зрения различий в протекании тепловых процессов теплосиловые установки удобно разделять на установки газового и парового циклов.

Рабочим телом установок газового цикла служит газ, представляющий собой продукты сгорания жидкого органического или газообразного топлива. Газовый цикл состоит из следующих основных этапов: сжатия, подвода тепла и расширения. Термодинамическая эффективность цикла (то есть его термический коэффициент полезного действия) определяется, главным образом, степенью сжатия и перепадами температур и давлений.

Рабочим телом установок парового цикла является вода, которая в процессе реализации цикла находится в двух фазовых состояниях – газообразном (перегретый пар) и жидком. Паровой цикл состоит из следующих основных этапов: подвода тепла и превращения воды в насыщенный пар, перегрева насыщенного пара, расширения перегретого пара и его конденсации.

Из установок газового цикла наибольшее распространение в настоящее время получили двигатели внутреннего сгорания (ДВС) – поршневые и газотурбинные.

ДВС – это двигатели, в которых сгорание происходит непосредственно в них самих: в поршневом двигателе – в цилиндрах двигателя, в ГТД – в камере сгорания.

Основными видами поршневых ДВС являются:

-дизельный двигатель жидкого топлива;

-газодизельный двигатель, для работы которого необходимы одновременно газообразное и жидкое топлива;

-газопоршневой двигатель на газообразном топливе с электрическим зажиганием;

-бензиновый (спиртовой) двигатель с электрическим зажиганием.

22

1.4. Традиционные тепловые электростанции на органическом топливе

Конденсационные электростанции КЭС свое название получили в связи с тем, что весь отработанный пар после турбины поступает в конденсатор. Принципиальная технологическая схема КЭС приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Принципиальная технологическая схема КЭС

Уголь со склада 1 поступает в бункер 2, а из него – в шаровую мельницу 3. Угольная пыль вдувается к горелкам 4 котла 5. Необходимый для горения воздух дутьевым вентилятором 8 через воздухонагреватель 7 подается к горелкам в топку котла. Образующиеся в результате горения топлива газы нагреваются до температуры 1200…1600°С и отдают свое тепло воде, протекающей по трубам внутри котла. В результате получается насыщенный пар, который поступает в пароперегреватель котла.

Перегретый пар с температурой 540…570°С и давлением 13…24 МПа поступает по паропроводу на вход турбины 20, состоящей из цилиндров высокого, среднего и низкого давлений, каждый из которых содержит несколько ступеней. Суммарное количество ступеней турбины может достигать 20…30. Большое число ступеней объясняется стремлением наилучшим образом исполь-

23

зовать перепад давлений и температур между котлом и конденсатором. В конденсаторе происходит охлаждение пара и превращение его в воду (конденсат) за счет циркуляции воды от какого-либо источника 16 с помощью циркуляционного насоса 17.

На валу турбины 20 установлен генератор 19, вырабатывающий электроэнергию. Через повышающий трансформатор 21 выработанная электроэнергия передается в энергосистему.

Пар, отработавший в турбине, поступает в конденсатор 18. Полученный конденсат (вода) конденсатным насосом 15 через регенеративный подогреватель низкого давления 14 перекачивается в деаэратор 13, служащий для очистки конденсата от растворенных в нем кислорода и других газов. Из деаэратора 13 питательным насосом 12 через регенеративный подогреватель питательный воды высокого давления 11 и экономайзер 6 питательная вода подается в котел.

Отходящие газы отсасываются из котла дымососом 10 в дымовую трубу 9. Принципиальная технологическая схема ТЭЦ приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Принципиальная технологическая схема ТЭЦ

24

Топливо (газ, мазут, уголь) подается в топку котла 1. Перегретый пар из котла поступает в турбину 2. На ТЭЦ устанавливаются специальные теплофикационные турбины, конструктивно отличающиеся от турбин КЭС наличием промежуточных отборов пара для нужд теплофикации. Тепловой контур, состоящий из котла 1, турбины 2, конденсатора 4, конденсатного насоса 5, деаэратора 6, питательного насоса 20 принципиально не отличаются от теплового контура КЭС (см. рис. 1.1). Циркуляционный контур 4, 19, 21 также принципиально не отличается от аналогичного контура КЭС.

Отличие от КЭС заключается в наличии теплофикационной части. Полученный из промежуточных отборов пар поступает в коллектор 7, из которого расходуется на технологические и коммунально-бытовые нужды.

Основными элементами газотурбинной установки (рис. 1.3) являются компрессор (К), камера сгорания (КС) и газовая турбина (ГТ), являющаяся приводом генератора Г и компрессора К. В камеру сгорания КС поступают топливо и сжатый воздух, подаваемый компрессором К. Газы, образующиеся при сгорании топлива в КС, подаются на ГТ. Отработавшие газы из турбины либо выбрасываются в атмосферу, либо используются для теплофикации, что повышает эффективность ГТУ.

Для еще большего повышения эффективности теплосиловых установок применяются парогазовые установки (ПГУ), позволяющие повысить коэффициент полезного действия станции с 45-50 % до 60 %.

Рис. 1.3. Основные элементы газотурбинной установки

Парогазовая установка основана на использовании для производства электроэнергии не только перегретого пара, но и продуктов сгорания топлива. ПГУ состоит их двух блоков: газотурбинного и паротурбинного. Упрощенная тепловая схема с двумя ГТУ и одной ПТУ показана на рис. 1.4.

Выхлопные газы ГТУ с температурой 538°С подаются в котел-утилизатор (КУ). Пунктирными линиями на рис. 1.4 показана подача питательной воды из конденсатора в КУ. Котел-утилизатор представляет собой теплообменный ап-

25

парат, в котором под действием энергии выхлопных газов получается перегретый пар (параметры указаны на рис. 1.4). Этот пар поступает на вход и промежуточные ступени цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины (ПТ). С выхода ЦВД пар поступает на вход ЦНД – цилиндра низкого давления. Из ЦНД отработавший пар отводится в конденсатор. ПТ имеет теплофикационные отборы.

Рис. 1.4. Упрощенная тепловая схема Северо-Западной ТЭЦ

Мощность дизельных агрегатов, используемых в электроэнергетике, лежит в диапазоне от 0,01 до 30 МВт. Диапазон мощностей бензиновых агрегатов, используемых в электроэнергетике – от 1 до 100 кВт.

1.5. Атомные электростанции

Схема одноконтурной АЭС приведена на рис. 1.5. На этом рисунке: 1 – реактор; 2 – рабочие каналы реактора; 3 – паровая турбина; 4 – электрогенератор;

26

5 – конденсатор; 6 – циркуляционная холодная вода; 7 – циркуляционные насосы; 8 – конденсат.

Рис. 1.5. Принципиальная схема одноконтурной АЭС

На рис. 1.6 изображена схема двухконтурной АЭС. На этой схеме: 1 – реактор; 2 – рабочие каналы реактора; 3 – парогенератор; 4 – паровая турбина; 5 - электрогенератор; 6 – конденсатор; 7- конденсат; 8 – циркуляционный насос; 9 - циркуляционная холодная вода; 10 – питательный насос; 11циркуляционные насосы.

Рис. 1.6. Принципиальная схема двухконтурной АЭС

27

1.6. Гидроэлектростанции

На рис. 1.7 показан поперечный разрез приплотинной гидроэлектростанции. Здание ГЭС 12 расположено со стороны нижнего бьефа 2 за плотиной 3. Из верхнего бьефа 1 вода по напорному трубопроводу 4 попадает через спиральную камеру 8 на лопатки гидротурбины 9 , а оттуда через отсасывающую трубу 10 стекает в нижний бьеф. Валы гидротурбины 9 и генератора 11 расположены вертикально. От генератора 11 электроэнергия поступает в закрытое распределительное устройство генераторного напряжения 14, из него – на повышающий трансформатор 15, затем – в воздушную линию 16, 17.

Рис. 1.7. Поперечный разрез приплотинной гидроэлектростанции

Затвор 6 служит для прекращения поступления воды в напорный трубопровод 4; по пазам 5 при ремонтах опускается ремонтный затвор; кран 7 служит для подъема и опускания затворов; мостовой кран 13 - для монтажа и ремонта агрегатов.

28

1.7. Электростанции на нетрадиционных и возобновляемых источниках энергии

Ветроэлектростанции. Энергия ветра человеком использовалась с давних времен. Современные ветрогенераторы охватывают диапазон мощностей до 5000 кВт. Диаметр ветроколеса самой мощной ветроэлектрической установки более 100 м.

Современная ветроэлектрическая станция представляет собой устройство, состоящее из ветровой турбины (ветроколеса), соединенной с электрическим генератором. Мощность, развиваемая ВЭУ, зависит от скорости ветра.

Геотермальные электростанции. ГеоТЭС – это тепловая электростанция, преобразующая внутреннее тепло Земли в электрическую энергию.

Получение электроэнергии на ГеоТЭС осуществляется по одной из схем: прямой, непрямой и смешанной. При прямой схеме природный пар из скважин направляется по трубам прямо в турбины, приводящие электрогенераторы. Пар и конденсат далее идут для теплофикации и иногда в химическое производство. При непрямой схеме производится предварительная очистка пара от агрессивных, сильно корродирующих газов. При смешанной схеме природный неочищенный пар поступает в турбины, а затем из сконденсировавшейся воды удаляются не растворившиеся в ней газы.

Приливные электростанции. ПЭС преобразуют энергию морских приливов в электрическую, используя перепад уровней «полной» и «малой» воды во время прилива и отлива. ПЭС – это гидроэлектростанция плотинного типа с капсульными обратимыми гидроагрегатами. В часы, когда малая нагрузка энергосистемы совпадает по времени с «малой» или «полной» водой в море, гидроагрегаты ПЭС либо отключаются, либо работают в насосном режиме, подкачивая воду в бассейн выше уровня прилива или откачивая ниже уровня отлива.

Мини- и микроГЭС. К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии принято относить малые ГЭС мощностью до 30 МВт при единичной мощности агрегата не более 10 МВт. Малые ГЭС принято делить на мини- и микроГЭС. К микроГЭС относят электростанции мощностью до 100 кВт. Мощности миниГЭС лежат в диапазоне от 100 кВт до 30 МВт.

ГелиоЭС. Солнечная энергетика развита более слабо, чем, например, ветроэнергетика. Однако в последние десятилетия ее развитие существенно активизировалось. Энергия солнца используется для получения тепловой и электрической энергии. Суммарная мощность солнечных электроустановок в мире достигает 1 ГВт.

29

Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется либо непосредственно прямым, либо косвенным образом

Применяются два способа прямого преобразования: термоэлектрический и фотоэлектрический.

МиниТЭЦ. МиниТЭЦ – электростанция с комбинированным производством электроэнергии и тепла, расположенная в непосредственной близости от конечного потребителя.

В качестве источника энергии в миниТЭЦ используются ДВС. Энергия, выделившаяся при сгорании топлива, в ДВС производит механическую работу и теплоту. Механическая работа на валу двигателя используется для выработки электроэнергии генератором электрического тока. Тепло отработавших газов и системы охлаждения двигателя служит для получения горячей воды и пара.

Электростанции, использующие вторичные энергоресурсы. Технологиче-

ские процессы многих производств сопровождаются выделением побочных продуктов – вторичных энергоресурсов. К вторичным энергоресурсам относятся доменные, конверторные, коксовые и нефтезаводские газы, горячая вода, отработанный пар, теплота раскаленного кокса, металла, шлака и т.п. К концу двадцатого века к традиционным вторичным ресурсам добавились использованные автомобильные покрышки.

Прочие виды электростанций. К прочим видам электростанций можно отнести электростанции, основанные на использовании топливных элементов, водорода (в качестве топлива), перепадов давления в газовых магистралях, разности температур на разных глубинах океана и т. п.

30

Контрольные вопросы к введению и разделу 1

1.Что такое топливно-энергетический комплекс (ТЭК)?

2.Какие ресурсы относятся к возобновляемым и невозобновляемым?

3.Что такое вторичные энергоресурсы?

4.Какие виды энергии являются основными на современном этапе?

5.Как осуществляется централизованное и децентрализованное энергоснабжение?

6.Перечислите традиционные первичные источники энергии.

7.Перечислите виды органического топлива, традиционно используемого на электростанциях.

8.Какие источники и виды энергии принято относить к нетрадиционным?

9.Чем отличается КЭС от ТЭЦ?

10.Каков режим работы ГАЭС?

11.Что такое теплосиловая установка?

12.Из каких основных узлов состоит ГТУ?

13.Какие виды ДВС вам известны?

14.Какая турбина является более компактной - паровая или газовая?

15.Работа ТЭЦ по какому графику – тепловому или электрическому – является более экономичной?

16.Какие установки – ПТУ или ПГУ – являются более экологичными?

17.Каковы доли электроэнергии, вырабатываемой на АЭС – в мире? − в

России?

18.Чем отличаются друг от друга мощные гидро- и турбогенераторы?

19.Где применяются капсульные гидроагрегаты?

20.Чемвызванростинтересавмирек«малойэнергетике» внастоящеевремя?

31