Лекція № 5 Виробництво електроенергії

Лекція № 5. Виробництво електроенергії

План лекції

1. Загальна характеристика виробництва електроенергії. Енергія в технологічних процесах.

2. Основи технологій виробництва електроенергії ТЕС, ГЕС, АЕС.

3. Нетрадиційні способи виробництва електроенергії. (Самостійно).

1. Енергетика як галузь господарства охоплює різноманітні енергетичні ресурси, виробництво, перетворення, передачу і використання різних видів енергії.

Електроенергетика є провідною галуззю енергетики, яка забезпечує ел/ен всі галузі народного господарства та всіх інших споживачів.

Ел /ен виробляється електростанціями.

Електростанція - це сукупність установок, обладнання та апаратури, які використовуються безпосередньо для виробництва ел/енергії, а також необхідні для цього споруди та будівлі, розташовані на певній території.

Ел/станції за використанням джерела енергії поділяються на 4 види:

- теплові ел/станції, що працюють на твердому, рідкому і газоподібному паливі, (ТЕС);

- гідравлічні, що використовують відповідно гідроресурси, (ГЕС);

- атомні, які використовують як паливо збагачений уран, або інші радіоактивні елементи;

- електростанції, що використовують нетрадиційні джерела енергії (вітрові, сонячні, геотермальні, приливні та відливні).

В Україні майже 2/3 всієї ел/ен виробляють ТЕС.

Перевага ТЕС – відносно вільне розміщення, вдвічі дешевша вартість їх будівництва порівняно з ГЕС.

ГЕС є одним з найефективніших джерел ел/ен, тому що ел/ен у 5-6 раз дешевша ніж на АЕС.

Розміщення ГЕС залежить від природних умов, а виробництво ел/ен має сезонний характер. Будівництво ГЕС на рівнинних річках України завдає значних матеріальних збитків, оскільки потребує затоплення великих територій, що використовуються під водосховища. ГЕС виробляє 4% ел/ен.

Коефіцієнт корисної дії (використання тепла) ГЕС  80 %, ТЕС – 30-35%, ТЕЦ (теплоелектроцентралі) – 70%.

 Коли енергію, яка утворюється в електрогенераторі, подати в теплових одиницях еквівалентної їй енергії і віднести її до кількості тепла, витраченого на створення цієї енергії, то дістанемо коефіцієнт корисної дії (ККД) цього процесу. Чим вище ККД, тим ефективніша схема перетворення теплової енергії в механічну.

ККД дає уявлення про ступені досконалості процесів з точки зору використання та перетворення енергії.

Всі технологічні процеси, що використовуються в промислових технологіях пов’язані із споживанням або виділенням різних видів енергії: - електричної, - теплової, - механічної, - кінетичної, - хімічної, - енергії світла, - ядерної, - сонячної та ін.

Встановлення кількості співвідношень між механічною, тепловою та ел/ен дає змогу на практиці порівнювати і оцінювати витрати енергії.

Схема перетворення в силовій установці хім. енергії (сировина - паливо) в теплову, механічну і електричну, і як наслідок – перетворення ел/ен в інші види ен.

Залежно від потреб споживачів.

2. ТЕС перетворюють хімічну енергію палива (вугілля, нафти, газу) послідовно в теплову, механічну і ел/ен.

За енергетичним устаткуванням ТЕ поділяються на паротурбінні, газотурбінні та дизельні електростанції.

Паротурбінні електростанції (ПТЕС) поділяються на конденсаційні електростанції (КЕС) та теплоелектроцентралі (ТЕЦ).

ТЕЦ відпускають споживачам ел/ен та теплову енергію з паром або гарячою водою.

На ТЕЦ перегріта пара неповністю використовується у турбінах, а частково відбирається для потреб теплофікації. Комбіноване використання тепла значно підвищує економічність теплових ТЕЦ та суттєво знижує вартість 1 кВт/год виробленої ними електроенергії.

На КЕС тепло, яке отримали при спалюванні палива, повністю використовується у турбінах, перетворюється в механічну енергію, а потім електрогенератором в електрострум. Відпрацьована пара відводиться у конденсатор, звідки конденсат пари перекачується насосами знов у парогенератор.

Газотурбінні електростанції (ГТЕС) використовуються як резервні джерела енергії (25 – 110 МВт) для покривання навантаження в години „пік” або у разі виникнення в електросистемах аварійних ситуацій. ККД – 26 – 28%, потужність до кількох сотень МВт.

Дизельна електростанція (ДЕС) – енергетична установка, обладнана одним або кількома електричними генераторами з приводом від дизель – агрегатів. Великі ДЕС мають потужність до 5000 кВт і більше.

ДЕС використовують у сільськогосподарстві, в лісовій промисловості, у пошукових партіях як основне, резервне або аварійне джерело електропостачання силових та освітлювальних мереж. На транспорті ДЕС застосовуються як основне енергетичне обладнання (дизель - електровози).

До складу ТЕС входять:

- паливне господарство та система підготовки палива до спалювання;

- котельне обладнання – сукупність котла та допоміжного обладнання;

- установки водопідготовки та конденсатоочистки;

- система технічного водопостачання;

- система золошлаковидалення;

- електротехнічне господарство;

- система управління енергообладнанням.

Паливне господарство містить приймально – розвантажувальні прилади, транспортні механізми, паливні склади твердого та рідкого палива, прилади для попередньої підготовки палива.

Сукупність обладнання, окремих його елементів, трубопроводів по яким рухається вода і пара, водо паровий тракт станції.

Схема дії ТЕЦ

Потужна ТЕС розміщується на території до 20 Га з протяжністю залізничних колій до 10 км.

Розрахунки показують, що велика сучасна ТЕС потужністю 3000 МВт спалює за добу 25920 т вугілля, поглинає з атмосфери 60650 т кисню на (на 1 м² на поверхні Землі О₂ в атмосфері 2,3 т), викидає в атмосферу шкідливих газів: CO₂ – 8160 т, SO₂ – 1290 т, NO₂ – 850 т, створює шлаку та золи 1348 т, під відвали яких необхідно щороку ??????

ГЕС – це комплекс силових установок і споруд, призначених для перетворення механічної енергії води в електричну. ГЕС мають значні переваги перед ТЕС. Вони зовсім не потребують палива, мають просте обладнання. Прості в обслуговуванні, дешевші в експлуатації і забезпечують високу маневреність та надійність в електропостачанні. Можливо повністю авторизувати технологічний процес.

Питома вага капіталовкладень на будівництво великий ГЕС у 2 – 3 рази вища ніж ТЕС. Строки будівництва ГЕС в 2,5 – 3 рази перевищують строки для спорудження ТЕС

У ГЕС потоки води підводяться до водяних турбін, де енергія руху води перетворюється в механічну енергію обертання реакторів турбін. Турбіни обертають ротори генераторів, які перетворюють механічну енергію в електричну.

За висотою напору води, що створюється висотою греблі, ГЕС поділяються на:

- низьконапірні (до 30 м),

- середньонапірні ( до 50 м),

- високонапірні (> 50 м).

Гідроакумулюючі електростанції ГАЕС споживають і накопичують енергію, коли вона є в надлишку і повертають її в електромережу, коли її недостатньо. Таким чином, вони регулюють виробництво і споживання ел/ен в часі.

ГАЕС мають нижній і верхній водяні басейни (водосховища), між якими встановлено електрогенератори з турбінами, які можуть працювати як насоси, коли споживають надлишкову ел/ен, качають воду з нижнього водосховища у верхнє – накопичують потенціальну енергію води, або працюють як гідротурбіни з ел/генераторами, коли вода перетікає з верхнього в нижнє водосховище в ті періоди часу, коли енергії в об’єднаній електромережі недостатньо.

АЕС. Джерелом отримання енергії на АЕС є ланцюгова реакція ділення ядер атомів важких елементів. Ця реакція відбувається в атомних реакторах з виділенням великої кількості тепла.

Основними елементами ядерного реактору являється:

- ядерне паливо (U²³⁵, Pu²³⁹, U²³⁸),

- уповільнювач нейтронів (тяжка або звичайна вода, графіт і т.і.),

- теплоносій для виводу енергії, яка утворюється в результаті роботи реактору (вода, рідкий натрій),

- пристрій для регулювання скорості реакції (стержні, що вводяться у робочий простір, які містять кадмій або бор – речовини, які добре поглинають нейтрони).

Ззовні реактор оточують захисною оболонкою, яка затримує γ – випромінення і нейтрони. Оболонку виконують із бетону зі залізним заповнювачем.

Природній урай складається з двох ізотопів: U²³⁵,U²³⁸. Але ізотоп U²³⁵ складає всього 1/140 частину від більш поширеного U²³⁸. Ядра U²³⁵ діляться під впливом швидких і повільних нейтронів. Ділення ядер урану U²³⁸ стає можливим за опромінення його швидкими нейтронами.

На АЕС отримане в реакторі тепло перетворюється на ел/ен за допомогою парових турбін і ел/генераторів. В парових турбінах використовують водяний пар.

Атомна енергетика займає 24% у загально енергетичному балансі України.

Гідроенергетика та інші нетрадиційні джерела разом близько 3%.

Схема технології виробництва атомної енергії