1.2 Типы электростанций
1.2.1 Тепловые электростанции
Тепловая электростанция (ТЭС) – электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива.
Тепловые электростанции подразделяют на четыре типа: конденсационные (КЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), газотурбинные (ГТЭС) и парогазовые (ПГЭС). Ведущую роль в выработке электроэнергии играют КЭС.
Конденсационные электростанции (ГРЭС)
Схема электрических соединений любой электростанции находится в прямой зависимости от ее технологической схемы, поэтому вполне логично начать именно с нее. Принципиальную тепловую схему КЭС см. на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 – Принципиальная тепловая схема КЭС
ПК - паровой котел, Т- турбина, Г- генератор, К - конденсатор, КН - конденсатный насос, Др- деаэратор, ПН- питательный насос, ЦН- циркуляционный насос, ХВО – химводоочистка.
В котел с помощью питательного насоса (ПН) подводится химически очищенная подогретая вода, подается топливо и воздух для горения. В процессе сгорания в топке котла химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию, которая передается питательной воде, последняя нагревается до температуры кипения и испаряется.
Полученный пар с температурой 540 - 560 градусов и давлением 13-24 МПа по трубопроводу подается в паровую турбину, в которой потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Турбина приводит в действие генератор, в нем кинетическая энергия вращения ротора преобразуется в электрическую энергию.
Пар, поступающий со сверхкритическими параметрами, в турбине расширяется до очень низкого давления (примерно в 20 раз меньше атмосферного). Для создания глубокого разряжения и конденсации пара служит конденсатор. На ГРЭС весь пар, прошедший через турбину, направляется в конденсатор, поэтому их называют конденсационными электростанциями (КЭС).
Для конденсации пара необходимо большое количество охлаждающей воды. Холодная вода с помощью циркуляционных насосов (ЦН) подается в конденсатор из реки или пруда-охладителя. Пойдя через конденсатор, вода опять возвращается в водоем. С циркуляционной водой выбрасывается около 50% тепла, что является одной из главных причин низкого КПД КЭС.
С помощью конденсатного насоса (КН) конденсат направляется в деаэратор (Др), где происходит его очистка от пузырьков воздуха, и далее с помощью питательного насоса (ПН) вновь подается в котел. На КЭС одна и та же вода циркулирует по замкнутому контуру, а потери, возникающие вследствие неизбежных утечек пара и воды, восполняются добавками химически очищенной воды из цеха химводоочистки.
Особенности КЭС следующие:
являются наиболее мощными ТЭС с агрегатами по 500-800МВт, потребляют огромное количество топлива (несколько тысяч тонн угля в сутки), загрязняют атмосферу и располагаются вдали от крупных населенных пунктов, как правило, рядом с топливной базой;
выработанную электроэнергию выдают в систему на повышенном напряжении;
сооружаются вблизи реки или водохранилища, так как требуют большого количества воды для охлаждения пара в конденсаторе;
имеют низкий КПД (38-40%);
низко маневренные. Пуск и остановка агрегатов занимает от нескольких часов до нескольких суток. Работают в базовой части графика нагрузки. Блоки останавливают лишь на две-три недели в летний период для планового ремонта;
работают по свободному графику выработки электроэнергии.
Современные КЭС, с агрегатами мощностью по 500 – 1200 МВт, могут иметь установленную мощность 4000 – 6000 МВт. На них отсутствуют поперечные связи по воде, по пару и по электрической энергии. И в тепловой и в электрической части используется блочный принцип построения (рисунок 1.5). В каждом блоке котел, турбина, генератор и повышающий трансформатор последовательно соединены в единую технологическую цепь и не связаны с одноименным оборудованием других блоков.
Рисунок 1.5 - Структурная схема КЭС
К – котел, Т – турбина, Г – генератор, ПТ – повышающий трансформатор, РУ ВН – распределительное устройство высшего напряжения, С – система, Н – нагрузка
Теплоэлектроцентрали
Основное назначение ТЭЦ – выработка тепла для производственных нужд, отопления и горячего водоснабжения. Поэтому они сооружаются вблизи крупных городов с числом жителей более ста тысяч и развитой промышленностью.
В отличие от КЭС, на ТЭЦ не все тепло, произведенное котлом, идет на производство электроэнергии. Частично отработавший пар с температурой 250-300 градусов станция отдает предприятиям, использующим его для производства продукции (например, на шинный завод, производящий автопокрышки).
Другая часть пара с температурой 120-130 градусов направляется в подогреватели сетевой воды или в водогрейные котлы (на рисунке 1.6 не показаны) и используется для отопления и горячего водоснабжения потребителей. Оставшийся пар срабатывается полностью и направляется в конденсатор. Количество выработанной электроэнергии на ТЭЦ находится в прямой зависимости от теплового потребления. Чем больше тепла будет истрачено на промышленные и коммунально-бытовые нужды, тем меньше будет произведено электроэнергии.
Теплофикационные турбины в режиме теплового потребления работают с наивысшим КПД (до 60%). Высокий КПД ТЭЦ объясняется комплексным использованием пара, уменьшающим количество тепла, отдаваемого через конденсатор в окружающее пространство.
Площадку для строительства ТЭЦ выбирают как можно ближе к потребителю, но с учетом «розы ветров», чтобы выбросы из труб были направлены преимущественно в сторону от города. При этом станция зачастую оказывается вдали от естественных водоемов. В таких случаях применяют оборотную систему водоснабжения, при которой для охлаждения циркуляционной воды используют градирни.
Градирня – это пустотелая вытяжная башня высотой до 150 м и диаметром 40 – 70 м, которая создает естественную тягу с направлением воздушного потока снизу вверх. Внутри градирни на высоте 10 – 20 м устанавливают разбрызгивающее устройство. Капли воды летят вниз навстречу воздуху. При этом часть капель испаряется, за счет чего охлаждается вода, поступающая из конденсатора и нагретая в нем. Охлажденная вода собирается внизу в бассейне, откуда подается ЦН обратно в конденсатор. Принципиальная тепловая схема ТЭЦ показана на рисунке 1.6.
Большинство существующих ТЭЦ были построены более 30 лет назад. На них установлены агрегаты мощностью 30 – 60 МВт. Характерной особенностью построения таких станций является наличие в технологической схеме поперечных связей по воде, по пару и по электрической энергии. Принципиальная схема ТЭЦ с поперечными связями показана на рисунке 1.7.
Вода в котлы поступает из общей системы водоснабжения. Выработанный всеми котлами пар из общего паропровода поступает на турбины. Котлы уступают по надежности турбинам. Чтобы выход из строя одного котла не приводил к остановке турбины, число котлов выбирают обычно на 1 – 2 больше числа генераторов. Генераторы выдают энергию на сборные шины генераторного распределительного устройства. От него питается нагрузка на генераторном напряжении и собственные нужды станции. Избыточная мощность через трансформаторы связи поступает на распределительное устройство высшего напряжения, от которого питаются особо мощные или удаленные потребители, а так же отходят линии связи с системой.
Рисунок 1.6 - Принципиальная тепловая схема ТЭЦ
ПК – паровой котел, Т – турбина, Г – генератор, К – конденсатор, КН – конденсатный насос, Др – деаэратор, ПН – питательный насос, ЦН – циркуляционный насос, ХВО – химводоочистка, Гр – градирня, ПСВ – подогреватель сетевой воды
Рисунок 1.7 - Принципиальная схема ТЭЦ с поперечными связями
К – котел, Т – турбина, Г – генератор, ГРУ – генераторное распределительное устройство, Н – нагрузка, СН – собственные нужды, ТС – трансформатор связи, РУ ВН – распределительное устройство высшего напряжения, С – система
Особенности ТЭЦ следующие:
сооружаются вблизи потребителей тепловой и электрической энергии. Работают на привозном топливе;
значительную часть выработанной электроэнергии отдают близлежащим потребителям на генераторном напряжении;
имеют относительно высокий КПД (До 60%);
низко маневренные;
работают по зависящему от теплового потребления графику выработки электроэнергии.
Современные ТЭЦ имеют мощность 1000 –1500 МВт, на них установлены генераторы мощностью 110 – 250 МВт. Включение таких мощных генераторов на параллельную работу приводит к возрастанию токов короткого замыкания, удорожанию, а иногда и невозможности выбора, оборудования. Поэтому для ТЭЦ с генераторами большой мощности рекомендуется применять блочный принцип построения. В этом случае местная нагрузка питается от комплектного распределительного устройства (КРУ) через реакторную отпайку. Блочный принцип построения может быть применен и для генераторов меньшей мощности (60 – 100 МВт), если нагрузка на генераторном напряжении составляет менее 30% от установленной мощности ТЭЦ. Схема блочной ТЭЦ показана на рисунке 1.8.
Большое количество линий, питающих местную нагрузку, требует строительства отдельного здания для генераторного распределительного устройства (ГРУ). Поэтому при нагрузке на генераторном напряжении более 50% мощности ЭС рекомендуется проектировать ТЭЦ с поперечными связями, т.е. с ГРУ. При нагрузке 30 – 50% рассматривают оба варианта, производят технико-экономическое сравнение и выбирают наиболее экономичный из них.
В нормальном режиме напряжение на шинах ГРУ или КРУ поддерживается путем изменения тока возбуждения генераторов. Во время ремонтов, например дымовой трубы, все генераторы останавливают, и местная нагрузка питается от системы. Тогда регулирование напряжения на шинах ГРУ производится с помощью трансформаторов связи. Для этого трансформаторы связи на ТЭЦ оснащены устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН).