Электростанции

Отходы  из топочных камер удаляют водой  по смывным каналам; затем шлако-водяную  смесь центробежными насосами перекачивают в золоотвалы. Летучую золу, уловленную в золоуловителях, удаляют с помощью  воды или воздуха. При использовании  в качестве топлива мазута в топливное  хозяйство входят мазутные баки, насосы, подогреватели, трубопроводы.

Главный корпус ТПЭС, в котором размещены  энергоблоки, вспомогательные производственные установки и сооружения, электрические  распределительные устройства, лаборатории, мастерские, склады и другие помещения  размещают на производственной территории ТПЭС общей площадью в 30–70 га. Территорию для конденсационной электростанции выбирают вне городов, возможно ближе к источнику водоснабжения и топливной базе. ТЭЦ располагают вблизи потребителей тепла.

В СССР на ТПЭС производилось (1975) ~99% электроэнергии, вырабатываемой ТЭС. В качестве топлива  на таких ТЭС используют уголь, мазут, природный газ, лигнит, торф, сланцы. Их КПД достигает 40%, мощность до 3 ГВт. ТПЭС, имеющие в качестве привода электрогенераторов конденсационные турбины и не использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называются конденсационными (ГРЭС). На ГРЭС вырабатывается около 2/3 электроэнергии, производимой на ТЭС. ТПЭС, оснащенные теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называемым теплоэлектроцентралями (ТЭЦ); ими вырабатывается около 1/3 электроэнергии, производимой на ТЭС.

ТЭС с приводом электрогенератора  от газовой турбины называются газотурбинными электростанциями (ГТЭС). В камере сгорания ГТЭС сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания с температурой 750-900^оС поступают в газовую турбину, вращающую электрогенератор. КПД таких ТЭС обычно составляет 26-28%, мощность – до нескольких сотен МВт. ГТЭС обычно применяются для покрытия пиков электрической нагрузки.

 

рис. № 3

Принципиальная  схема тепловой электростанции представлена на рис. № 3. Стоит иметь в виду, что в ее конструкции может быть предусмотрено несколько контуров – теплоноситель от тепловыделяющего реактора может не идти сразу на турбину, а отдать свое тепло в теплообменнике теплоносителю следующего контура, который уже может поступать на турбину, а может дальше передавать свою энергию следующему контуру. Также в любой электростанции предусмотрена система охлаждения отработавшего теплоносителя, чтобы довести температуру теплоносителя до необходимого для повторного цикла значения. Если поблизости от электростанции есть населенный пункт, то это достигается путем использования тепла отработавшего теплоносителя для нагрева воды, для отопления домов или горячего водоснабжения, а если нет, то излишнее тепло отработавшего теплоносителя просто сбрасывается в атмосферу в градирнях (их можно видеть на рисунке обложки: из себя они представляют широкие конусообразные трубы). Конденсатором отработавшего пара на неатомных электростанциях чаще всего служат именно градирни.

ТЭС, вырабатывающая электрическую энергию  в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Среди ТЭС  преобладают тепловые паротурбинные (ТПЭС), на которых тепловая энергия  используется в парогенераторе для  получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор паровой  турбины, соединённый с ротором  электрического генератора (обычно синхронного  генератора). В качестве топлива на таких ТЭС используют уголь (преимущественно), мазут, природный газ, лигнит, торф, сланцы.

ТПЭС, имеющие в качестве привода электрогенераторов конденсационные турбины и не использующие тепло отработавшего  пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называются конденсационными электростанциями. На ГРЭС вырабатывается около электроэнергии, производимой на ТЭС. ТПЭС, оснащенные теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называемым теплоэлектроцентралями (ТЭЦ); ими вырабатывается около электроэнергии, производимой на ТЭС.

ТЭС с приводом электрогенератора от газовой турбины называются газотурбинными электростанциями (ГТЭС). В камере сгорания ГТЭС сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания с температурой

750-900^оС поступают в газовую турбину, вращающую электрогенератор. Кпд таких ТЭС обычно составляет 26–28%, мощность – до нескольких сотен МВт. ГТЭС обычно применяются для покрытия пиков электрической нагрузки.

ТЭС с парогазотурбинной установкой, состоящей из паротурбинного и газотурбинного агрегатов, называется парогазовой  электростанцией (ПГЭС), кпд которой  может достигать 42 – 43%. ГТЭС и ПГЭС также могут отпускать тепло  внешним потребителям, то есть работать как ТЭЦ.

Тепловые  электростанции используют широко распространенные топливные ресурсы, относительно свободно размещаются и способны вырабатывать электроэнергию без сезонных колебаний. Их строительство ведется быстро и связано с меньшими затратами  труда и материальных средств. Но у ТЭС есть существенные недостатки. Они используют невозобновимые ресурсы, обладают низким КПД (30–35%), оказывают  крайне негативное влияние на экологическую  обстановку. ТЭС всего мира ежегодно выбрасывают в атмосферу 200–250 млн. т золы и около 60 млн. т сернистого ангидрида, а также поглощают огромное количество кислорода. Установлено, что уголь в микродозах почти всегда содержит и радиоактивный изотоп углерода. Большинство ТЭС России не оснащены эффективными системами очистки уходящих газов от оксидов серы и азота. Хотя установки, работающие на природном газе экологически существенно чище угольных, сланцевых и мазутных, вред природе наносит прокладка газопроводов (особенно в северных районах).

В конечном итоге можно сделать  следующие выводы:

Факторы «За» ТЭС:

1. Высокая мощность.
2. Возможность использовать продукты деятельности ТЭС для отопления домов и в других целях.
3. Распространенность используемых ресурсов.

Факторы «Против» ТЭС:

1. Самая высокая степень загрязнения окружающей среды.
2. Расход большого количества органического топлива.
3. Низкий КПД около 30%.

4. ТЭЦ

ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) представляют собой установки по комбинированному производству электроэнергии и теплоты. Их КПД доходит до 70% против 30–35% на КЭС. ТЭЦ привязаны к потребителям, т.к. радиус передачи теплоты (пара, горячей воды) составляет 15–20 км. Максимальная мощность ТЭЦ меньше, чем КЭС.

1. Схема снабжения котлов газом. Подготовка к сжиганию газообразного топлива

Природный газ – высокоэффективный вид  топлива. Высокая теплота сгорания, практическое отсутствие в нём серы и золы предопределяет его использование, прежде всего, бытовыми потребителями, отопительными котельными, а также промышленными предприятиями, расположенными вблизи городов и на городских ТЭЦ.

Поступающий по трубопроводам газ дросселируется с помощью клапанов до давления 0,2 – 0,3 МПа. В случае резкого сужения сечения трубопровода происходит увеличение скорости за счёт падения давления, как при истечении через сопло. Если затем сечение трубопровода резко увеличить, то в результате трения и завихрения потока скорость гасится и переходит в тепло, а начальное давление не восстанавливается. Этот процесс называется дросселированием.

Дросселирование применяется для регулирования  и для снижения давления

Затем газ поступает в газовые магистрали котельной, от которых подводится к  парогенератору. На подводящих к котлу  трубопроводах помимо отключающей  задвижки устанавливают клапан, регулирующий подачу газа к котлу и диафрагма  для замера расхода газа. В пределах парогенератора имеется разводка газа к каждой горелке.

На  тепловых электрических станциях устанавливаются  котлы большой паропроизводительности, оборудованные камерными топками.

В камерных топках сжигают газообразное топливо без всякой подготовки.

При сжигании газообразного топлива  имеют место лишь две стадии – подогрев и сгорание. Первичное смесеобразование газа и воздуха осуществляется с помощью горелок, в которых организуется закручивание потока воздуха. Воспламенение газа происходит на поверхности газовой струи и затем распространяется на весь поток

2. Влияние ТЭЦ на окружающую среду

Из  всех, существующих на нынешний день видов  электростанций тепловые станции, работающие на органическом топливе, более всего  загрязняют атмосферу. Объёмы загрязнения  окружающей среды и вид загрязнения  зависят от типа и мощности станций  Результатом работы тепловых станций  является загрязнение атмосферы  углекислотой, выделяющейся при сжигании топлива, окисью углерода, окислами серы, углеводородами, окислами азота, огромными  количествами твёрдых частиц (зола) и другими вредными веществами. Кроме  того происходит значительное тепловое загрязнение водоёмов при сбрасывании  в них тёплой воды

Увеличение  количества углекислоты в атмосфере  Земли ведёт к возникновению  так называемого «парникового эффекта». Углекислый газ поглощает длинноволновое излучение нагретой поверхности Земли, нагревается и тем самым способствует сохранению на ней тепла. Увеличение доли углекислого газа в атмосфере может привести к повышению на несколько градусов температуры низких слоёв атмосферы, а это в свою очередь, может привести к таянию ледников Гренландии и Антарктиды и затоплению части суши

Наряду  с увеличением содержания углекислого  газа, происходит уменьшение доли кислорода  в атмосфере, который расходуется  на сжигание топлива на тепловых станциях

Вредное воздействие на животный и растительный мир оказывает загрязнение атмосферы  окисью серы. Наибольшее загрязнение  атмосферы серой приходится как  раз на долю электростанций и отопительных установок 

Вредное воздействие окиси углерода на человека и животных состоит в том, что  она, соединяясь с гемоглобином крови, очень быстро лишает организм кислорода 

Станции, работающие на угле, потребляют его в больших количествах и больше всего выбрасывают загрязняющих атмосферу веществ. Выбросы в атмосферу зависят от качества сжигаемого угля

Сбросы  горячей воды в водоёмы и повышение  вследствие этого их температуры  приводят к нарушению экологического равновесия, установившегося в естественных условиях, что неблагоприятно влияет на флору и фауну. Тепловое загрязнение  водоёмов может быть уменьшено с  переходом на замкнутые циклы  использования воды

 

рис. № 4

Таким образом, мы видим, что влияние ТЭЦ (рис. № 4) на биосферу огромно и неблагоприятно. Но, несмотря на это, пока тепловые электростанции и теплоэлектроцентрали остаются преобладающими при производстве электроэнергии и тепла для нужд человека

5. АЭС

Атомная электростанция (АЭС), электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (в основном ). При делении 1г. изотопов урана или плутония высвобождается 22500 кВт/ч, что эквивалентно энергии, содержащейся в 2800 кг условного топлива. Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе. Кроме того, необходимо учитывать всё увеличивающийся объём потребления угля и нефти для технологических целей мировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентом тепловых электростанций. Несмотря на открытие новых месторождений органического топлива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относит увеличению его стоимости. Это создаёт наиболее тяжёлые условия для стран, имеющих ограниченные запасы топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшего развития атомной энергетики, которая уже занимает заметное место в энергетическом балансе ряда промышленных стран мира.

Первая  в мире АЭС опытно-промышленного  назначения мощностью 5 МВт  была пущена в СССР 27 июня 1954 г. в г. Обнинске. До этого энергия атомного ядра использовалась преимущественно в военных целях. Пуск первой АЭС ознаменовал открытие нового направления в энергетике, получившего признание на 1-й Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии (август 1955, Женева).

В 1958 была введена в эксплуатацию 1-я  очередь Сибирской АЭС мощностью 100 МВт (полная проектная мощность 600 МВт). В том же году развернулось строительство Белоярской промышленной АЭС, а 26 апреля 1964 генератор 1-й очереди (блок мощностью 100 МВт) выдал ток в Свердловскую энергосистему, 2-й блок мощностью 200 МВт сдан в эксплуатацию в октябре 1967. Отличительная особенность Белоярской АЭС ‒ перегрев пара (до получения нужных параметров) непосредственно в ядерном реакторе, что позволило применить на ней обычные современные турбины почти без всяких переделок.

В сентябре 1964 был пущен 1-й блок Нововоронежской  АЭС мощностью 210 МВт. Себестоимость 1 кВт/ч электроэнергии (важнейший экономический показатель работы всякой электростанции) на этой АЭС систематически снижалась: она составляла 1,24 коп. в 1965, 1,22 коп. в 1966, 1,18 коп. в 1967, 0,94 коп. в 1968. Первый блок Нововоронежской АЭС был построен не только для промышленного пользования, но и как демонстрационный объект для показа возможностей и преимуществ атомной энергетики, надёжности и безопасности работы АЭС. В ноябре 1965 в г. Мелекессе Ульяновской области вступила в строй АЭС сводо-водяным реактором «кипящего» типа мощностью 50 МВт, реактор собран по одноконтурной схеме, облегчающей компоновку станции. В декабре 1969 был пущен второй блок Нововоронежской АЭС (350 МВт).

За  рубежом первая АЭС промышленного  назначения мощностью 46 МВт была введена в эксплуатацию в 1956 в Колдер-Холле (Англия). Через год вступила в строй АЭС мощностью 60 МВт в Шиппингпорте (США).

Наиболее  часто на АЭС применяются 4 типа реакторов  на тепловых нейтронах: 1) водо-водяные  с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя; 2) графито-водные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем; 3) тяжеловодные с водяным  теплоносителем и тяжёлой водой  в качестве замедлителя; 4) графито-газовые  с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем.

Выбор преимущественно применяемого типа реактора определяется главным образом  накопленным опытом в реакторостроении, а также наличием необходимого промышленного  оборудования, сырьевых запасов и т.д. В СССР строят главным образом графито-водные и водо-водяные реакторы. На АЭС США наибольшее распространение получили водо-водяные реакторы. Графито-газовые реакторы применяются в Англии. В атомной энергетике Канады преобладают АЭС с тяжеловодными реакторами.