Тема: Виды и способы получения энергии

Тема: Виды и способы получения энергии

1. Энергия и eё виды

2. Способы получения и преобразования энергии

3. Электрические и тепловые нагрузки и способы их регулирования

4. Нетрадиционные способы получения энергии

5. Транспортирование тепловой и электрической энергии

6. Энергетическое хозяйство промышленного предприятия

7. Тарифы на тепловую и электрическую энергию

Энергия и её виды

Энергия (от греч. energeia — действие, деятельность) — общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи.

Виды энергии: механическая, химическая, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т.д.

Понятие энергии связывает воедино все явления природы, общим для которых является закон сохранения энергии: «Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; она может только переходить из одной формы в другую».

Единицы измерения энергии: Дж, кДж, МДж, кВт∙ч, кал, ккал, Мкал, Гкал и т.д.

Работа — количественная характеристика преобразования энергии в физических процессах. Работа системы положительна, если она отдает энергию и отрицательна, если — получает.

Во всех механизмах при совершении работы энергия переходит из одного вида в другой. Но при этом нельзя получить энергии одного вида больше, чем другого, при любых ее превращениях, т. к. это противоречит закону сохранения энергии.

Электрическая энергия является одним из совершенных видов энергии.

Её широкое использование обусловлено следующими факторами:

– получением в больших количествах вблизи месторождения ресурсов и водных источников;

– возможностью транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;

– способностью трансформации в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую, световую;

– отсутствием загрязнения окружающей среды;

– внедрением на основе электроэнергии принципиально новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.

Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива.

Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности, в электрическую, осуществляется на станциях, которые в своем названии содержат указания на то, какой вид первичной энергии преобразуется на них в электрическую:

– на тепловой электрической станции (ТЭС) — тепловая;

– гидроэлектростанции (ГЭС) — механическая (энергия движения воды);

– гидроаккумулирующей станции (Г АЭС) — механическая (энергия движения предварительно наполненной в искусственном водоеме воды);

– атомной электростанции (АЭС) — атомная (энергия ядерного топлива);

– приливной электростанции (ПЭС) — приливов.

В Республике Беларусь более 95 % энергии вырабатывается на ТЭС, которые по назначению делятся на два типа:

– конденсационные тепловые электростанции (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии;

– теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых осуществляется комбинированное производство электрической и тепловой энергии.

2. Способы получения и преобразования энергии

Тепловая электростанция включает комплект оборудования, в котором внутренняя химическая энергия топлива (твердого, жидкого или газообразного) превращается в тепловую энергию воды и пара, преобразующуюся в механическую энергию вращения, которая и вырабатывает электрическую энергию. Схема выработки электроэнергии на ТЭС представлена на рисунке 1.

Как видно из представленной схемы, поступающее со склада (С) в парогенератор (ПГ)топливо при сжигании выделяет тепловую энергию, которая, нагревая подведенную с водозабора (ВЗ)воду, преобразует ее в энергию водяного пара с температурой 550 ^оС. В турбине (1) энергия водяного пара превращается в механическую энергию вращения, передающуюся на генератор (Г),который превращает ее в электрическую. В конденсаторе пара (К)отработанный пар с температурой 123 – 125^оС отдает скрытую теплоту парообразования охлаждающей его воде и с помощью циркулярного насоса (Н)в виде конденсата вновь подается в котел-парогенератор.

Схема ТЭЦ отличается от ТЭС тем, что взамен конденсатора устанавливается теплообменник, где пар при значительном давлении нагревает воду, подаваемую в главные тепловые магистрали.

Котельная установка — это комплекс устройств для получения водяного пара под давлением или горячей воды. Она состоит из котлоагрегата и вспомогательного оборудования, газо- и воздухопроводов, трубопроводов пара и воды с арматурой, тягодутьевых устройств и др.

Районные, или производственные котельные предназначены для централизованного теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства или самого предприятия. С вводом в действие ТЭЦ некоторые из них остались без дела и могут использоваться как резервные и пиковые, и тогда их называют резервно-пиковыми.

Газотурбинная установка — предназначена для получения электрической энергии за счет химической энергии жидкого или газообразного топлива.

В газотурбинной установке (рисунок 2) воздух, сжатый до некоторого давления в компрессоре 1, поступает в камеру сгорания 5, где его температура повышается за счет сжигания топлива, подающегося топливным насосом 4. Продукты сгорания под давлением и при высокой температуре подводятся к турбине 2, в которой совершается работа расширения газа. При этом давление и температура падают. Далее продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

Парогазовая установка — это турбинная теплосиловая установка, в тепловом цикле которой используются два рабочих тела — водяной пар и дымовые газы, поступающие из котлоагрегата.

Поступающий из атмосферы в компрессор 1 (рисунок 3) воздух сжимается с повышением температуры и подается в камеру сгорания 5, в которую при помощи топливного насоса и впрыскивается топливо. В камере сгорания 5 происходит горение топлива, а образующиеся газы поступают в газовую турбину 2, где и совершается работа.

Отработанные газы с температурой 350^оС и пониженным давлением поступают в подогреватель 6, где отдают часть теплоты для подогрева питательной воды, поступающей в котел 7 и, охладившись при этом, сбрасываются в атмосферу. Питательная вода используется в котле для получения пара, который поступает в паровую турбину 8 с температурой 540 ^оС. В ней пар расширяется, производя работу. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор 9, в котором конденсируется, конденсат насосом 10 направляется сначала в подогреватель 6, где воспринимает тепло отработавших в газовой турбине газов, а затем — в паровой котел 7. Расходы пара и газа подбираются таким образом, чтобы вода воспринимала максимальное количество теплоты газов. Термический коэффициент полезного действия установок — свыше 60 %.

О том, насколько эффективно внедрение паротурбинных установок, показывает внедрение в Витебском производственном объединении «Витязь» двух паротурбинных установок, которые способны вырабатывать 1500 кВт электроэнергии (по 750 кВт каждая) и ежемесячно экономить до 30 тыс. долларов на покупку энергии. Срок окупаемости проекта — чуть больше года.

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

Технологический процесс получения электроэнергии на ГЭС включает:

– создание разных уровней воды в верхнем и нижнем бьефах;

– превращение энергии потока воды в энергию вращения вала гидравлической турбины;

– превращение гидрогенератором энергии вращения в энергию электрического тока.

В этот комплекс входят:

1 плотина;

2 затворы;

3 максимальный уровень верхнего бьефа;

4 минимальный уровень верхнего бьефа;

5 гидравлический подъемник;

6 сороудерживающая решетка;

7 гидрогенератор;

8 гидравлическая турбина;

9 минимальный уровень нижнего бьефа;

10 максимальный паводковый уровень.

Гидроаккумулирующая электростанция представляет собой такую гидроэлектростанцию, в которой поступление воды в водоем верхнего бьефа обеспечивается искусственно, посредством насосов, работающих за счет электроэнергии из системы. Она оборудована кроме турбин насосами (помпами) или только турбинами, которые могут работать в режиме помп (обратные турбины) для подъема воды в часы малых нагрузок в энергосистеме с нижнего бьефа в водохранилище верхнего бьефа за счет подключения к энергосистеме. При больших нагрузках ГАЭС работают как обычные ГЭС.

Тепловые схемы АЭС зависят от типа реактора; вида теплоносителя; состава оборудования и могут быть одно- , двух- и трехконтурными.

Схема выработки электроэнергии на одноконтурной АЭС представлена на рисунке 4.

Пар вырабатывается непосредственно в реакторе и поступает в паровую турбину. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и конденсат подается насосом в реактор. Схема проста, экономична. Однако пар (рабочее тело) на выходе из реактора становится радиоактивным, что предъявляет повышенные требования к биологической защите и затрудняет проведение контроля и ремонта оборудования.

В двухконтурных схемах производства электроэнергии на АЭС имеется два самостоятельных контура (рисунок 5) — теплоносителя и рабочего тела. Общее оборудование у них — парогенератор, в котором нагретый в реакторе теплоноситель отдает свою теплоту рабочему телу и при помощи циркуляционного насоса возвращается в реактор.

Давление в первом контуре (контуре теплоносителя) значительно выше, чем во втором. Полученный в теплогенераторе пар подается в турбину, совершает работу, затем конденсируется, и конденсат питательным насосом подеётся в парогенератор. Хотя парогенератор усложняет установку и уменьшает её экономичность, но препятствует радиоактивности во втором контуре.

В трехконтурной схеме теплоносителями первого контура служат жидкие металлы (например, натрий). Радиоактивный натрий из реактора поступает в теплообменник промежуточного контура с натрием, которому отдает теплоту и возвращается в реактор. Давление натрия во втором контуре выше, чем в первом, что исключает утечку радиоактивного натрия. В промежуточном втором контуре натрий отдает теплоту рабочему телу (воде) третьего контура. Образовавшийся пар поступает в турбину, совершает работу, конденсируется и поступает в парогенератор.

Трехконтурная схема требует больших затрат, но обеспечивает безопасную работу реактора.

Отличие ТЭС от АЭС состоит в том, что источником теплоты на ТЭС является паровой котел, в котором сжигается органическое топливо; на АЭС — ядерный реактор, теплота в котором выделяется делением ядерного топлива, обладающего высокой теплотворной способностью (в миллионы раз выше, чем органическое топливо). Один грамм урана содержит 2,6 10²¹ ядер, при делении которых выделяется 2000 кВт∙ч энергии. Для получения такого же количества энергии нужно сжечь более 2000 кг угля.

Однако при эксплуатации АЭС образуется большое количество радиоактивных веществ в топливе, теплоносителе, конструкционных материалах. Поэтому АЭС является источником радиационной опасности для обслуживающего персонала и проживающего вблизи населения, что повышает требование к надежности и безопасности её эксплуатации.

Теплоэлектрацентраль (ТЭЦ) — это тепловая электростанция, вырабатывающая не только электрическую энергию, но и тепло, отпускаемое потребителям в виде пара и горячей воды для коммунально-бытового потребления. При такой комбинированной выработке тепловой и электрической энергии в тепловую сеть отдается главным образом теплота отработавшего в турбинах пара (или газа), что приводит к снижению расхода топлива на 25-30 % по сравнению с раздельной выработкой энергии на КЭС или ГРЭС (государственные районные электростанции) и теплоты в районных котельных.

Тема: Виды и способы получения энергии

1. Энергия и eё виды

2. Способы получения и преобразования энергии

3. Электрические и тепловые нагрузки и способы их регулирования

4. Нетрадиционные способы получения энергии

5. Транспортирование тепловой и электрической энергии

6. Энергетическое хозяйство промышленного предприятия

7. Тарифы на тепловую и электрическую энергию

Энергия и её виды

Энергия (от греч. energeia — действие, деятельность) — общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи.

Виды энергии: механическая, химическая, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т.д.

Понятие энергии связывает воедино все явления природы, общим для которых является закон сохранения энергии: «Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; она может только переходить из одной формы в другую».

Единицы измерения энергии: Дж, кДж, МДж, кВт∙ч, кал, ккал, Мкал, Гкал и т.д.

Работа — количественная характеристика преобразования энергии в физических процессах. Работа системы положительна, если она отдает энергию и отрицательна, если — получает.

Во всех механизмах при совершении работы энергия переходит из одного вида в другой. Но при этом нельзя получить энергии одного вида больше, чем другого, при любых ее превращениях, т. к. это противоречит закону сохранения энергии.

Электрическая энергия является одним из совершенных видов энергии.

Её широкое использование обусловлено следующими факторами:

– получением в больших количествах вблизи месторождения ресурсов и водных источников;

– возможностью транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;

– способностью трансформации в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую, световую;

– отсутствием загрязнения окружающей среды;

– внедрением на основе электроэнергии принципиально новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.

Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива.

Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности, в электрическую, осуществляется на станциях, которые в своем названии содержат указания на то, какой вид первичной энергии преобразуется на них в электрическую:

– на тепловой электрической станции (ТЭС) — тепловая;

– гидроэлектростанции (ГЭС) — механическая (энергия движения воды);

– гидроаккумулирующей станции (Г АЭС) — механическая (энергия движения предварительно наполненной в искусственном водоеме воды);

– атомной электростанции (АЭС) — атомная (энергия ядерного топлива);

– приливной электростанции (ПЭС) — приливов.

В Республике Беларусь более 95 % энергии вырабатывается на ТЭС, которые по назначению делятся на два типа:

– конденсационные тепловые электростанции (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии;

– теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых осуществляется комбинированное производство электрической и тепловой энергии.

2. Способы получения и преобразования энергии

Тепловая электростанция включает комплект оборудования, в котором внутренняя химическая энергия топлива (твердого, жидкого или газообразного) превращается в тепловую энергию воды и пара, преобразующуюся в механическую энергию вращения, которая и вырабатывает электрическую энергию. Схема выработки электроэнергии на ТЭС представлена на рисунке 1.

Как видно из представленной схемы, поступающее со склада (С) в парогенератор (ПГ)топливо при сжигании выделяет тепловую энергию, которая, нагревая подведенную с водозабора (ВЗ)воду, преобразует ее в энергию водяного пара с температурой 550 ^оС. В турбине (1) энергия водяного пара превращается в механическую энергию вращения, передающуюся на генератор (Г),который превращает ее в электрическую. В конденсаторе пара (К)отработанный пар с температурой 123 – 125^оС отдает скрытую теплоту парообразования охлаждающей его воде и с помощью циркулярного насоса (Н)в виде конденсата вновь подается в котел-парогенератор.

Схема ТЭЦ отличается от ТЭС тем, что взамен конденсатора устанавливается теплообменник, где пар при значительном давлении нагревает воду, подаваемую в главные тепловые магистрали.

Котельная установка — это комплекс устройств для получения водяного пара под давлением или горячей воды. Она состоит из котлоагрегата и вспомогательного оборудования, газо- и воздухопроводов, трубопроводов пара и воды с арматурой, тягодутьевых устройств и др.

Районные, или производственные котельные предназначены для централизованного теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства или самого предприятия. С вводом в действие ТЭЦ некоторые из них остались без дела и могут использоваться как резервные и пиковые, и тогда их называют резервно-пиковыми.

Газотурбинная установка — предназначена для получения электрической энергии за счет химической энергии жидкого или газообразного топлива.

В газотурбинной установке (рисунок 2) воздух, сжатый до некоторого давления в компрессоре 1, поступает в камеру сгорания 5, где его температура повышается за счет сжигания топлива, подающегося топливным насосом 4. Продукты сгорания под давлением и при высокой температуре подводятся к турбине 2, в которой совершается работа расширения газа. При этом давление и температура падают. Далее продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

Парогазовая установка — это турбинная теплосиловая установка, в тепловом цикле которой используются два рабочих тела — водяной пар и дымовые газы, поступающие из котлоагрегата.

Поступающий из атмосферы в компрессор 1 (рисунок 3) воздух сжимается с повышением температуры и подается в камеру сгорания 5, в которую при помощи топливного насоса и впрыскивается топливо. В камере сгорания 5 происходит горение топлива, а образующиеся газы поступают в газовую турбину 2, где и совершается работа.

Отработанные газы с температурой 350^оС и пониженным давлением поступают в подогреватель 6, где отдают часть теплоты для подогрева питательной воды, поступающей в котел 7 и, охладившись при этом, сбрасываются в атмосферу. Питательная вода используется в котле для получения пара, который поступает в паровую турбину 8 с температурой 540 ^оС. В ней пар расширяется, производя работу. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор 9, в котором конденсируется, конденсат насосом 10 направляется сначала в подогреватель 6, где воспринимает тепло отработавших в газовой турбине газов, а затем — в паровой котел 7. Расходы пара и газа подбираются таким образом, чтобы вода воспринимала максимальное количество теплоты газов. Термический коэффициент полезного действия установок — свыше 60 %.

О том, насколько эффективно внедрение паротурбинных установок, показывает внедрение в Витебском производственном объединении «Витязь» двух паротурбинных установок, которые способны вырабатывать 1500 кВт электроэнергии (по 750 кВт каждая) и ежемесячно экономить до 30 тыс. долларов на покупку энергии. Срок окупаемости проекта — чуть больше года.

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

Технологический процесс получения электроэнергии на ГЭС включает:

– создание разных уровней воды в верхнем и нижнем бьефах;

– превращение энергии потока воды в энергию вращения вала гидравлической турбины;

– превращение гидрогенератором энергии вращения в энергию электрического тока.

В этот комплекс входят:

1 плотина;

2 затворы;

3 максимальный уровень верхнего бьефа;

4 минимальный уровень верхнего бьефа;

5 гидравлический подъемник;

6 сороудерживающая решетка;

7 гидрогенератор;

8 гидравлическая турбина;

9 минимальный уровень нижнего бьефа;

10 максимальный паводковый уровень.

Гидроаккумулирующая электростанция представляет собой такую гидроэлектростанцию, в которой поступление воды в водоем верхнего бьефа обеспечивается искусственно, посредством насосов, работающих за счет электроэнергии из системы. Она оборудована кроме турбин насосами (помпами) или только турбинами, которые могут работать в режиме помп (обратные турбины) для подъема воды в часы малых нагрузок в энергосистеме с нижнего бьефа в водохранилище верхнего бьефа за счет подключения к энергосистеме. При больших нагрузках ГАЭС работают как обычные ГЭС.

Тепловые схемы АЭС зависят от типа реактора; вида теплоносителя; состава оборудования и могут быть одно- , двух- и трехконтурными.

Схема выработки электроэнергии на одноконтурной АЭС представлена на рисунке 4.

Пар вырабатывается непосредственно в реакторе и поступает в паровую турбину. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и конденсат подается насосом в реактор. Схема проста, экономична. Однако пар (рабочее тело) на выходе из реактора становится радиоактивным, что предъявляет повышенные требования к биологической защите и затрудняет проведение контроля и ремонта оборудования.

В двухконтурных схемах производства электроэнергии на АЭС имеется два самостоятельных контура (рисунок 5) — теплоносителя и рабочего тела. Общее оборудование у них — парогенератор, в котором нагретый в реакторе теплоноситель отдает свою теплоту рабочему телу и при помощи циркуляционного насоса возвращается в реактор.

Давление в первом контуре (контуре теплоносителя) значительно выше, чем во втором. Полученный в теплогенераторе пар подается в турбину, совершает работу, затем конденсируется, и конденсат питательным насосом подеётся в парогенератор. Хотя парогенератор усложняет установку и уменьшает её экономичность, но препятствует радиоактивности во втором контуре.

В трехконтурной схеме теплоносителями первого контура служат жидкие металлы (например, натрий). Радиоактивный натрий из реактора поступает в теплообменник промежуточного контура с натрием, которому отдает теплоту и возвращается в реактор. Давление натрия во втором контуре выше, чем в первом, что исключает утечку радиоактивного натрия. В промежуточном втором контуре натрий отдает теплоту рабочему телу (воде) третьего контура. Образовавшийся пар поступает в турбину, совершает работу, конденсируется и поступает в парогенератор.

Трехконтурная схема требует больших затрат, но обеспечивает безопасную работу реактора.

Отличие ТЭС от АЭС состоит в том, что источником теплоты на ТЭС является паровой котел, в котором сжигается органическое топливо; на АЭС — ядерный реактор, теплота в котором выделяется делением ядерного топлива, обладающего высокой теплотворной способностью (в миллионы раз выше, чем органическое топливо). Один грамм урана содержит 2,6 10²¹ ядер, при делении которых выделяется 2000 кВт∙ч энергии. Для получения такого же количества энергии нужно сжечь более 2000 кг угля.

Однако при эксплуатации АЭС образуется большое количество радиоактивных веществ в топливе, теплоносителе, конструкционных материалах. Поэтому АЭС является источником радиационной опасности для обслуживающего персонала и проживающего вблизи населения, что повышает требование к надежности и безопасности её эксплуатации.

Теплоэлектрацентраль (ТЭЦ) — это тепловая электростанция, вырабатывающая не только электрическую энергию, но и тепло, отпускаемое потребителям в виде пара и горячей воды для коммунально-бытового потребления. При такой комбинированной выработке тепловой и электрической энергии в тепловую сеть отдается главным образом теплота отработавшего в турбинах пара (или газа), что приводит к снижению расхода топлива на 25-30 % по сравнению с раздельной выработкой энергии на КЭС или ГРЭС (государственные районные электростанции) и теплоты в районных котельных.