История и методология науки и техники

ИСТОРИЯ и МЕТОДОЛОГИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ

Учебное пособие для магистров

по направлению

ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Челябинск

ВВЕДЕНИЕ

Цель изучения данной дисциплины, включенной в учебные планы подготовки магистров по направлению «Энергетика и электротехника», заключается в изучении исторических этапов развития электроэнергетики и на этой основе формировании у будущего специалиста умения оценивать и прогнозировать характер, темпы и тенденции структурных изменений энергетики и характеристик основного электротехнического оборудования, а также в использовании полученных представлений в самостоятельной исследовательской работе.

Особый интерес представляет исторический процесс развития технологий преобразования первичных энергоресурсов в электроэнергию с позиций единства массы и энергии и их анализ, позволяющий в современных условиях оценить будущее место традиционной технологии, основанной на использовании органического топлива, дальнейшие перспективы атомной энергетики и все возрастающие темпы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Научное развитие электротехники, начиная с XVIII века, и выдающиеся открытия позволяют проследить пути их реализации в разработке энергоустановок, внедрения их в промышленности для повышения эффективности производства. С этих позиций заслуживает внимания и текущее состояние энергетики России и пути повышения экономичности и ресурсосбережения на всех этапах технологической цепочки, включая и потребление энергии.

Знакомство с историей развития энергетики и методами исследований позволяет расширить кругозор и информированность будущего магистра, поможет в освоении учебного плана и формировании компетенций, необходимых для будущей трудовой деятельности в энергетической отрасли.

Область профессиональной деятельности магистров включает в себя совокупность технических средств, способов и методов производства, передачи, распределения, преобразования, применения электрической энергии, управления потоками энергии в условиях интеграционных энергетических и экономических связей и объединений, разработки регламентирующих документов и систем, реализующих эти процессы.

Приоритетными областями деятельности выпускника направления «Электроэнергетика и электротехника» являются проектные и научно-исследовательские организации, высшие учебные заведения и другие организации подготовки кадров, электроэнергетические предприятия и компании, специализирующиеся в области эксплуатации электроэнергетического оборудования, систем электроснабжения, сетевых предприятий для передачи и распределения электроэнергии.

Объектами профессиональной деятельности магистров являются:

электрические станции и подстанции;

электроэнергетические системы и сети;

системы электроснабжения объектов техники и отраслей хозяйства;
электроэнергетические, электротехнические, электрофизические и технологические установки высокого напряжения;

энергетические установки, электростанции и комплексы на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии;

электрические машины, трансформаторы, электромеханические комплексы и системы, включая их управление и регулирование;

электрические аппараты, комплексы и системы электромеханических и электронных аппаратов, автоматические устройства и системы управления потоками энергии;

электрическая изоляция электроэнергетических и электротехнических устройств, кабельные изделия и провода;

средства учета и контроля электроэнергетических потоков;

интеллектуальные компьютерные системы и сети, предназначенные для управления оборудованием электроэнергетического комплекса, включая дистанционные технологии управления.

Таким образом, главной задачей пособия является подготовка магистранта к выполнению самостоятельных исследований в выбранной предметной области с использованием исторического опыта и научных достижений, которыми располагает современная энергетика.

Энергия, единицы измерения

С понятием энергия человек сталкивается постоянно и подчас не задумывается о глубоком смысле и широте его. Энергия определяется как общая количественная мера различных форм движения материи. В соответствии с разнообразием форм движения и различают механическую, тепловую, электрическую, ядерную, химическую и другие виды энергии.

В соответствии с законом сохранения, открытым М.В. Ломоносовым, энергия не теряется, а сохраняется и преобразуется в другие виды энергии.

Поэтому энергия является тем стержнем, который связывает воедино все процессы и явления материального мира. Для объектов энергетики энергетический анализ является основным инструментом исследования процессов преобразования энергии с проверкой на каждом этапе технологического процесса выполнения условия баланса энергии. В процессе преобразования часть энергии может изменять свой вид, что часто усложняет количественный учет и проверку баланса.

Именно потребности измерений энергии на заре развития электротехники стимулировали активное обсуждение на международных выставках 1851 года в Лондоне и 1855 года в Париже необходимости введения единой системы мер и весов. На I Международном конгрессе электриков, состоявшемся в 1881 году, был предложен проект полной системы единиц СГС, в основу которой были положены сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени. Но применение этой системы в инженерных расчетах создавало определенные трудности из-за малости основных единиц. В 1918 году во Франции, а в 1927 году и в СССР была принята система единиц МТС на основе метра, тонны и секунды. Однако и она оказалась неудобной, но уже из-за другой крайности.

В октябре 1960 года XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила проект единой системы единиц, над которым специальная комиссия работала с 1954 года. Эта система стала известна под наименованием Международная система единиц СИ. В 1961 году в СССР был утвержден ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц», которым устанавливалось предпочтительное применение единиц СИ во всех областях науки, техники, образования и народного хозяйства.

Основными единицами СИ являются семь следующих единиц: длины – метр, массы – килограмм, времени – секунда, силы электрического тока – ампер, температуры – кельвин, количества вещества – моль, силы света – кандела.

Кроме основных единиц в состав СИ вводится большое число производных величин, определяемых по отраслям науки и техники. Ниже в табл. 3 приведены производные единицы СИ, которые применяются в электротехнике.

Таким образом, несмотря на разнообразие видов энергии все они измеряются в джоулях. Для механической работы, например, один джоуль определяется работой, выполненной единицей силы на пути в один метр, т.е. 1Дж=1Н·1м.

Производные единицы системы СИ Таблица 3

Величина	Наименование единицы	Обозначение единицы	Выражение через удобные единицы	Выражение через основные единицы
Частота	герц	Гц	–	с-1
Сила	ньютон	Н	–	м кг с-2
Давление	паскаль	Па	Н/м2	м-1 кг с-2
Энергия, работа	джоуль	Дж	Н м	м2 кг с-2
Мощность	ватт	Вт	Дж/с	м2 кг с-3
Количество электричества	кулон	Кл	–	с А
Электрическое напряжение	вольт	В	Вт/А	м2 кг с-3А-1
Электрическая емкость	фарада	Ф	Кл/В	м-2 кг-1 с4 А2
Электрическое сопротивление	ом	Ом	В/А	м2 кг с-3 А-2
Электрическая проводимость	сименс	См	А/В	м-2 кг-1 с3 А2
Поток магнитной индукции	вебер	Вб	В·с	м2 кг с-2 А-1
Магнитная индукция	тесла	Тл	Вб/м2	кг с-2 А-1
Индуктивность	генри	Гн	Вб/А	м2 кг с-2 А-2

Наряду с единицами системы СИ и их производными в специальных областях, в том числе и в энергетике, допускается применение единиц измерения из других систем и даже внесистемных единиц. Так, например, в энергетике для измерения тепловой энергии часто используется калория, имеющая простой физический смысл: за 1 калорию принимается такое количество теплоты, которое повышает температуру 1 грамма воды на 1 градус. Эта единица может рассматриваться как теплоемкость воды, равная 1 кал/(г·град). Из физики известно соотношение калории и джоуля

1 кал=4,187 Дж.

Для измерения электрической энергии повсеместно используется внесистемная единица кВт·ч. Соотношение между кВт·ч и джоулем можно получить используя системную единицу мощности – 1 Ватт:

1 кВт·ч = 10³ Вт ·3600 с =3,6 ·10⁶ Дж.

Учитывая предыдущее соотношение можно определить связь между единицами измерения электрической и тепловой энергии

1 кВт·ч = 3,6·10⁶/4187=860 ккал.

Для измерения больших объемов энергии, имеющих промышленное значение, а также больших и малых значений других физических величин используются приставки кратных и дольных единиц, основные из которых с шагом 1000 перечислены в табл. 4.

Приставки кратных и дольных единиц Таблица 4

Приставка	Множитель	Сокращение
русское	международное
тера	1012	Т	T
гига	109	Г	G
мега	106	М	M
кило	103	к	k
милли	10-3	м	m
микро	10-6	мк	µ
нано	10-9	н	n
пико	10-12	п	p

Применение полученных представлений об энергии и единицах измерения позволяет решать некоторые практические задачи по оценке важнейших технико-экономических показателей, которые характеризуют процессы получения и преобразования энергии с использованием в качестве первичных энергоресурсов органического топлива. Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания, измеряемая в кДж/кг или в ккал/кг и определяющая количество тепловой энергии выделяемой при сгорании 1 кг натурального топлива. Для объективной оценки эффективности процессов выработки энергии на объектах, которые работают на разных видах топлива, вводят понятие условного топлива (у.т.), имеющего фиксированную теплоту сгорания, равную 7000 ккал/кг.

При решении задач будет использоваться понятие коэффициента полезного действия (КПД) как отношения полезной энергии к полной затраченной, и удельного расхода топлива, т.е. расходуемого на единицу полезно отпущенной энергии.

Задача № 2.1.

Сколько воды можно нагреть от температуры t_o=20 ⁰C до кипения на электроплите при расходе электроэнергии W= 1 кВт·ч , если установка работает с КПД 0=50 %.

Решение

Определим общую энергию в ккал, которая поступает в систему нагрева воды из электрической сети

Q=1кВт·ч´860 ккал/ кВт·ч=860 ккал.

Энергия, которая используется для нагрева воды

.

Из условия нагрева воды при

.

Найдём массу воды

.

Задача № 2.2

Сколько мазута расходуется на ТЭС, работающей с КПД=40%, на выработку 1 кВт·ч электроэнергии, если теплота сгорания с=10000 ккал/кг.

Решение

Определим необходимое количество тепловой энергии, которая должна поступить для выработки 1 кВт·ч при известном КПД

.

Определим массу топлива

.

Задача № 2.3

Сколько воды можно нагреть от 20⁰С до кипения в бытовом котле, работающем с при сжигании 0,215 кг мазута, имеющего с= 10000 ккал/кг.

Решение

Количество тепла, выделяемого при сжигании мазута,

.

Объём теплоты, идущий на нагрев воды,

.

Найдём массу воды .

Рассмотренные задачи позволяют оценить эффективностьдвух технологий нагрева воды по критерию расхода первичного энергоресурса – топлива.. Сравнение их показывает, что вторая технология существенно рациональней первой и является энергосберегающей, поскольку здесь первичный энергоресурс (топливо) используется для нагрева воды без промежуточного преобразования энергии, и общий относительный КПД технологии .

В первой же технологии первичная энергия преобразуется в электрическую с КПД , а затем в тепловую, идущую на нагрев с .

Общий КПД определяется как произведение относительных КПД этапов

.

Таким образом, для оценки эффективности различных технологий необходимо составить чёткую схему последовательного преобразования энергии, оценить КПД каждого звена этой схемы и найти общий КПД как их произведение

.

Задача № 2.4

Тепловая электростанция работает с мощностью и удельным расходом топлива в =400 г у.т./кВт·ч.

Определить суточный расход условного топлива и натурального, если теплота сгорания его с=3500 ккал/кг.

Решение

Определим выработку электроэнергии за сутки

.

Найдём расход условного топлива

Определим расход натурального топлива

.

Задача № 2.5

Определить КПД тепловой электростанции, если удельный расход топлива в =312 г у.т./кВт·ч.

Решение

Полезно отпущенная электроэнергия в 1 кВт·ч эквивалентна .

На выработку её расходуется 0,312 кг условного топлива, или в тепловом эквиваленте

Определим относительный КПД ТЭС

.

Задача № 2.6

Определить общий КПД преобразования энергии на ТЭС, если процесс сжигания топлива в котле с образованием пара имеет , преобразование энергии пара в кинетическую энергию в турбине имеет , а КПД преобразования в электрическую энергию имеет .

Решение

Все три звена в схеме преобразования энергии расположены последовательно, поэтому общий КПД

.

Задача № 2.7

На электростанции работают два блока, имеющие расходные характеристики

определяющие расход топлива в т у.т. как функции от часовой нагрузки блока в МВт. Общая нагрузка электростанции .

Найти оптимальную нагрузку каждого блока.

Решение

Критерием оптимальности является минимальный часовой расход топлива

при выполнении условия баланса .

Для определения оптимального режима воспользуемся методом направленного перебора по следующему алгоритму:

1) принимаем произвольное значение мощности первого блока ;

2) по расходной характеристике определяем ;

3) определяем нагрузку второго блока ;

4) находим расход топлива ;

5) определяем общий расход ;

6) изменяем мощность с шагом =20 МВт и повторяем расчёт.

Результаты расчета приведены в табл.

P1, МВт	P2, МВт	B1, т у.т.	B2, т у.т.	B, т у.т.
		14,4	109,2	123,6
		19,6	92,0	111,6
		25,6	76,4	102,0
		32,4	62,4	94,8
		40,0	50,0	90,0
		48,4	39,2	87,6
		57,6		87,6
		52,9	34,4	87,3

Как следует из таблицы, оптимальная мощность блоков равна Р₁=130 МВт, Р₂=70 МВт, минимальный расход топлива на ТЭС В=87,3 т у.т. в час.

На период до 2030 г.

Разрабатываемая техническая политика тесно увязана с Энергетической стратегией России на период до 2030г., которая определяет основные количественные и качественные показатели развития энергетики страны на данный период.

Основные задачи технической политики:

- Разработка и создание новой техники и технологий для решения крупномасштабных программных задач развития электроэнергетики, обеспечивающих надёжную работу ЕЭС России, сбалансированную по регионам страны структуру высокоэффективных, экологически чистых генерирующих мощностей тепловой, гидравлической, атомной энергетики и возобновляемых источников энергии.

– Преодоление тенденции физического и морального старения основных фондов и полный вывод к концу периода устаревшего оборудования в условиях увеличения ввода новых генерирующих мощностей, масштабов работ по реконструкции и техническому перевооружению действующих электростанций на основе применения передовых технологий и технических решений.

- Снижение удельного расхода первичных энергоресурсов в теплоэнергетике за счет широкого применения новейших высокоэффективных технологий при производстве электроэнергии и тепла на газе и твёрдом топливе.

- Повышение эффективности топливоиспользования за счёт увеличения выработки электроэнергии на тепловом потреблении и создание в связи с этим необходимой нормативно-правовой базы, способствующей ускорению развития комбинированной выработки электроэнергии и тепла.

- Ускорение создания новых высокоэффективных экологически чистых технологий производства электрической и тепловой энергии на твёрдом топливе, увеличение доли угля в топливном балансе электроэнергетики и создание тем самым условий для преимущественного эффективного использования природного газа на ПГУ-ТЭЦ и ГТУ-ТЭЦ для электро- и теплоснабжения населения и экономики.

- Повышение надёжности, живучести, управляемости и эффективности систем централизованного теплоснабжения на основе оптимизации схем тепловых сетей, полной к концу периода замены устаревших теплопроводов на прогрессивные конструкции, рационального сочетания источников тепла на органическом топливе и возобновляемых источников, в том числе тепловых насосов, резервирования, внедрения современных систему управления и связи.

-Развитие систем децентрализованного и локального электро- и теплоснабжения на основе использования возобновляемых источников энергии, топливных элементов, солнечных нагревателей, тепловых насосов, высокоавтоматизированного прямого электроотопления с аккумулированием тепла и других источников.

– Развитие электрических связей ЕЭС на переменном и постоянном токе, позволяющих обеспечить устойчивую параллельную работу всех основных регионов ЕЭС России, в том числе Европейской и Сибирской её частей, и их интеграцию с другими энергобъединениями на Евразийском континенте.

– Обеспечение надежной выдачи мощности электрических станций в сеть и создание условий для присоединения к электрической сети участников оптового и розничного рынка на условиях недискриминационного доступа при обеспечении надежности электроснабжения и качества электроэнергии у потребителей.

– Создание технологической инфраструктуры, способствующей эффективному функционированию конкурентного рынка электроэнергии внутри РФ и обеспечивающей интеграцию в международные рынки электроэнергии.

– Совершенствование технологий эксплуатации, технического обслуживания и ремонта электростанций, тепловых и электрических сетей, зданий и сооружений.

-Развитие оперативно-диспетчерского управления и технологической инфраструктуры рынка в целом.

- Повышение технического уровня электроэнергетики на основе создания и широкого применения в электрических сетях и на электростанциях сверхпроводникового оборудования, современных и перспективных отечественных и зарубежных силовых полупроводниковых приборов, микропроцессорной и вычислительной техники.

– Повышение надежности и управляемости ЕЭС посредством использования новой высокоэффективной техники и технологий при новом строительстве, техническом перевооружении и реконструкции объектов генерации, электросетевых объектов, создания пиковых мощностей и высокоманевренных энергоблоков, создания экономически обоснованного резерва мощностей, развития оперативно-диспетчерского управления и технологической инфраструктуры рынка в целом.

-Создание техники и технологий для повсеместного, особенно в мегаполисах и крупных городах, осуществления эффективных энергосберегающих мероприятий, включая использование возобновляемых источников энергии, снижение потерь электроэнергии в электрических и тепла в тепловых сетях. Создание условий для последовательного перехода к концу периода экономики страны на энергосберегающий путь развития.

– Развитие информационной и телекоммуникационной инфраструктуры и централизованного технологического управления.

– Повышение наблюдаемости и автоматизации объектов ЕЭС, внедрение и развитие современных систем диагностики и мониторинга технологического оборудования электростанций, тепловых и электрических сетей, систем релейной защиты и противоаварийной автоматики, инженерных систем, зданий и сооружений, коммерческого и технического учета электроэнергии, тепла, топлива.

- Создание в ЕЭС единой системы нормативно-технических документов, обеспечивающей функционирование и развитие энергопредприятий.

- Крупномасштабный разворот в 2008-2010 г.г. программных научно- исследовательских работ (НИОКР) и обеспечение их необходимым финансированием для достижения положительных результатов;

- Приведение экологических характеристик электроэнергетики в соответствие (гармонизация) с прогрессивными зарубежными требованиями, в том числе ужесточение отечественных норм и стандартов экологического воздействия энергетики на окружающую среду, в том числе на климат планеты.

Производство электроэнергии

Синхронный генератор

Используется для преобразования механической энергии первичного двигателя – турбины в электрическую энергию. Принцип работы синхронного генератора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея, который в самом общем виде устанавливает, что ЕДС определяется скоростью изменения магнитного потока Ф, который пронизывает контур проводника. Синхронный генератор переменного трехфазного тока (рисунок 3.1) состоит из неподвижного статора и вращающегося под действием турбины ротора.

Обычно ротор выполняется в виде электромагнита, имеющего одну или несколько пар полюсов. Магнитный поток создается обмоткой возбуждения, которая питается от специального источника постоянного тока – возбудителя через контактные кольца и щетки. В пазах статора, выполненного из листов электротехнической стали, размещаются медные стержни, соединяемые по торцам в три фазные обмотки, сдвинутые в пространстве на 120 электрических градусов. При вращении ротора в каждом стержне наводится ЭДС, пропорциональная магнитной индукции, длине стержня и скорости вращения ротора.

Рисунок 3.1. Принципиальная схема синхронного генератора

Для получения синусоидальной ЕДС необходимо, чтобы распределение индукции по окружности было синусоидальным. Так как все стержни обмоток соединяются последовательно, то ЕДС на зажимах обмоток определяется суммой ЕДС каждого стержня. За один оборот ротора при одной паре полюсов происходит полный период изменения ЕДС.

Частота переменного тока f при вращении ротора со скоростью n оборотов в минуту и числе пар полюсов p определяется по формуле

f=pn/60.

Мощный синхронный генератор представляет собой сложное и громоздкое сооружение. Масса генератора мощностью 800 МВт составляет около 480 т, а ротора 80 т. Размеры ротора ограничены условиями механической прочности. Длина его не может превышать 8–10 м, а его диаметр 1,2–1,3 м при n=3000 об/мин. Ограничен и внешний диаметр конструкции статора, который не должен превышать железнодорожного габарита.

В этих условиях возможности роста единичной мощности генератора связаны с постоянным усложнением системы охлаждения его. Турбогенераторы мощностью 100 МВт охлаждались воздухом, для 150 МВт пришлось использовать водород, а при переходе на 200 МВт выполнять стержни полыми и прогонять уже и через них водород. В турбогенераторах 300 МВт для охлаждения обмоток статора стали применять дистиллированную воду. Сегодня реализована система охлаждения 3В, при которой воду используют для охлаждения обмоток статора, ротора и железа статора.

Для освоения выпуска новых серий генераторов с высокими технико-экономическими показателями требуются самые современные технологии и новые материалы. Перспективно применение обмоток на основе высокотемпературной сверхпроводимости.

Силовые трансформаторы

Номинальное напряжение, на которое рассчитаны обмотки статора генератора ограничено возможностями изоляции его обмоток и сегодня не превышает 30 кВ. При этом ток статора для мощных генераторов достигает нескольких тысяч ампер. Например, для генератора 800 МВт при номинальном напряжении 24 кВ номинальный ток статора равен 21500 А. Для повышения напряжения и пропорционального снижения тока и применяются блочные трансформаторы.

Принцип действия их основан также на явлениях магнитной индукции(рисунок 3.2). В результате прохождения переменного тока, выдаваемого генератором, по первичной обмотке трансформатора в магнитной системе его создается переменный магнитный поток Ф, который в каждом витке обмоток наводит практически одинаковые ЕДС. Во вторичной обмотке повышающего трансформатора число витков значительно больше, чем в первичной, что и приводит к повышению напряжения.

Отношение числа витков n₂/n₁ определяет величину коэффициента трансформации. Для снижения напряжения у потребителей применяются понижающие трансформаторы.

Рисунок 3.2. Принципиальная схема трансформатора

Мощные трансформаторы имеют сложную конструкцию и значительные размеры. Магнитная система, набранная из тонких изолированных листов электротехнической стали, с обмотками размещается в баке, заполненном трансформаторным маслом. Масло выполняет функции изоляции и отвода тепла. На крышке бака размещаются высоковольтные вводы каждой обмотки и другие элементы конструкции.

Современные трансформаторы и автотрансформаторы должны иметь сниженные потери и затраты на охлаждение, надежные ввода, в том числе с твердой изоляцией, устройства регулирования напряжения под нагрузкой, средства диагностики в темпе процесса, системы предупреждения и тушения пожара.

Высоковольтные выключатели

Для целей включения и отключения основного оборудования электрических установок используются коммутационные аппараты. Наиболее сложными и ответственными из низ являются выключатели. Они предназначены для включения и отключения токов в электрической цепи в нормальных и аварийных режимах. При расхождении контактов при отключении между ними возникает дуга переменного тока, при горении которой образуется плазма, препятствующая разрыву цепи. Для гашения дуги используются специальные дугогасящие устройства, работающие на разных принципах, что и определяет разнообразие типов и конструкций выключателей. На рисунке 3.3 показана принципиальная схема простейшего масляного бакового выключателя, уже давно снятого с производства. Здесь гашение дуги происходит за счет температурного разложения масла и возникновения газового пузыря в межконтактном промежутке.

Важнейшее назначение выключателя – отключение поврежденного в результате короткого замыкания участка электрической цепи. При таком повреждении ток в цепи повышается во много раз, а механические усилия на элементы конструкции и выделяющееся тепло, пропорциональные квадрату тока, могут привести к разрушению элементов электроустановок. При этом сохранение установки во многом определяется техническими характеристиками выключателя: его быстродействием и способностью отключать большие по величине токи, а также качеством работы специальной автоматической релейной эащиты.

Рисунок 3.3. Схема бакового выключателя:

1– бак; 2– масло; 3–крышка корпуса; 4–ввод; 5–отключающая пружина;

6–привод; 7–неподвижный контакт; 8-подвижный контакт; 9–изоляционный цилиндр.

Сегодня вновь строящиеся и реконструируемые подстанции оснащаются элегазовыми и вакуумными выключателями, надежными и более удобными в эксплуатации. Для снижения токов коротких замыканий необходима разработка и внедрение ограничителей на основе устройств силовой полупроводниковой техники.

Разъединители

Эти коммутационные аппараты предназначены для размыкания электрической цепи, в которой отсутствует ток или протекает небольшой ток холостого хода, и создания видимого разрыва в цепи. Последнее важно для обеспечения безопасности проведения работ в действующих электроустановках.

Разъединители имеют различную конструкцию в зависимости от номинального напряжения и тока, места установки и типа привода. На рисунке 3.4 приведена фотография разъединителя коробчатого типа с ручным приводом на напряжение 10 кВ и ток 4000 А.

Разъединители не имеют дугогасящих устройств, поэтому не допускают отключения токов нагрузки.

Рисунок 3.4. Внешний вид разъединителя:

1–крепежная рама; 2–опорные изоляторы; 3–неподвижный контакт;

4–подвижный контакт; 5–изолирующая тяга; 6–ось привода.

При создании и развитии комплекса нового оборудования напряжением 110-1150 кВ необходимо обеспечить повышенную эксплуатационную надежность, оснащение диагностическими комплексами, преимущественное исполнение комплектных распределительных устройств с элегазовым наполнением, применение технически и экономически обоснованного гибкого управления потоками энергии с помощью устройств на базе силовой электроники.

Повышение КПД ТЭС

Одной из важнейших проблем современных ТЭС является низкий КПД, составляющий всего 30,...,35 %. Наибольшие потери связаны с уносом тепла с охлаждающей водой.

Для повышения КПД используется технологическая схема комбинированного производства электроэнергии и тепла, отпускаемого потребителям для производственных нужд или для теплофикации и горячего водоснабжения. С этой целью в турбинах производится отбор пара необходимых параметров после соответствующих ступеней. При этом через конденсатор проходит гораздо меньше пара, что позволяет повысить КПД до 60,…,65 %. Электростанции такого типа называют ТЭЦ (тепло-электро-централь).

Повышение КПД может быть достигнуто и за счет подъема параметров острого пара. По оценкам специалистов повышение температуры пара до 600 ^оС позволит увеличить КПД примерно на 5 %, а подъем давления до 30 МПа – на 3,…,4%.Правда, для этого потребуется металл с более высокими показателями прочности. В 60-е годы прошлого века на Каширской ГРЭС был пущен экспериментальный блок СКР-100 с параметрами пара 31,5 МПа и 650 ^оС, но до промышленной эксплуатации его не удалось довести. Сегодня у нас отсутствуют даже опытно-промышленные образцы блоков на такие параметры, хотя за рубежом они разрабатываются.

Для существенного повышения КПД разработана и уже применяется технологическая схема бинарного цикла с использованием газовой и паровой турбин. Принципиальная схема такой установки показана на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8. Принципиальная схема ПГУ

Простейшая газотурбинная установка (ГТУ) состоит из камеры сгорания (1), газовой турбины (2) и воздушного компрессора (3). Газовая турбина используется здесь для привода синхронного генератора (4) и компрессора. Принцип работы ГТУ прост: сжимаемый компрессором воздух нагнетается в камеру сгорания, в которую подается и газообразное или жидкое топливо. Образовавшиеся продукты сгорания направляются в турбину, для которой они являются рабочим телом. Отработавшие в турбине газы здесь не выбрасываются в атмосферу как в простой ГТУ, а поступают в котел-утилизатор (8), где их тепло используется для производства пара и обеспечения термодинамического цикла по обычной схеме. КПД паро-газовой установки (ПГУ) во многом определяется температурой Т₁ продуктов сгорания на входе газовой турбины. При Т₁=1300 ^оС достигается КПД около 53%. Освоение газовых турбин, способных надежно работать при Т₁=1460 ^оС позволит поднять КПД ПГУ до 60 %. Для начального запуска ГТУ используется разгонный двигатель (9).

Сегодня в мировой практике более половины планируемых к вводу новых блоков на ТЭС будут работать по бинарному циклу. В США, например, уже работают 67 таких электростанций с общей мощностью 40,6 ГВт. Современные ПГУ значительно дешевле угольных ТЭС, дают меньше вредных выбросов, требуют меньше обслуживающего персонала. В России сегодня также вводятся ПГУ. Например, в 2014 г было введено 6 ПГУ-420 и три ПГУ- 230.

Проблемы экологии ТЭС

Технология производства электроэнергии на тепловых электрических