Тепловые конденсационные электрические станции

Общая энергетика.

Современные способы получения электрической энергии.

Тепловые конденсационные электрические станции.

Тепловые конденсационные электрические станции преобразовывают энергию органического топлива внача­ле в механическую, а затем в электрическую. Механиче­скую энергию упорядоченного вращения вала получают с помощью тепловых двигателей, преобразующих энер­гию неупорядоченного движения молекул пара или газа.

Все тепловые двигатели подразделяются:
по виду используемого рабочего тела - пар или газ;

по способу преобразования тепловой энергии в механическую— поршневой или ротор­ный (табл. 2.2). В поршневом способе для преобразова­ния используется потенциальная энергия рабочего тела,

Способ работы	Рабочее тело
пар	газ
Поршневой	Паровая машина	Двигатель внутреннего сгорания
Роторный	Паровая турбина	Газовая турбина

получаемая при его нагревании. В роторном способе используется кинетическая энергия движущихся с боль­шой скоростью частиц рабочего тела.

Паровая машина была единственным двигателем, используемым в промышленности и на транспорте в XVIII и XIX вв. В настоящее время она практически не встречается, а широко применявшиеся в прошлом паро­возы и пароходы почти полностью сняты с производства.

В настоящее время наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, используемые на автомобильном транспорте. В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания находят ограниченное применение.

На современных мощных ТЭС устанавливают паро­вые турбины,. Первая паровая турбина, предназначенная для вращения электрического трехфазного генератора, была установлена на Эльберфельдской электростанции в 1899 г. С тех пор началось развитие мощных паротур­бинных электростанций.

В качестве тепловых двигателей на электрических станциях используют также газовые турбины.

Для повышения эффективности работы тепловых двигателей стремятся максимально увеличить темпера­туру рабочего тела и его давление до значений, прием­лемых по условиям механической прочности конструк­ционных материалов.

В современных паровых установках, составляющих основу энергетики, используют пар при температуре— около 600°С и давлении 30 МПа. Для охлаждения рабо­чего тела (пара) обычно применяют холодную воду, которая понижает его температуру до 30— 40°С. При этом давле­ние пара резко падает.

На рис. 2.3 схемати­чески показаны стадии преобразования пер­вичной энергии органи­ческого топлива в элек­трическую.

Основные процессы теплового цикла паро­вых установок, как бы­ло показано ранее, про­исходят в следующих элементах: в парогенераторах — подвод теплоты, в турбинах — расширение пара, в кон­денсаторах— отвод теплоты, в турбинах — расширение пара, в конденсаторах — охлаждение. С помощью насо­сов высокого давления производится сжатие, при кото­ром конденсат нагнетается в парогенератор.

Схема тепловой станции, приведенная на рис. 2.1, более подробно показана на рис. 2.4 и 2.5 Работа стан­ции происходит следующим образом. Из бункера 1 (рис. 2.4) уголь поступает в дробильную установку 2, где он превращается в пыль. Угольная пыль вместе с

воздухом из воздуходувки 3' подается в топку S, Тепло­та, получаемая при сжигании угля, используется для преобразования воды в пар в трубах 4. Вода по змееви­ку 5 накачивается насосом 14 в барабан котла 5'. Пар, нагретый потоком горячих газов, уходящих в трубу 6, при высокой температуре и высоком давлении поступает сначала в первую ступень турбины 7, а затем во вторую ступень 8. В турбине энергия пара преобразуется в ме­ханическую энергию вращения ротора генератора 9, вы­рабатывающего электрическую энергию. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор 13, превращается в воду, которая насосом 14 подается в котел, и затем цикл превращения воды повторяется. Охлаждение пара в конденсаторе производится с помощью воды, забирае­мой из водоема (пруда или реки) 11, накачиваемой на­сосом 12 и вновь выбрасываемой в водоем. Продукты сгорания угля проходят через очистительные сооружения (не показанные на рис. 2.4), где выделяются зола, твер­дые частички несгоревшего угля и прочие примеси, а оставшиеся газы через трубу 6 выбрасываются в атмос­феру. Электрическая энергия, получаемая от статора генератора, отдается в электрическую систему через выводы 10.

На рис. 2.5 показана общая схема получения теплоты и преобразования ее в электрическую энергию.

Рассмотрим дополнительно работу одного из основ­ных элементов станции — парогенератора, в котором получают пар для питания станции. Современный паро­генератор представляет собой сложное техническое сооружение больших размеров, высота которого соизме­рима с высотой пятиэтажного дома. В топке парогенера­тора сжигается превращенный в мелкую пыль уголь, газ или распыленная нефть при температуре 1500—2000°С. Для наиболее полного сжигания топлива с помощью вентилятора в больших количествах подается подогре­тый воздух. Появляющаяся в процессе сгорания топлива теплота нагревает воду, превращает ее в пар и увеличи­вает его температуру и давление до расчетных значений. Использованные горячие газы дымососами вытягиваются из парогенератора и подаются в очистительные устройст­ва, а затем направляются в дымовую трубу. Вода, пода­ваемая в парогенератор, предварительно очищается от примесей, содержание которых допускается в меньшем количестве, чем в питьевой воде. Очистка воды произво­дится в специальных устройствах — питателях.

По конструктивному выполнению парогенераторы подразделяют на барабанные и прямоточные

В барабанном парогенераторе (рис. 2.6) имеется стальной барабан 3, в нижней части которого

находится вода, а в верхней части — пар. По циркуляци­онной трубе 2 вода поступает в трубки экрана /, покры­вающие стенки топки 7.Трубки экрана выполняют стальными, небольшого диаметра (примерно 40 мм сна­ружи и 32 мм внутри), для того чтобы они смогли вы­держать большое давление пара. В крупном парогенера­торе каждый час испаряются сотни тонн воды и поэтому трубки имеют общую длину до 50 км.

Чтобы повысить эффективность работы парогенератора, вода перед подачей в барабан нагревается в эконо­майзере 5, а воздух перед подачей в топку подогревается
горячими газами в воздухоподогревателе 6. Выходящий
из барабана пар дополнительно нагревается в паропере­гревателе 4. _

В барабанном парогенераторе происходит естествен­ная циркуляция воды и пароводяной смеси за счет их разных плотностей. С увеличением температуры и дав­ления пара уменьшается разность в плотностях воды и пара, что ухудшает их циркуляцию.

В прямоточном парогенераторе барабана нет. Циркуляция воды и пара создается насосами (рис. 2.7). Вода через водоподогреватель 3 поступает в трубы 1, расположенные в топке, превращается в пар, который затем подается в пароперегреватель 2 и далее в турбину. В воздухоподогревателе 4 происходит подо­грев воздуха перед подачей его в топку. Прямоточные парогенераторы требуют качественного регулирования подачи воды. Кроме того, к питательной воде, используе­мой в парогенераторах этого типа, предъявляют очень высокие требования в отношении ее химической чистоты.

Прямоточные котлы получили широкое распростране­ние, так как они дешевле ба­рабанных. У барабанных пароге­нераторов при высоких давлени­ях (свыше 20 МПа) нарушается естественная циркуляция воды и пара.

Прямоточные парогенераторы стали применяться в нашей стра­не в 30-е годы по инициативе Л. К. Рамзина, который разрабо­тал ряд оригинальных конструкций котлов.

Турбины. Полученный в паро­генераторах перегретый пар при температуре ~600°С и давлении 30 МПа по паропроводам переда­ется в сопла. Сопла предназначе­ны для преобразования внутренней энергии пара в ки­нетическую энергию упорядоченного движения молекул.

Если перед входом в сопло пар имел некоторую на­чальную скорость Со и начальное давление р₁ (рис. 2.8), то после выхода из сопла в результате расширения пара происходит увеличение его скорости до значения с₁ и уменьшение давления до значения р₂. Температура пара также при этом значительно понижается.

После выхода из сопла пар подается на рабочие лопатки турбины. Если турбина активная, то между ее рабочими лопатками расширения пара не про­исходит, следовательно, давление пара не меняется (рис. 2.8). Абсолютная скорость движения пара умень­шается от с₁ до с₂ вследствие вращения турбины со скоростью υ.

Конструктивно обычно турбина выполняется в виде нескольких ступеней, каждая из которых состоит из одного венца сопловых лопаток и одного венца рабочих лопаток. Сопловые и рабочие лопатки закреплены на окружностях одинакового радиуса.

У реактивной турбины или ступени происхо­дит расширение пара, проходящего через каналы рабо­чих лопаток. В зависимости от показателей расширения пара в каналах турбины характе­ризуют ступенями реактивности. В настоящее время турбины выполняют многоступенчатыми, причем в одной и той же турбине могут быть как активные, так и реактивные (с различной степе­нью реактивности) ступени.

Изменение параметров пара в реактивной ступени турбины по­казано на рис. 2.9. В соплах тур­бины происходит частичное рас­ширение пара до промежуточного давления р₁. Дальнейшее расши­рение пара до давления p₂ проис­ходит в каналах между лопатка­ми. Абсолютная скорость пара в сопле увеличивается до значения с_i, а в каналах между лопатками уменьшается из-за вращения лопаток до зна­чения С₂.

Общий вид лопаток мощной паровой турбины пока­зан на рис. 2.10.

В реактивных турбинах помимо центробежных сил, возникающих при изменении скорости движения пара, на лопатки действуют реактивные силы, вызванные рас­ширением пара.

Появление реактивной силы можно показать на сле­дующем примере. Пусть в бак, установленный на тележке (рис. 2.11), подведен пар под давлением, который в положении I равномерно действует на все стенки. Если убрать пробку, то равновесие бака сразу же нарушится. На правую стенку будет действовать неизменная сила, а сила, действующая на левую стенку, резко уменьшится, так как давление окружающей среды меньше, чем давление в баке. Пар устремится из бака, а тележка под действием реактивной силы начнет двигаться вправо (положение II).

(Конденсаторы. Пар, выходящий из турбины, направ­ляют для охлаждения и конденсации в специальное устройство называемое конденсатором. Конденсатор пред­ставляет собой цилиндрический корпус, внутри которого имеется большое число латунных трубок. По трубкам протекает охлаждающая вода, поступающая в конден­сатор обычно при температуре 10—15°С и выходящая из него при температуре 20—25°С. Пар обтекает трубки сверху вниз, конденсируется и снизу удаляется. Давле­ние в конденсаторе поддерживается в пределах 3— 4 кПа, что достигается охлаждением пара.

Расход охлаждающей воды составляет примерно 50—100 кг на 1 кг пара. На электростанции мощностью 1 ГВт расходуется 40 м³/с охлаждающей воды, что при­мерно равно расходу воды в Москве-реке.

Если воду для охлаждения пара забирают из реки, подают в конденсатор, а затем сбрасывают в реку, то такую систему водоснабжения называют прямоточной. В случаях, когда воды в реке не хватает, сооружают пруд. С одной стороны пруда вода подается в конденса­тор, а с другой стороны пруда сбрасывается нагретая в конденсаторе вода.

В замкнутых системах водоснабжения для охлажде­ния воды, нагретой в конденсаторе, сооружают градир­ни, представляющие собой устройства высотой при­мерно 50 м. Вода вытека­ет струйками из отверстий лотков, разбрызгивается и, стекая вниз, охлажда­ется. Внизу расположен бассейн, в котором вода собирается и затем насо­сами подается в конден­сатор.

Тепловой баланс кон­денсационной электриче­ской станции. На ТЭС происходят многократные преобразования энергии, сопровождающиеся поте­рями. Экономичность про­цесса преобразования хи­мической энергии топлива в электрическую и потери на различных стадиях производства можно выявить из ана­лиза теплового баланса электрической станции. Если за 100% принять химическую энергию, получаемую при сжигании угля в топках котлов, то в среднем только 25% этой энергии превращается в электрическую (рис. 2.12). Наибольшие потери теплоты происходят в конденсаторе. С охлаждающей водой конденсатора уносится 55% теп­лоты.

ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ.

Производство электрической энергии на ТЭС сопро­вождается большими потерями теплоты. В то же время многим отраслям промышленности таким, как химиче­ская, текстильная, пищевая, металлургическая, и ряду других теплота необходима для технологических целей. Для отопления жилых зданий требуется в значительном количестве горячая вода.

В нашей стране больше ½ всего добываемого топли­ва расходуется на тепловые нужды предприятий. Ориентировочное представление о потреблении теплоты в промышленности можно получить, рассмотрев потребно­сти в нем какого-либо конкретного предприятия. Напри­мер, на автомобилестроительном заводе приблизительно ¾ всей потребляемой теплоты идет на отопление, венти­ляцию и бытовые нужды и только ¼ расходуется на про­изводственные цели. Противоположная ситуация на азот­нотуковом комбинате — предприятии химической про­мышленности. Здесь примерно ¾ всей потребляемой теплоты расходуется на производственные цели. Удов­летворение потребностей в теплоте сооружением неболь­ших индивидуальных котельных, как правило, не эконо­мично, так как такие установки работают с небольшими КПД и технически менее совершенны, чем крупные ус­тановки современных мощных ТЭС.

В этих условиях естественно использовать пар, полу­чаемый в парогенераторах на тепловых станциях, как для выработки электроэнергии, так и для теплофикации потребителей. Электростанции, выполняющие такие функции, называются теплоэлектроцентралями.

Отработанный в турбинах конденсационных станций пар имеет температуру 25—30°С, поэтому он не пригоден для использования в технологических процессах на пред­приятиях.» Во многих производствах требуется пар, име­ющий давление 0,5—0,9 МПа, а иногда и до 2 МПа длят приведения в движение прессов, паровых молотов, тур­бин. Иногда требуется горячая вода, нагретая до темпе­ратуры 70—150°С.

Для получения пара с необходимыми для потребите­лей параметрами используют специальные турбины с промежуточными отборами пара. В таких турбинах, по­сле того как часть энергии пара израсходуется на при­ведение в движение турбины и параметры его понизят­ся, производится отбор некоторой доли пара для потре­бителей. Оставшаяся доля пара далее обычным способом используется в турбине и затем поступает в конденсатор. Поскольку для части пара перепад давления оказывает­ся меньшим, несколько возрастает расход топлива на выработку электроэнергии. Так, если при перепаде дав­ления от 9000 до 4 кПа на выработку 1 кВт-ч электро­энергии требуется 4 кг пара, то при увеличении давления отработанного пара до 120 кПа необходимое количество пара составляет 5,5 кг. Однако такое увеличение расхода пара на выработку электроэнергии на ТЭЦ и связанное с этим увеличение расхода топлива в конечном счете ока­зываются меньшими по сравнению с расходом топлива в случае раз­дельной выработки электроэнергии и выра­ботки ,теплоты на не­больших котельных ус­тановках.

Благодаря более полному использова­нию тепловой энергии КПД ТЭЦ достигает 60-65%, а КПД КЭС —не более 40%. На рис. 2.13 приведен примерный тепловой баланс ТЭЦ.

Горячая вода и пар под давлением, дости­гающем в отдельных случаях 3 МПа, доставляются потребителям по трубо­проводам. Совокупность трубопроводов, предназначен­ных для передачи теплоты, называется тепловой сетью. Экономия топлива связана с совершенствованием теп­ловой изоляции, поэтому повышение ее качества отно­сится к одной из важнейших задач теплофикации.

Эффективность работы системы теплоснабжения во многом зависит от рационального размещения ТЭЦ, которые стремятся по возможности приблизить к крупным потребителям теплоты и электрической энергии, так как передача теплоты в виде пара неэкономична на расстояниях свыше 5—7 км. На решение вопроса о целесо­образных местах расположения ТЭЦ в последнее время значительно влияет загрязнение ими окружающей среды.

Централизованное теплоснабжение на базе комбини­рованной выработки теплоты и электрической энергии имеет большие преимущества: обеспечивает основную долю потребности в теплоте промышленного и жилищно-коммунального хозяйства, уменьшает расходование топ­ливно-энергетических ресурсов, а также материальных, и трудовых затрат в системах теплоснабжения.

Однако при максимальной централизации теплоснаб­жения на ТЭЦ можно выработать только 25—30% требу­емой электроэнергии. Работа же конденсационных стан­ций определяется только условиями выработки электро­энергии, что делает весьма благоприятными концентра­цию больших электрических мощностей и позволяет быстро наращивать электроэнергетический потенциал страны. Поэтому в настоящее время и в будущем будут строиться конденсационные станции, несмотря на те преимущества, которые имеет выработка электроэнергии -на ТЭЦ. Развитию теплофикации в СССР придается большое значение. Так, уже в начале девятой пятилетки установленная электрическая мощность теплофикацион­ных агрегатов превысила 45 млн. кВт, что составило око­ло ⅓ установленной мощности всех ТЭС страны, работа­ющих на органическом топливе.