Электрическая часть электростанций - Сведения об электрических станциях

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЯХ
Развитие электроэнергетики 
Энергетика является основой экономики нашей страны. Особо важное значение для развития экономики имеет электроэнергетика, оказывающая огромное революционизирующее воздействие на ускорение прогресса не только в промышленном производстве, но и во всех других областях жизни нашего общества.
Эта революционизирующая роль электрической энергии объясняется универсальностью ее использования, возможностью передачи на практически любые расстояния, бесконечной дробимостью и в то же время возможностью ее концентрации в очень больших масштабах. Легкость автоматизации процессов при использовании электрической энергии делает ее незаменимой служебной энергией.

В табл. В-1 приведено потребление электрической энергии в нашей стране в текущем столетии.
В настоящее время установленная мощность электрических станций Советского Союза равна 325 ГВт (приблизительно 15 % мощности всех станций мира), а годовая выработка электрической энергии в 1986 г. составила примерно 1,6 ТВт-ч.
Производство электрической энергии станциями различных типов (в нашей стране) показано в табл. В-2. Как видно, основой советской энергетики являются тепловые электрические станции (ТЭС).
Таблица В-1

Таблица В-2

В дальнейшем ведущая роль ТЭС сохранится еще очень долго, а если принять во внимание, что АЭС являются разновидностью тепловых электростанций, так как преобразуют в электрическую энергию теплоту ядерной реакции расщепления тяжелых элементов, то роль их даже возрастет.
Основными тенденциями развития ТЭС являются: освоение новых видов энергетических топлив; разработка новых способов преобразования энергии; концентрация мощностей; повышение параметров пара; совершенствование комбинированного производства электрической и тепловой энергии; промышленное освоение парогазового цикла.
Более половины всей мощности ТЭС работает сейчас на сверхкритических параметрах пара: все вновь вводимые в эксплуатацию крупные турбины 300—800 МВт рассчитаны на давление пара 25 МПа и температуру перегрева 540 или 560 °С.
Суммарная мощность теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) достигла к 1985 г. 90 ГВт, а их годовой отпуск теплоты превышает 55 % всего централизованного отпуска в стране, составив 1300 млн. Гкал (5,5 млрд. ГДж).
Другой отличительной чертой советской энергетики является концентрация производства электрической энергии. В энергетических системах СССР насчитывается сейчас свыше 80 электрических станций с мощностью каждой станции более 1 ГВт; из них 28 имеют мощность более 2 ГВт, а мощность отдельных гигантов больше 3,6 млн. кВт (Экибастузская ГРЭС-1 — 4 ГВт, Рефтинская  — 3,8 ГВт, Запорожская, Углегорская и Костромская — по 3,6 ГВт).
На ТЭС установлено свыше 450 блоков 150—800 МВт общей мощностью около 110 ГВт (более 50 % мощности всех ТЭС).
Увеличение единичной мощности блоков продолжается. Введен в эксплуатацию первый одновальный блок 1,2 ГВт (Костромская ГРЭС). Разработан эскизный проект турбины 1,6 ГВт, и считается вполне реальным создание одновальной паровой турбины 2,4 ГВт.
Особенно важное значение имеет повышение единичной мощности турбин для АЭС, на которых до последнего времени в блоке с реактором электрической мощности 1 ГВт устанавливалось по две турбины 500 МВт. На таких станциях с 1984 г. устанавливается вновь разработанная турбина 1 ГВт, а для реактора с электрической мощностью 2 ГВт предполагается иметь одновальную турбину такой же мощности.
Единичные мощности отдельных ТЭС и АЭС также будут увеличиваться. Почти все АЭС, вводимые в эксплуатацию в последнее время, имеют проектную мощность 4 ГВт. Уже в ближайшее время будут построены ТЭС с мощностью 6,4 ГВт.
ТЭС достигли высокой степени совершенства — технического и экономического. Средний удельный расход топлива в 1985 году составил всего 325 г/(кВт-ч), а на лучших электростанциях страны приблизился к 310 г/(кВт-ч).
В настоящее время примерно половина всей электроэнергии ТЭС вырабатывается на угольных станциях, а другая половина производится на газомазутном топливе. В дальнейшем, однако, в соответствии с Энергетической программой на длительный период, нефть и газ будут все больше направляться на технологические нужды и, следовательно, доля выработки угольных станций будет увеличиваться. Мазут и газ будут использоваться главным образом на регулирующих и пиковых станциях, оборудование которых должно обладать высокой маневренностью, а также на ТЭЦ, расположенных в городах, где к электростанциям предъявляются повышенные требования в отношении загрязнения воздушного бассейна. Разумеется, использование на ТЭЦ мазута с большим содержанием серы не может быть допущено, так как приведет к загрязнению окружающей среды большими сернистыми выбросами.
Таким образом, соотношение жидкого, газообразного и твердого топлива, сжигаемого на электростанциях СССР, определяется их назначением (базовые, пиковые, регулирующие).
Большую роль в балансе производства электрической энергии продолжают играть гидроэлектростанции. В 1985 г. их установленная мощность достигла почти 60 ГВт, а годовая выработка — почти 214 ТВт-ч (14 % общей выработки всех станций).
Их большим преимуществом является возобновляемость энергетических ресурсов рек, обеспечиваемая гигантским круговоротом воды на планете. Немаловажными достоинствами гидростанций являются также простота эксплуатации их оборудования и чрезвычайно низкая себестоимость энергии до 0,07 коп/(кВт-ч) при средней себестоимости энергии ГЭС до 0,15 коп/(кВт-ч).
Оборудование гидростанций обладает высокой маневренностью, что делает их незаменимыми для покрытия пиковой нагрузки и регулирования частоты. Пуск гидротурбин, включая набор полной нагрузки, продолжается 30—40 с, скорость изменения нагрузки достигает 400—500 МВт/мин (пуск паротурбинного блока 200—300 МВт из холодного состояния длится не менее 10— 12 ч).
Высокие маневренные свойства гидротурбинного оборудования делают весьма перспективным создание специальных гидроаккумулирующих станций (ГАЭС) для покрытия пиков нагрузки, строительство которых в наших энергетических системах пока, к сожалению, идет совершенно недостаточными темпами.
К недостаткам гидроэлектростанций относят ограниченность энергетического потенциала рек, ставящую пределы их использованию, а также необходимость зачастую строить ГЭС в очень удаленном от нагрузки месте, выбор которого диктуется наивыгодным использованием водотока.
Сезонные и многолетние колебания расхода воды в реках также усложняют эксплуатацию гидростанций и увеличивают стоимость сооружений, поскольку вынуждают создавать дорогие водохранилища для сезонного и многолетнего регулирования стока. Кроме этого, колебания расхода воды вызывают разрушение берегов и требуют поэтому дополнительного рассмотрения при проектировании ГЭС.
Ресурсы гидроэнергии Советского Союза достаточно велики и оцениваются приблизительно в 400 ГВт или 1700 ТВт-ч годовой выработки. Использование этих ресурсов, находящихся в основном в Сибири, идет по пути строительства все более мощных гидростанций. Уже построены и действуют самые крупные в мире станции — Красноярская на Енисее (6 ГВт), Братская на Ангаре (4 ГВт) и Саяно-Шушенская ГЭС на Енисее мощностью 6,5 ГВт. В будущем будут построены еще более мощные станции на Лене, Амуре и их притоках.
Всего в энергосистемах СССР работает свыше 350 больших и малых гидростанций, из них 22 имеют установленную мощность более 500 МВт каждая. Общая мощность этих 22 ГЭС равна 45 ГВт.
Особенно выгодно технически и экономически использовать превосходные маневренные качества гидроэлектростанций при их совместной работе с тепловыми электрическими станциями. Такая совместная работа оказывается вполне возможной благодаря значительному развитию у нас объединенных энергетических систем. Начало созданию энергетических систем было положено Планом ГОЭЛРО, одной из генеральных линий которого было объединение электрических станций для параллельной работы. В дальнейшем, по мере совершенствования техники передачи энергии на далекие расстояния, у нас возникли и получили большое развитие объединенные энергетические системы. В настоящее время на территории Советского Союза действуют 95 энергетических систем, которые при помощи линий высокого и сверхвысокого напряжения (330—500—750 кВ) объединены в более крупные системы. Таких объединенных энергосистем сейчас насчитывается одиннадцать. Девять из них (ОЭС Северо-Запада, Центра, Юга, Северного Кавказа, Закавказья, Средней Волги, Урала, Казахстана, Сибири) связаны между собой и образуют Единую энергетическую систему Советского Союза. В нее входит свыше 900 электрических станций с общей установленной мощностью около 248 ГВт.
ОЭС Средней Азии и Дальнего Востока работают пока изолированно.
Объединение энергетических систем дает следующие технические и экономические выгоды: повышается надежность энергоснабжения потребителей за счет более гибкого маневрирования резервами отдельных электростанций и систем, суммарный резерв мощности сокращается; обеспечивается возможность увеличения единичной мощности электрических станций и установки на них более мощных блоков; общий максимум нагрузки объединенной системы снижается, так как совмещенный максимум всегда меньше суммы максимумов отдельных систем; сокращается установленная мощность объединенной энергосистемы за счет разновременности максимумов нагрузки в энергосистемах, расположенных на значительном расстоянии в направлении с востока на запад («широтный эффект»); облегчается возможность задавать экономически более выгодные режимы для любых типов электростанций; повышается эффективность использования различных энергетических ресурсов.
Центральное диспетчерское управление (ЦДУ) и диспетчерские службы в отдельных объединенных системах (ОДУ) задают оптимальные режимы каждой электростанции, их агрегатам и системам в целом. Непрерывная информация позволяет контролировать все звенья. Диспетчер при необходимости может передать энергию из одной системы в другую. Для передачи оперативной информации Минэнерго  обладает широко разветвленной системой связи, включающей в себя 800 тыс. каналов, действующих по линиям высокого напряжения, 200 радиорелейных станций, более 20 тыс. ультракоротковолновых и коротковолновых радиостанций.
В этом пятилетии широким фронтом идет строительство электрических станций нового типа — атомных. На этих станциях электрическая энергия получается за счет теплоты ядерной реакции расщепления тяжелых элементов в обычной паротурбинной установке. За истекшие со времени пуска в эксплуатацию первой в мире АЭС в г. Обнинске тридцать лет была всесторонне отработана техника производства энергии на АЭС и созданы многочисленные конструкции ядерных реакторов: корпусных водоводяных, канальных графитовых и тяжеловодных, а также реакторов с газовым охлаждением. На основе этих реакторов на тепловых нейтронах и начато широкое развитие атомной энергетики у нас в стране.
Одновременно ведутся работы по промышленному исследованию и техническому совершенствованию более перспективных и выгодных реакторов на быстрых нейтронах, воспроизводящих ядерное горючее в цикле производства теплоты при основной реакции расщепления. В г. Шевченко на Каспийском море успешно работает опытная АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН-350, имеющим тепловую мощность 1 ГВт и рассчитанным на выработку электрической энергии при мощности генератора 150 МВт и на одновременное опреснение 120 тыс. т морской воды в сутки. На другой действующей АЭС недавно пущен в эксплуатацию более мощный реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем с электрической мощностью 600 МВт (БН-600).
Строительство АЭС с реакторами на быстрых нейтронах начнется широким фронтом, по-видимому, через 10—15 лет, так как требуется решить еще много сложных проблем повышения надежности этих реакторов до уровня, достигнутого в реакторах на тепловых нейтронах. Для накопления необходимого опыта поставлена ответственная задача создания в ближайшее время опытно-промышленного энергоблока с реактором БН-800, а затем — блока с реактором БН-1600.
Еще более грандиозные перспективы открываются перед советской энергетикой в соответствии с Энергетической программой, принятой на июньском (1983 г.) Пленуме ЦК КПСС на длительный период. В ней не только предусматриваются масштабные показатели развития энергетики страны и отдельных отраслей топливно-энергетического комплекса, но и определяются пути достижения этих показателей, В основе Программы наряду с дальнейшим увеличением добычи угля, газа и нефти в Сибири и строительством традиционных тепловых и гидроэлектрических станций предусматривается ускоренное развитие атомной энергетики, в том числе реакторов на быстрых нейтронах, практическое решение проблемы управления термоядерным синтезом, значительное расширение централизованного теплоснабжения за счет строительства атомных ТЭЦ, широкое привлечение для производства электроэнергии и теплоты нетрадиционных возобновляемых ресурсов— солнечной и геотермальной энергии.
Наряду со строительством новых сверхмощных ГЭС Программой предусматривается развитие нового эффективного направления в гидроэнергетике — гидроаккумулирования.
В настоящее время в составе Киевской энергосистемы работает Киевская ГАЭС мощностью 225 МВт, первая в нашей стране. Под Москвой строится Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт, в Литве — Кайшядорская 1600 МВт, одна из крупнейших в Европе. В XII пятилетке намечено начать строительство ряда мощных ГАЭС: Каневской, Днестровской, Ленинградской. В дальнейшем Программой предусмотрено строительство еще более мощных ГАЭС в ряде районов Европейской части СССР. В соответствии с Энергетической программой СССР дальнейшее развитие получит ЕЭС СССР, в которую войдут ОЭС Дальнего Востока и другие, отдельные энергосистемы. Это развитие будет идти по пути создания системообразующих линий электропередачи высоких классов напряжения. Будут строиться ВЛ 500—750 кВт, а при усилении использования энергетических ресурсов Восточной Сибири появится необходимость в мощных транспортных электропередачах протяженностью 2500—3000 км, способных передавать на- эти расстояния мощности 40—50 ГВт и более. Эта проблема может быть решена при использовании ультравысоких напряжений: 1150, а возможно, и 1800 кВ переменного тока.
Огромный рост энергетики потребует качественно нового подхода к управлению Единой энергетической системой. Поэтому уже в ближайшее время следует значительно расширить оснащение энергетических систем и электростанций режимной и противоаварийной автоматикой и внедрить автоматизированную систему диспетчерского управления (АСДУ) во всех объединенных энергосистемах.
В этот же период АСУ энергетики, включающая в себя не только подсистему оперативного управления (АСДУ), но и организационного (АСОУ) и строительного управления (АСУС), должна начать работать в контакте с АСУ угольной, нефтяной и газовой промышленности, объединяемых общегосударственной системой (ОГАС).
Концентрация мощностей, рост единичной мощности энергоблоков и отдельных электростанций, повышение параметров пара, развитие теплофикации и атомной энергетики, повышение напряжений и пропускной способности линий электропередачи, дальнейшее развитие ЕЭС СССР и автоматизация управления являются важнейшими показателями технического прогресса энергетики в будущем, создающими прочную основу для дальнейшего увеличения ее масштабов и существенного повышения надежности и экономической эффективности.

Общая характеристика электрической станции

Электрическая станция представляет собой промышленное предприятие, на котором производится электрическая, а в некоторых случаях и тепловая энергия на основе преобразования первичных энергоресурсов.
В зависимости от вида природных источников энергии (твердое топливо, жидкое, газообразное, ядерное, водяная энергия) станции подразделяются на тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС), атомные (АЭС). Станции, на которых одновременно с электрической вырабатывается и тепловая энергия, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).
Для каждого типа станции разрабатывается своя технологическая схема превращения первичной энергии в электрическую, а для ТЭЦ — ив тепловую. Технологическая схема характеризует последовательность процесса производства электрической и тепловой энергии и оснащение преобразовательного процесса основным оборудованием (паровыми котлами (атомными реакторами), паровыми или гидравлическими турбинами, электрическими генераторами), а также разнообразное вспомогательное оборудование и предусматривает высокую степень механизации и автоматизации процесса.
Оборудование располагается в специальных зданиях, на открытых площадках или под землей. Агрегаты связаны между собой как в тепловой, так и в электрической части. Эти связи отражаются соответствующим образом в технологических, тепловых и электрических схемах. Кроме того, на станции предусматриваются многочисленные коммуникации вторичных устройств — систем управления, контроля, защиты, блокировок, сигнализации и т. п.
Станция имеет также развитые транспортные связи: внешние (с железнодорожной станцией, населенными пунктами, рабочим поселком, карьерами, отвалами) и на территории самой станции (между отдельными зданиями и сооружениями для перемещения оборудования, материалов, топлива как в процессе сооружения, так и во время эксплуатации).
Для выдачи электрической я тепловой энергии в энергосистему и к местным потребителям предусматривается необходимое количество электрических линий и тепловых магистралей.
Особенностью гидроэлектрической станции являются мощные гидротехнические сооружения: плотины, дамбы, каналы, туннели, необходимые для создания напора воды и пропуска водотока. Часто здание гидростанции с машинным залом встраивается в основные гидротехнические сооружения.
План площадки, на которой размещаются все основные здания и сооружения станции, называют генеральным планом станции. Генплан компонуется так, чтобы обеспечить надежную работу станции в целом и всех ее звеньев, удобство и безопасность эксплуатации, а также возможность ее последующего расширения. При этом учитываются климат района, рельеф местности, страны света, роза ветров, кратчайшие транспортные связи и линии выдачи энергии, возможности водоснабжения, требования пожарной безопасности, гражданской обороны, охраны окружающей среды. Структура компоновки зависит от типа станции.
При выборе площадки для ТЭЦ необходимо считаться с экономичностью теплоснабжения потребителей.
Местоположение АЭС должно гарантировать защиту населенных пунктов от радиоактивной опасности как в нормальных условиях эксплуатации, так и при авариях на станции.
Для тепловых (в том числе и атомных) электростанций желательно иметь равнинный рельеф местности. Для ровной площадки могут быть созданы (и в настоящее время имеются) типовые компоновки генерального плана станций, различающиеся между собой видом топлива, системой водоснабжения, числом и мощностью агрегатов и т. п.
Площадка и компоновка станционного узла гидроэнергетической установки зависит от природных условий местности, принятой схемы использования водотока, типа и состава гидротехнических сооружений. Очевидно, что здесь не может быть типовых решений; каждая ГЭС является оригинальным сооружением.

Общие принципы компоновки

При компоновке генплана каждой конкретной электростанции стремятся обеспечить наиболее рациональное взаимное расположение оборудования и сооружений. При этом равнозначно учитывают требования ко всем частям сооружения: строительной, тепло-, гидро-, электро-, санитарно-технической и архитектурной, их взаимную связь и влияние. Большое значение имеет архитектурная композиция сооружений, их внешний облик, увязка с планировкой и архитектурой населенных пунктов, с окружающей природой; учитывается и национальный колорит района.
Первостепенное значение при компоновке генплана имеют учет удобства подвоза и подачи топлива, выбор системы и трассы водоснабжения, а также трассы отходящих электрических и тепловых сетей. Все внешние связи (электрические, тепловые, транспортные и др.) проектируются прямыми, короткими, с нормальными пролетами; они должны быть удобными для производства работ при сооружении и во время эксплуатации.
Для упрощения, удешевления и повышения надежности коммуникаций обеспечивается близкое и удобное расположение технологически связанного оборудования. В электрической части, например, желательны прямые, короткие, экономичные, легко выполнимые и одинаковые для всех агрегатов соединения между генераторами, главными распределительными устройствами и трансформаторами, между распределительными устройствами собственных нужд и трансформаторами собственных нужд, между аккумуляторными батареями, зарядными устройствами и щитом постоянного тока, между главным и местными постами управления, основным и вспомогательным оборудованием станции.
Взаимное расположение зданий и оборудования при достаточных расстояниях между корпусами выбирается с учетом наиболее удобного расположения дорог, переходов и всей внутренней транспортной сети. При компоновке генерального плана нужно также стремиться к сокращению и удешевлению внутристанционного подъемно-транспортного оборудования.
Размещение на генплане корпусов и зданий вспомогательных хозяйств, как-то: ремонтных служб, мастерских, масляного хозяйства, пожарного депо, гаража, складов, убежищ и т. п, — производится исходя из их назначения.
Инженерно-бытовой корпус (корпус управления) обычно размещается на пути главного подъезда к станции. В этом корпусе располагаются все служебные помещения и службы, не имеющие технологической связи с основным и вспомогательным оборудованием станции.
Необходимо умело использовать геологическое строение местности и топографию района сооружений. Желательно сохранение естественного рельефа местности и естественных природных условий, в частности растительности и водоемов.
Надо стремиться применять конструкции из местных строительных материалов, сборного железобетона и внедрять индустриальные способы строительства.
Размеры территории, корпусов, планировка территории и компоновка генплана должны соответствовать действующим правилам и нормам технологического проектирования.