РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
ГЛАВА 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
§ 1.1. Виды электрических станций
Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях. На этих станциях различные виды природной энергии, как, например, энергия топлива, падающей воды, ветра, атомная и другие, при помощи электрических машин, называемых генераторами, преобразуются в электрическую энергию. Для приведения во вращение электрических генераторов используются первичные двигатели -паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, паровые, газовые и гидравлические турбины, ветродвигатели и др. В зависимости от вида энергии, потребляемой первичным двигателем, электрические станции могут быть разделены на следующие основные типы: тепловые, атомные, гидравлические, ветряные.
Некоторое значение для горных и южных районов страны имеют солнечные установки (гелиостанции). Однако мощности этих станций, как и ветряных, весьма незначительны и имеют чаще всего местное значение. Электрические станции бывают районные, промышленные, городские и сельские.
Районные электрические станции строятся недалеко от места добычи топлива или на крупных реках и предназначаются для электроснабжения потребителей электроэнергии, расположенных з зоне действия станции. Мощности таких станции весьма велики и достигают сотен тысяч и даже миллионов киловатт.
Промышленные электростанции сооружаются на территории крупных предприятии и снабжают электроэнергией производственные цехи, вспомогательные службы, жилые здания и учреждения, расположенные вблизи предприятия. К этой группе относятся и электростанции, предназначенные для электроснабжения строек. Городские или коммунальные станции снабжают электроэнергией в основном города и населенные пункты. Эти станции чаще всего обеспечивают потребителей не только электроэнергией, по и теплом и называются в таких случаях теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).
Сельские электростанции используются для снабжения электроэнергией колхозов и совхозов. Часто эти станции сооружаются несколькими колхозами, и тогда они называются межколхозными.
§ 1.2. Тепловые электрические станции
В зависимости от первичного двигателя различают следующие типы тепловых электростанций;
1) паротурбинные станции, на которых в качестве первичного двигателя используется паровая турбина. На этих станциях турбина, соединенная непосредственно с генератором электрической энергии, образует энергетический агрегат, который называют турбоагрегатом;
б) паромашинные станции, на которых используется в качестве первичного двигателя поршневая паровая машина;
в) дизельные станции, на которых установлены двигатели внутреннего сгорания;
г) газотурбинные станции, на которых используете газовая турбина. В настоящее время газотурбинные станции еще не имеют широкого распространения.
Электрические станции с поршневыми машинами и двигателями внутреннего сгорания строятся на небольшие мощности и в большинстве случаев используются для местных нужд.
Почти на всех тепловых электрических станциях Советского Союза, имеющих промышленное значение, в качестве первичных двигателей используются паровые турбины.
Преобладающее распространение паровых турбин на тепловых станциях объясняется следующими их достоинствами:
- Турбины могут быть изготовлены на число оборотов, которое имеют современные генераторы. Это дает возможность осуществить непосредственный привод без промежуточной передачи.
- Турбины обладают высокой равномерностью хода, которая дает возможность получить постоянную частоту переменного тока.
- Паровые турбины могут быть изготовлены на большие мощности— 150, 200, 300, 600 тыс. кет и более (мощность турбины характеризуется электрической мощностью приводимого ею генератора).
Станции с более мощными турбогенераторами имеют более высокий коэффициент полезного действия.
- Паровая турбина позволяет осуществить на станции высокую автоматизацию технологических процессов, а также дистанционное управление ими.
- Паровая турбина дает возможность наряду с электроэнергией производить тепловую энергию для отопления жилых домов и других городских или промышленных объектов.
Процесс получения электрической энергии на тепловых станциях заключается в последовательном преобразовании энергии сжигаемого топлива в тепловую энергию, тепловой энергии — в механическую энергию вращения первичного двигателя и механической энергии генератора — в электрическую энергию.
Для получения тепловой энергии используются органические топлива, такие как каменный уголь (различных месторождений), торф, горючие сланцы, древесные отходы, естественный газ, нефть, мазут и др.
Твердое топливо можно сжигать в топках котлов либо в пылевидном состоянии, либо в кусковом виде. Способ сжигания топлива в пылевидном состоянии более эффективный.
Паротурбинные электрические станции в свою очередь можно разделить на конденсационные и теплофикационные.
Конденсационные электрические станции
Паровые турбины, у которых отработанный пар подвергается конденсации в специальных конденсаторах, называют конденсационными. Электрические тепловые станции, снабжающие потребителей только электрической энергией и оборудованные конденсационными турбинами, называют конденсационными.
Простейшая принципиальная схема производственного процесса паротурбинной конденсационной электрической станции, работающей на кусковом топливе, представлена на рис. 1.1.
Твердое топливо, поступающее из топливного склада, транспортерами подастся в топливный бункер, а из него на решетку топки котла. В топке происходит процесс горения топлива, сопровождающийся выделением значительного количества тепла. Это тепло с поверхности нагрева котла отдается воде, протекающей по трубам внутри котла, которая при определенной температуре превращается в пар.
Образующийся в котле пар с температурой 400—650° С, под давлением
поступает по паропроводу в паровую турбину. Вследствие разности давлений пара, поступающего в турбину и выходящего из нее, а также разности температур, пар, расширяясь, совершает механическую работу, т. е. вращает вал турбины и вместе с ним и вал генератора. При вращении генератор вырабатывает электрическую энергию.
Температура и избыточное давление пара зависят от единичной мощности турбогенераторов. Меньшие значения относятся к агрегатам мощностью до 50 мвт, большие — к агрегатам 100 — 300 мвт. Механическая работа, совершаемая паром в турбине, возрастает с увеличением разности давлений и температур между поступающим в турбину паром и выходящим из нее. Поэтому, чем больше используется тепловая энергия пара для совершения механической работы, тем выше к. п. д. турбины.
В современном котло- и турбостроении существует тенденция к повышению температуры и давления пара, однако конструктивные свойства материалов, из которых изготовляются агрегаты, ограничивают эту возможность.
Рис. 1.1. Принципиальная схема технологического процесса конденсационной паротурбинной электростанции
Для увеличения разности давлений наряду с повышением параметров поступающего в турбину пара стремятся также снизить давление пара, выходящего из турбины, т. е. пар на последних ступенях расширения должен обладать давлением значительно ниже атмосферного (ризб=0,04—0,03 ат). Отработанный пар, обладающий еще некоторым запасом тепловой энергии, направляется по трубам в конденсатор.
Конденсатор представляет собой цилиндр, внутри которого в горизонтальном положении расположены трубы, по которым протекает холодная вода. Отработанный пар, омывая эти трубы, отдает часть своего тепла, в результате чего он охлаждается и превращается в дистиллированную воду. При помощи питательного насоса дистиллированная вода (конденсат) направляется в. котел, где снова превращается в пар.
Таким образом, на конденсационной электрической станции циркуляция питательной воды, пара и конденсата происходит по замкнутому циклу. Охлаждающую воду, циркулирующую в трубах конденсатора, берут из водоемов, рек, озер, прудов и т. д. Если электрическая станция расположена близко от реки, то холодная вода из реки подается при помощи циркуляционного насоса в конденсатор.
Поскольку через трубы конденсатора протекает большое количество воды, то ее температура на выходе не превышает 25— 36° С. Вода с такой температурой не может быть практически использована ни на промышленные цели, ни в быту и поэтому сбрасывается в водоем. При отсутствии возле станции естественных водоемов применяют искусственные охладители в виде башен-охладителей (градирен) или брызгательных бассейнов.
Тепловые конденсационные электрические станции имеют невысокий коэффициент полезного действия. Только 25—40% энергии топлива превращается в электрическую энергию, а остальная часть теряется непроизводительно с отходящими топочными газами и с циркуляционной водой, сбрасываемой в водоем. Поэтому работа таких станций на привозном топливе экономически невыгодна. В большинстве случаев конденсационные электрические станции сооружаются в районах расположения природных запасов низкосортного топлива. При этом потребители электрической энергии могут находиться на значительном расстоянии от станций.
Теплофикационные электрические станции (ТЭЦ)
Паротурбинные теплофикационные электрические станции выполняют одновременно две функции. Кроме выработки электрической энергии, они осуществляют также снабжение теплом потребителей, расположенных относительно близко к станции. Потребителями тепловой энергии могут быть промышленные объекты, предприятия коммунального и бытового назначения (бани, прачечные, фабрики химчистки и др.), административно-общественные здания и жилые дома, использующие тепло для производственных нужд и отопления.
Простейшая принципиальная схема технологического процесса теплофикационной электрической станции, представленная на рис. 1.2, во многом сходна со схемой конденсационной станции. Их различие сводится к тому, что на теплофикационной станции одна часть пара проходит все ступени турбины и используется только для выработки электроэнергии, другая часть пара, имеющая еще большое теплосодержание и давление, отбирается от промежуточных ступеней турбины для нужд теплофикации.
При этом отобранный пар в зависимости от нужд потребителей тепловой энергии может транспортироваться по трубопроводам непосредственно к ним либо используется на станции для подогрева воды, которую затем подают потребителям.
В зависимости от потребности в паре и горячей воде изменяется количество отбираемого пара. Чем большее количество пара отбирается для теплофикации, тем меньшее его количество поступает в конденсатор. При этом снижается выработка электроэнергии, но зато уменьшаются потери тепла, уносимого с циркуляционной водой.
При экономичной работе теплофикационных электрических станций, т. с. при одновременном отпуске потребителям оптимальных количеств электроэнергии и тепла, коэффициент полезного действия их достигает 60—70%. Наоборот, в периоды, когда часть потребителей полностью прекращает потреблять тепло (например, неотопительный сезон), коэффициент полезного действия станции снижается.
Рис. 1.2. Принципиальная схема технологического процесса теплофикационной электростанции
Наиболее экономичная эксплуатация теплофикационной станции может быть осуществлена при круглогодовом отпуске тепла потребителям.
В соответствии с графиком отбора пара от турбины для нужд теплофикации регулируется и количество пара, поступающего в турбину. Количество пара, поступающего в конденсатор, должно быть минимальным.
При работе станции по графику снабжения потребителей теплом размеры выработки электрической энергии в отдельные месяцы года будут изменяться. При этом вследствие различных режимов работы потребителей тепловой и электрической энергии может оказаться, что в отдельные периоды года потребности в электроэнергии окажутся больше, чем может произвести данная станция, или наоборот, производительность данной станции превысит потребность абонентов. Для наиболее эффективной работы такие электростанции соединяют для параллельной работы с другими станциями, причем при избытке электрической энергии на станции часть ее передается в систему, а при недостатке забирается из общей сети.
