ГЛАВА I КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСТОЧНИКАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
I. Типы электростанций
Электростанции предназначены для производства электрической энергии. По роду первичной энергии, преобразуемой специальными агрегатами в электрическую энергию, электростанции подразделяются на тепловые, гидравлические и атомные. Трудами советских и зарубежных ученых и опытными установками доказаны технические возможности использования других энергетических источников для производства электрической энергии (энергия солнца, морских приливов и отливов, тепло земных недр и т. д.). В настоящее время электрическая энергия вырабатывается главным образом на тепловых, гидравлических и атомных электростанциях. Мощность атомных электростанций, строящихся в нашей стране, возрастает из года в год; возрастает и их удельный вес в общем энергобалансе страны.
В Основных направлениях социального и экономического развитии СССР предусмотрено «довести выработку электроэнергии в 1985 г. на атомных электростанциях до 220—225 млрд. кВт · ч и на гидроэлектростанциях до 230-235 млрд. кВт · ч. Обеспечить прирост производства электроэнергии в европейской части страны СССР в основном на атомных и гидроэлектростанциях». Однако основными источниками электроэнергии останутся пока тепловые электростанции. В 1985 г. на них должно быть произведено 1100—1140 млрд. кВт · ч.
Тепловые электростанции.
Тепловые электростанции (ТЭС) преобразуют химическую энергию топлива в электрическую энергию и тепло. К ТЭС относятся конденсационные электростанции (КЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), газотурбинные, с МГД-генераторами и дизельные.
КЭС — это тепловая электростанция, оборудованная паровыми турбинами, работающими по конденсационному циклу. На КЭС пар, отработавший в паровых турбинах, поступает в конденсаторы, где он, охлаждаясь, конденсируется в воду. Затем эту воду подают в паровые котлы, в которых из воды создают пар, поступающий в паровую турбину. Получается замкнутый цикл: вода — пар — турбина — вода. Потери воды в этом цикле пополняются из специальных водоемов. На КЭС устанавливают турбогенераторы (турбогенератор — это блок из паровой турбины и генератора трехфазного переменного тока) большой мощности — 200, 300, 500, 800, 1200 МВт. К· п. д. КЭС, работающей на твердом топливе, составляет 25—28%, а на пылеугольном топливе — от 34 до 40 %.
ТЭЦ — это тепловая электростанция с комбинированным производством электрической энергии и тепла в теплофикационных паротурбинных установках. ТЭЦ, вырабатывающие как электрическую, так и тепловую энергию (пар, горячая вода), сооружают обычно возле производственных и бытовых тепловых потребителей. В отличие от конденсационных электростанций ТЭЦ оборудуют специальными теплофикационными турбинами, в которых часть пара проходит не все ступени. Отбираемый на промежуточных ступенях турбины пар используют для производственных и бытовых нужд — центрального отопления, пропарочных цехов, сушилок фабрик и заводов. Количество отбираемого пара можно регулировать в зависимости от спроса тентовых потребителей на пар и горячую воду. Чем больше спрос на пар и горячую воду, тем выше к. п. д. тепловой части ТЭЦ, так как меньше тепла уносится из конденсатора охлаждающей водой. Полный К. п. д. ТЭЦ, характеризующий использование топлива при комбинированном отпуске электрической и тепловой энергии, достигает 60 — 70% и выше.
Научно-исследовательские и конструкторские перспективные разработки в области тепловых электростанций направлены на совершенствование существующих и на создание принципиально новых систем. К ним относятся электростанции с газовыми турбинами и магнитогидродинамическими генераторами.
Газотурбинная электростанция — это тепловая электростанция, преобразующая химическую энергию топлива в электрическую с помощью газовых турбин. Образование рабочей газовой смеси высокого давления осуществляется в специальной камере сгорания турбины. В эту камеру многоступенчатым компрессором нагнетается под большим давлением воздух, затем с помощью форсунки впрыскивается топливо, которое, сгорая, вызывает значительное возрастание давления в камере. По соответствующим каналам газы поступают на лопатки турбины и приводят во вращение ее ротор и соединенный с ним ротор генератора. К.п.д. электростанции с газовыми турбинами ниже, чем г паровыми турбинами, что объясняется следующим: водяные лары являются лучшим теплоносителем, чем продукты сгорания органического топлива, на котором работает газовая турбина; на приведение г, действие компрессора расходуется более половины мощности, развиваемой турбиной. Основной недостаток газовой турбины состоит в том, что она может работать только на очень чистых продуктах сгорания в виде природного газа или специально очищенного и поэтому дорогого жидкого топлива. На электростанциях же с паровыми турбинами используется преимущественно низкосортное топливо.
Магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) позволяет получить электрическую энергию непосредственно из плазмы. МГД-генератор не имеет котла, турбины, ротора и вообще каких-либо подвижных частей. Он представляет собой резервуар, заполненный газами. Газы, разогретые до температуры 2600 — 2700°С, образуют плазму, обладающую хорошей проводимостью. Плазма перемещается мощным магнитным полем, под действием которого в ней, как в проводнике, наводится э. д. с. Таким образом, тепло непосредственно превращается в электричество. Тепло продуктов сгорания, выходящих из канала МГД-генератора, используют для получения пара в парогенераторе. Пар направляют в паровую турбину. Сочетание МГД-ге- нератора с паровой турбиной позволяет на такой электростанции достигнуть к. п. д. 50—55%, что выше к. п. д. тепловых электростанций с турбинами конденсационного типа.
Дизельная электростанция (ДЭС) — это тепловая электростанция, преобразующая химическую энергию жидкого топлива в электрическую с помощью дизельных агрегатов. Мощность ДЭС колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч киловатт. Основное преимущество ДЭС — быстрый пуск, поэтому они нашли широкое применение в качестве передвижных электростанций на стройках, удаленных от электрических сетей, для питания электрифицированного инструмента при выполнении ремонтных работ в путевом хозяйстве, выполнение ремонтных работ в коммунальном хозяйстве, городов и т. п. ДЭС применяют также для электрификации небольших поселков, удаленных от государственных электрических сетей, а также в качестве источников резервного питания устройств СЦБ. К.п.д. ДЭС составляет 30—32%.
Тепловые электростанции работают на угле, нефти и газе, запасы которых в недрах земли не бесконечны. Следует иметь в виду, что нефть, газ и уголь являются ценным сырьем для химической промышленности и их нужно разумно расходовать, чтобы не оставить без этого сырья будущие поколения. Чем больше мы расходуем традиционные виды энергетического сырья — нефть, газ и уголь, тем меньше их остается и тем дороже с каждым днем они нам обходятся. Поэтому уже сегодня настала задача увеличить масштабы использования неисчерпаемых и возобновляемых источников энергии — гидравлической, атомной, геотермальной, солнечной и ветровой.
Гидроэлектростанции.
На гидроэлектростанциях преобразуется механическая энергия водного потока в электрическую. Гидроэлектростанции делятся так: ГЭС — приплотинные, плотинные, деривационные: ГАЭС — гидроаккумулирующие; ПЭС — приливные. Приплотинные и плотинные ГЭС строят на многоводных реках, деривационные и гидроаккумулирующие — на немноговодных реках с большим перепадом воды, приливные — на побережьях морей и океанов.
На ГЭС устанавливают гидрогенераторы (гидрогенератор — это блок из гидравлической турбины и генератора трехфазного переменного тока) большой мощности: 225, 500, 640 МВт и более. Например, на Саяно-Шушенской ГЭС установлено 10 гидрогенераторов мощностью по 640 МВт. ГЭС строят в местах наилучшего использования рек, так как мощность ГЭС зависит от разности бьефов (уровней воды до и после турбины) и количества воды, проходящей через турбину в единицу времени.
Преимущества ГЭС: высокий к. п. д. использования энергии падающей воды, который с учетом потерь в гидротехнических сооружениях, гидротурбинах и генераторах составляет 80—90%; самая низкая себестоимость 1 кВт · ч электроэнергии (по данным Минэнерго СССР за 1979 г., себестоимость электроэнергии составляла на ТЭС — 0,752 коп., на АЭС — 0,786 коп., на ГЭС — 0,149 коп); сохраняются природные энергетические ресурсы, которые можно использовать для других технических целей; освобождается транспорт от лишних перевозок.
ГАЭС — это электростанция, работающая на воде, перекаченной из нижнего бьефа в верхний. ГАЭС применяют для покрытия остропиковой части графика нагрузок в утренние и вечерние часы суток. В ночное время воду из нижнего бьефа в верхний перекачивают гидроагрегатами, питаемыми от электрической системы. Этим достигается улучшение экономических показателей ТЭС, загружаемых в периоды спада нагрузок для наполнения бассейнов суточного регулирования ГАЭС.
ПЭС создается отсечением плотиной морского залива или бухты от моря. Волна прилива, движимая космическими силами, дважды в сутки наступает на берег океана. Общая мощность прилива составляет 1 млрд. кВт. Энергия прилива оказывалась до недавнего времени не использованной ввиду ее зависимости от ритма движения Луны (остановка, падение и нарастание через каждые 6 ч 50 мин, уменьшение мощности при убывании видимости лунного диска в течение месяца). В СССР разработана конструкция ПЭС, которая позволяет получать от нее соответствующее количество энергии независимо от положения Луны.
Атомные электростанции (АЭС).
На АЭС преобразуется энергия расщепления ядер атомов химических элементов в электрическую энергию и тепло. В АЭС на тепловых нейтронах используется тепловая энергия распада атомного ядра изотопа 235 урана (содержание U235 в природном уране 0,712%) или тория. Чтобы получить тепловую энергию распада атомного ядра длительно (а не в виде взрыва) и управлять ею, применяют атомные реакторы со специальными замедлителями. По существу, АЭС является тепловой, так как тепловая энергия распада атомного ядра через специальные теплоносители передается воде, преобразуемой в пар, который приводит в движение турбогенератор. Однако вследствие интенсивного радиоактивного излучения требуется сооружение специальных средств для защиты от него, что существенно отличает АЭС от ТЭС. К. п. д. АЭС на тепловых нейронах составляет 25 —30%.
Природный уран содержит в себе 99,283% изотопа U238, т. е. примерно в 140 раз больше, чем изотопа U235. Мировые запасы урана содержат в 20—40 раз больше энергии, чем разведанные запасы угля и нефти. Энергетические показатели изотопа урана U238 характеризуются следующими данными: 1 кг урана соответствует примерно 2000 т первосортного угля или 20 млн. кВт-ч электроэнергии; при распаде ядер атома из 1 г урана выделяется 2,3 · 104 кВт · ч энергии, 90% которой превращается в тепло. Однако использование изотопов U238 до недавнего времени вызывало технические трудности, так как ядра U238 делятся только под действием быстрых нейтронов с энергией, превышающей 1 МэВ, тогда как ядра U235 эффективно делятся под действием нейтронов малой скорости с затратой небольшой энергии.
Затраты на строительство АЭС с реакторами на быстрых нейтронах экономически оправдывают себя, так как в них полностью используется добываемый уран и, кроме того, воспроизводится атомное горючее — плутоний. В АЭС с реакторами на тепловых нейтронах используется только 1—2% сжигаемого урана, остальное — отходы (плутоний, который теперь будет использоваться на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах). Единичная электрическая мощность построенных реакторов на быстрых нейтронах достигла 600 МВт. Перспективными являются реакторы мощностью 800 и 1600 МВт. В одиннадцатой пятилетке предусмотрено «продолжать работы по освоению реакторов на быстрых нейтронах».
На начало 1980 г. только 22 страны имели АЭС, суммарная мощность которых превысила 120 млн. кВт. Ожидается, что к 1995 г. мощность АЭС достигнет 480—500 млн кВт.
Геотермальные электростанции. Они работают на принципе использования глубинного тепла Земли. Источниками глубинного тепла Земли являются радиоактивные превращения, химические реакции и другие явления, происходящие в земной коре. Температуры пород о глубиной непрерывно увеличиваются и на глубинах 2—3 тыс. м превышают 100СС. Воды, циркулирующие на больших глубинах, нагреваются водосодержащими породами до значительных температур и могут быть выведены на поверхность буровыми скважинами. В вулканических районах глубинные воды часто подогреваются горячими газами» поднимающимися по трещинам земной коры от магматических очагов. В этих районах термальные воды имеют наиболее высокие температуры и расположены близко к поверхности земли. Доступными являются термальные воды и пароводяные смеси с теплосодержанием до 200 ккал/кг. Сверхглубинное бурение дает возможность освоить тепло более энергоемких земных недр. Пароводяная смесь с теплосодержанием до 200 ккал/кг, выведенная на поверхность земли с глубины 200 — 450 м с помощью скважин, направляется по трубопроводам в сепарационные устройства. Отсепарированный пар поступает в турбины, а горячая вода при температуре 120°С используется для теплоснабжения населения и технических целей. Преимущество геотермальной электростанции состоит в том, что она не расходует энергетического сырья. Основной недостаток — ограниченная мощность.
Солнечные электростанции.
Земля каждый день получает от Солнца в тысячу раз больше энергии, чем ее вырабатывают все электростанции мира. Задача состоит в том, чтобы научиться практически использовать хотя бы ее небольшое количество. Разработка технологии использования энергии Солнца только начинается. В нашей стране исследования в области солнечной энергетики ведутся уже несколько десятилетий. Над проектами крупных солнечных электростанций работают в ряде стран Европы, в Японии и США. Некоторые из них будут введены в строй уже в самые ближайшие годы. Создание большого количества солнечных электростанций займет несколько десятилетий. В месте нахождения электростанции Солнце светит на круглосуточно.
Поэтому в солнечной энергетике одной из важных проблем, кроме получения электроэнергии, является обеспечение длительного хранения и передачи энергии в больших масштабах. Исследователи пришли к выводу, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее вероятной кандидатурой является водород. Получение водорода с использованием солнечной энергии, например путем электролиза, может быть достаточно дешевым, а сам этот газ с высокой температурной способностью может преобразоваться в электроэнергию на солнечной электростанции, длительно храниться, транспортироваться по трубопроводам или перевозиться танкерами на другие электростанции.
В стадии технических экспериментов находится преобразование солнечной энергии, получаемой искусственными спутниками Земли па стационарных орбитах в районе экватора, в коротковолновое электромагнитное излучение, которое на Земле превращается в электроэнергию.
Главное перспективное направление в мировой электроэнергетике состоит в максимальном использовании атомной энергии и возобновляемых источников энергии — гидравлической, геотермальной, солнечной, ветровой, разницы температур глубинных и поверхностных вод Мирового океана.
