15.Способы получения тепловой энергии.

При оуществлеиии технологических процессов наиболее часто используются тепло­вая и электрическая энергии. Многим отраслям промышленности: химической, металлурги­ческой, текстильной, пищевой и др. — тепло необходимо для технологических целей. При­мерно 50 % добываемого топлива расходуется на тепловые нужды предприятий. Во многих производствах требуется пар давлением 0,5 — 0,9 МПа, а иногда и до 2 МПа для приведе­ния в движение прессов, паровых молотов, турбин. Иногда требуется горячая вода, нагретая до 70 — 150 °С. Горячая вода необходима и для отопления жилых зданий. Тепловая энергия в виде пара указанных параметров и горячей воды может произво­диться централизованно на ТЭЦ и в крупных котельных или децентрализованно на заво­дских мини-ТЭЦ и в индивидуальных котельных. Для получения тепловой энергии служат различного вида паровые котлы и котлоагрегаты.В водотрубных котлах почти вся вода сосредоточена в многочисленных тонких и длинных трубах, нагреваемых горячими газами. Трубы в котлах расположены вертикально или горизонтально и соединены с небольшого диаметра барабанами, в которых пар отделя­ется от воды. Увеличение поверхности нагрева водотрубных котлов позволило значительно повысить паропроизводительность, увеличить давление пара, коэффициент полезного дей­ствия горячих газов до 90 %. В прямоточных котлах барабаны для отделения пара от воды отсутствуют. Вода пе­реходит в пар по мере перемещения по трубам. Количество труб, которые имеют криволи­нейную форму, составляет несколько десятков, их длина может составлять более тысячи метров.В котельном агрегате конструктивно объединён в единое целое комплекс устройств для получения под давлением пара или горячей воды за счёт сжигания топлива. Главной частью агрегата являются топочная камера и газоходы, в которых размещены поверхности нагрева, воспринимающие тепло продуктов сгорания топлива (пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель). Элементы котлоагрегата опираются на каркас и за­щищены от потерь тепла обмуровкой и изоляцией. Котлоагрегаты применяются на тепло­вых электростанциях для снабжения паром турбин, в промышленных и отопительных ко­тельных для выработки пара и горячей воды на технологические и отопительные нужды, в судовых котельных установках. Конструкция котлоагрегата зависит от его назначения, вида применяемого топлива и способа сжигания, единичной паропроизводительности, а также от давления и температуры вырабатываемого пара.В топочной камере происходят сгорание топлива и частичное охлаждение продуктов сгорания в результате лучистого теплообмена между нагретыми газами и покрывающими стены топочной камеры трубами, по которым циркулирует вода или пар. Система этих труб образует топочный экран. На выходе из топки газы имеют температуру порядка 1000 °С. Для дальнейшего охлаждения газов на их пути устанавливают трубчатые поверхности на­грева (пароперегреватели), выполняемые обычно в виде ширм — трубчатых змеевиков, со­бранных в плоские пакеты. Теплообмен в ширмовых поверхностях осуществляется излуче­нием и конвекцией, поэтому эти поверхности называются полурадиационными. Пройдя ширмовый пароперегреватель, газы с температурой 800 — 900 °С поступают в конвектив­ные пароперегреватели высокого и низкого давления, представляющие собой пакеты труб. Теплообмен в этих и последующих поверхностях нагрева осуществляется в основном кон­векцией, и они называются конвективными После пароперегревателя на пути газов, имеющих температуру 600 — 700 °С, уста­навливается водяной экономайзер, далее воздухоподогреватель, в котором газы (в зависи­мости от вида сжигаемого топлива) охлаждаются до 130 — 170 °С. Дальнейшему снижению температуры уходящих газов и полезному использованию их тепла для нагрева рабочей среды препятствует конденсация на поверхностях нагрева паров воды и серной кислоты, которые образуются при сжигании сернистых топлив. При этом происходит интенсивное загрязнение поверхностей нагрева золовыми частицами. Охлаждённые газы, пройдя уст­ройства очистки от золы и в некоторых случаях от серы, выбрасываются дымовой трубой в атмосферу. Твёрдые продукты сгорания топлива, уловленные в агрегате, периодически или непрерывно удаляются через системы золо- и шлакоудаления. Для поддержания поверхно­стей нагрева в чистоте периодически производят их обдув и обмывку, вибро- и дробеочист- ку.По характеру движения рабочей среды котлоагрегаты бывают с многократной есте­ственной или принудительной циркуляцией и прямоточные. В агрегатах с многократной циркуляцией рабочая среда непрерывно движется по замкнутому контуру, который состоит из обогреваемых и необогреваемых труб, соединённых между собой промежуточными ка­мерами — коллекторами и барабанами, и частично испаряется в обогреваемой части кон­тура. Образовавшийся пар отделяется от воды в барабане, а испарённая часть котловой во­ды возмещается водой, подаваемой насосом в водяной экономайзер и далее в барабан. Дви­жение рабочей среды по циркуляционному контуру в агрегатах с естественной циркуляци­ей осуществляется вследствие разности плотностей пароводяной смеси в обогреваемой (подъёмной) части контура и воды в необогреваемой или слабообогреваемой (опускной) его части. В котлоагрегатах с принудительной циркуляцией рабочая среда по контуру переме­щается под действием циркуляционного насоса. Непрерывное упаривание котловой воды в агрегатах с многократной циркуляцией приводит к возрастанию концентрации растворён­ных и взвешенных в ней примесей (солей, окислов, гидратов окислов), которые, откладыва­ясь на внутренней поверхности обогреваемых труб, ухудшают условия их охлаждения и могут стать причиной перегрева металла и аварии из-за разрыва труб. Кроме того, чрезмер­ное повышение концентрации примесей в котловой воде недопустимо из-за уноса их паром из барабана с капельками воды или в виде парового раствора в пароперегреватель, а также в турбину, где примеси оседают на лопатках турбомашины, уменьшая её КПД. Для исключе­ния возрастания концентрации примесей в котловой воде производятся непрерывные и пе­риодические продувки котла. Предельно допустимая концентрация примесей определяется конструкцией и параметрами котлоагрегата, составом воды и тепловыми напряжениями эк­ранных поверхностей нагрева.В прямоточном агрегате нагрев, испарение воды и перегрев пара осуществляются за один проход среды по тракту. При такой организации процесса генерации пара примеси, содержащиеся в воде, не могут быть выведены продувкой части котловой воды и часть примесей осаждается на внутренней поверхности труб, а часть (вместе с паром) поступает в турбину, где откладываясь на лопатках. Поэтому к воде, используемой для прямоточных агрегатов, предъявляются более строгие требования в отношении качества, поэму на пред­варительно обрабатывается в системе водоподготовки.В энергетических установках для повышения экономичности используются схемы с вторичным (промежуточным) перегревом; пар после срабатывания части его тепловой энергии в турбине возвращается в котлоагрегат, подвергается дополнительному перегреву в пароперегревателе низкого давления и вновь возвращается в турбину.Котлоагрегаты значительной мощности представляют собой большие сооружения. Так, котлоагрегат для энергоблока мощностью 300 МВт имеет высоту более 50 м, занима­ет площадь более 1000 квадратных метров. Для его сооружения требуется около 4,5 тыс.тонн металла, в том числе 3000 тонн труб, работаю под давлением более 25 МН/м (250кг*с/см ). Коэффициент полезного действия таких агрегатов превышает 90 %.Для обогрева и снабжения горячей водой отдельных зданий используются котлы не­большой мощности. В них используется жидкое, газообразное и твёрдое топливо. Конст­рукции и оснащение многих котлов позволяют переходить с одного вида топлива на другое. Вместо труб в таких котлах используются литые секции. КПД котлов достигает 95 %. Способы получения электроэнергии. Характеристика электроэнергии

Электроэнергия вырабатывается на электростанциях, которые представляют собой комплекс установок, оборудования и аппаратуры, необходимых для выработки электро­энергии, а также сооружения и здания, расположенные на отведённой территории. В зави­симости от того, какая энергия используется виде первичной для производства. Электро­станции, работающие на традиционных источниках энергии, подразделяют на:тепловые, где электроэнергия получается в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигания органического топлива;гидроэлектростанции, в которых механическая энергия воды преобразуется в элек­трическую;гидроаккумулирующие электростанции, здесь механическая энергия движения предварительно накопленной в искусственном водоеме воды преобразуется в электриче­скую;атомные электростанции, основанные на преобразовании тепловой энергии, выде­ляющейся при делении ядер тяжёлых элементов.Ведущее место в производстве электроэнергии занимают тепловые электростанции. В зависимости от используемого энергетического оборудования эти электростанции быва­ют паротурбинные, газотурбинные и дизельные.

Основное оборудование теплоэлектростанций состоит из котла-парогенератора ПГ, турбины Т и генератора Г. При сжигании топлива в котле выделяется тепловая энергия, ко­торая преобразуется в энергию водяного пара. В турбине Т водяной пар превращается в ме­ханическую энергию вращения. Генератор Г превращает энергию вращения в электриче­скую. Тепловая энергия для нужд потребления может быть взята в виде пара из турбины либо котла.

В конденсаторе К отработанный пар, отдавая скрытую теплоту парообразования ох­лаждающей его воде, циркуляционным насосом Н вновь подается в котел-парогенератор в виде конденсата.

При работе тепловых электростанций топливо и окислитель, которым обычно явля­ется воздух, непрерывно поступает в топку котла. В качестве топлива используются уголь, сланцы, природный газ и мазут. Однако использование природного газа и особенно мазута должно сокращаться, так как это слишком ценные вещества, чтобы их использовать в каче­стве котельного топлива. За счет тепла, образующегося в результате сжигания топлива, в паровом котле вода превращается в пар с температурой около 550 °С. Коэффициентом полезного действия ТЭС является отношение количества получен­ной электрической энергии к тепловой энергии, образовавшейся при сжигании топлива. КПД растет при увеличении начальной температуры пара, однако одновременно значи­тельно возрастают механические и температурные нагрузки на основные узлы турбоагрега­тов. Выигрыш в КПД не компенсирует повышенных затрат на изготовление более прочных узлов и обеспечение безопасной работы агрегатов.Процесс производства электроэнергии на ТЭС условно можно разделить на три цик­ла:химический — горение, в результате которого внутренняя химическая энергия топ­лива превращается в тепловую и передается пару;механический — тепловая энергия пара превращается в энергию вращения турби­ны и ротора турбогенератора;электрический — механическая энергия превращается в электрическую.Принципиальная схема АЭС с ядерным реактором, имеющим водяное охлаждение, приведена на рисунке 14.11. Тепло выделяется в активной зоне реактора теплоносителем, вбирается водой (теплоносителем 1-го контура), которая прокачивается через реактор цир­куляционным насосом 2. Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник (парогене­ратор) 3, где передаёт тепло, полученное в реакторе, воде 2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образованный пар поступает в турбину 4. Наиболее часто на АЭС применяют 4 типа реакторов на тепловых нейтронах: 1) во- водные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя; 2) графито-водные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем; 3) тяжеловодные с водяным тепло­носителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя; 4) графито-газовые с газовым теплоно­сителем и графитовым замедлителем.К реактору и обслуживающим его системам относятся: собственно реактор с биоло­гической защитой, теплообменники, насосы или газодувные установки, осуществляющие циркуляцию теплоносителя; трубопроводы и арматура циркуляции контура; устройства для перезагрузки ядерного горючего; системы специальной вентиляции, аварийного расхола­живания и др.В зависимости от конструктивного исполнения реакторы имеют отличительные осо­бенности: в корпусных реакторах топливо и замедлитель расположены внутри корпуса, не­сущего полное давление теплоносителя; в канальных реакторах топливо, охлаждаемые теп­лоносителем, устанавливаются в специальных трубах-каналах, пронизывающих замедли­тель, заключённый в тонкостенный кожух. Для предохранения персонала АЭС от радиаци­онного облучения реактор изолируется специальными защитными конструкциями. Обору­дование реакторного контура должно быть полностью герметичным, его обычно устанавли­вают в герметичных боксах, которые отделены от остальных помещений АЭС биологиче­ской защитой и при работе реактора не обслуживаются. Радиоактивный воздух и небольшое количество паров теплоносителя, обусловленное наличием протечек из контура, удаляют из необслуживаемых помещений АЭС специальной системой вентиляции, в которой для ис­ключения возможности загрязнения атмосферы предусмотрены очистные фильтры и газ­гольдеры выдержки. При авариях в системе охлаждения реактора для исключения перегре­ва и нарушения герметичности оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) предусмат­ривают быстрое (в течение несколько секунд) глушение ядерной реакции; аварийная систе­ма расхолаживания имеет автономные источники питания.В зависимости от вида и агрегатного состояния теплоносителя создается тот или иной термодинамический цикл АЭС. Выбор верхней температурной границы термодина­мического цикла определяется максимально допустимой температурой оболочек ТВЭЛов, содержащих ядерное горючее, допустимой температурой собственно ядерного горючего, а также свойствами теплоносителя, принятого для данного типа реактора. На АЭС, тепловой реактор которой охлаждается водой, обычно используются низкотемпературные паровые циклы. Реакторы с газовым теплоносителем позволяют применять относительно более эко­номичные циклы водяного пара с повышенными начальными давлением и температурой. Тепловая схема АЭС в этих двух случаях выполняется двухконтурной: в переменном кон­туре циркулирует теплоноситель, второй контур — пароводяной. При реакторах с кипящим водяным или высокотемпературным газовым теплоносителем возможна одноконтурная те­пловая АЭС. В кипящих реакторах вода кипит в активной зоне, полученная пароводяная смесь сепарируется и насыщенный пар направляется или непосредственно в турбину, или предварительно возвращается в активную зону для перегрева Обор-е машинного зала АЭС аналогично оборудованию машинного зала ТЭС. Отличительная особенность большинства АЭС — использование пара сравнительно низких параметров, насыщенного или слабоперегретого. При этом для исключения эрози­онного повреждения лопаток последних ступеней турбины частицами влаги, содержащейся в паре, в турбине устанавливают сепарирующие устройства. Иногда применяются вынос­ные сепараторы и промежуточных перегревателей пара. В связи с тем, что теплоноситель и содержащиеся в нём примеси при прохождении через активную зону реактора активируют­ся, конструктивное решение оборудования машинного зала и системы охлаждения конден­сатора турбины одноконтурных АЭС необходимо полностью исключать возможность утеч­ки теплоносителя. На двухконтурных АЭС с высокими параметрами пара подобные требо­вания к оборудованию машинного зала не предъявляются.В число специфичных требований к компоновке оборудования АЭС входят: мини­мальная протяжённость коммуникаций, связанных с радиоактивными средами; повышен­ная надёжность несущих конструкций реактора; надёжная организация вентиляции поме­щений.