Тема 3. Производство электроэнергии
3.1. Потребление и производство электроэнергии
Все добываемое органическое топливо перерабатывается и используется в следующих направлениях с примерной оценкой доли в общем балансе:
промышленность – 58 %;
транспорт – 10 %;
сфера услуг – 12 %;
коммунально-бытовой сектор – 11 %;
сельское хозяйство – 9 %.
Постоянное возрастание относительных объемов топлива, которое перерабатывается в электроэнергию, объясняется рядом важных преимуществ электричества перед другими видами энергии. К ним относятся следующие свойства электроэнергии:
экологическая чистота;
простота преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и др.);
легко транспортируется с малыми потерями;
простой учет;
удобна для автоматизации.
Сегодня в мире ежегодно производится более 14000 млрд. кВт·ч электроэнергии. Примерно 63 % вырабатывается на тепловых электростанциях, 19 % на ГЭС и 18 % на АЭС. На каждого жителя планеты приходится более 2000 кВт·ч электроэнергии в год. При этом в большинстве странах, в основном северных, на человека приходится более 10000 кВт·ч, в России примерно 5000 кВт·ч.
В структуре генерирующих мощностей доля ТЭС – 68 %, ГЭС –21 %, АЭС– 11 %.
Более 11 % выработанной электроэнергии расходуется на транспорт ее до потребителей, т.е. теряется при передаче. Небольшая часть вырабатываемой электроэнергии экспортируется.
Для обеспечения надежного электроснабжения потребителей 94% электростанций России объединены в единую энергосистему ЕЭС России.
3.2. Основное оборудование электростанций
Основное силовое электрическое оборудование электростанций не зависит от их типа и включает синхронные генераторы разной мощности и типа, силовые трансформаторы и коммутационное оборудование.
3.2.1. Синхронный генератор
Используется для преобразования механической энергии первичного двигателя – турбины в электрическую энергию. Принцип работы синхронного генератора основан на законе электромагнитной индукции, который устанавливает, что ЕДС определяется скоростью изменения магнитного потока Ф, который пронизывает контур проводника. Синхронный генератор переменного трехфазного тока (рис. 1) состоит из неподвижного статора и вращающегося под действием турбины ротора.
Рис. 1. Принципиальная схема синхронного генератора
Обычно ротор выполняется в виде электромагнита, имеющего одну или несколько пар полюсов. Магнитный поток создается обмоткой возбуждения, которая питается от специального источника постоянного тока – возбудителя через контактные кольца и щетки.
В пазах статора, выполненного из листов электротехнической стали, размещаются медные стержни, соединяемые по торцам в три фазные обмотки, сдвинутые в пространстве на 120 электрических градусов. При вращении ротора в каждом стержне наводится ЭДС, пропорциональная магнитной индукции, длине стержня и скорости вращения ротора. Так как все стержни обмоток соединяются последовательно, то ЕДС на зажимах обмоток определяется суммой ЕДС каждого стержня. За один оборот ротора при одной паре полюсов происходит полный период изменения ЕДС.
Частота переменного тока f при вращении ротора со скоростью n оборотов в минуту и числе пар полюсов p определяется по формуле
f=pn/60.
Мощный синхронный генератор представляет собой сложное и громоздкое сооружение. Масса генератора мощностью 800 МВт около 480 т, а ротора 80 т. Размеры ротора ограничены условиями механической прочности. Длина его не может превышать 8–10 м, а его диаметр1,2–1,3 м при n=3000 об/мин. Ограничен и внешний диаметр статора, который не должен превышать железнодорожного габарита.