3. Получение, преобразование и транспортировка энергии

Как уже указывалось, получение и превращение энер­гии производится на специальных станциях. Название станции, как правило, соответствует видам первичной энер­гии, превращающейся в другие вторичные виды энергии, чаще всего в электрическую. Например, тепловая элек­трическая станция (ТЭС) преобразует тепловую энергию в электрическую. В этот же вид энергии на гидроэлектро­станции (ГЭС) или гидроаккумулирующей электростан­ции (ГАЭС) превращается механическая энергия (кине­тическая энергия движения воды); на атомной электро­станции (АЭС) - атомная (энергия ядерного топлива); на приливной электростанции (ПЭС) - энергия приливов.

В нашей республике более 95 % энергии вырабатыва­ется на ТЭС, которые по назначению делятся на два типа:

• конденсационные тепловые электростанции (КЭС), предназначенные только для выработки электроэнергии;

• теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых осущест­вляется комбинированное производство электрической и тепловой энергии.

Принципиальная схема тепловой электростанции со­стоит из котла-парогенератора (ПГ), турбины (Т), генера­тора электрического тока (Г), конденсатора (К) и насоса (Н) (рис. 3.3).

Образующаяся при сжигании топлива тепловая энер­гия используется для подогрева воды и превращается в энергию водяного пара, которая в турбине переходит в механическую энергию вращения, а генератор превраща­ет ее в электрическую. Непосредственно тепловая энер­гия для нужд потребления может быть отобрана в виде пара из турбины либо котла-парогенератора. Конденсатор пара служит для утилизации теплоты парообразования охлаждающей водой.

Технологическая схема ТЭЦ отличается тем, что взамен конденсатора устанавливается теплообменник, где пар под давлением нагревает воду, подаваемую в тепловую сеть.

Таким образом, технология преобразования энергии на ТЭС может быть представлена схемой:

Коэффициент полезного действия (КПД) КЭС состав­ляет 36-39 %. Для ТЭЦ КПД в 1,5-1,7 раза выше и дости­гает 65 % за счет того, что на этой станции производится комплексная выработка электроэнергии и теплоты горя­чей воды или водяного пара за счет использования тепло­ты отработавшего в турбинах пара или газа.

Для производства водяного пара или горячей воды используют котельные установки. В зависимости от про­изводительности они могут быть районными производ­ственными котельными, служащими для централизован­ного теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства, или локальными, которые обеспечивают тепловой энер­гией одно или несколько зданий.

Для повышения КПД теплоэнергетических станций в настоящее время широко применяют газотурбинные и парогазовые установки, в которых в качестве рабочих тел используются водяной пар, воздух или дымовые газы.

Производство электрической энергии на гидроэлект­рической станции состоит из следующих этапов:

• создание разных уровней воды в верхнем и нижнем бьефах;

• превращение энергии потока воды в энергию вра­щения вала гидравлической турбины;

• превращение энергии вращения вала в электриче­скую энергию с помощью гидрогенератора.

На гидроаккумулирующих электростанциях подача воды в водоем верхнего бьефа обеспечивается специаль­ными насосами или обратными турбинами, которые мо­гут работать в режиме насосов и тем самым поддержи­вать необходимый уровень воды в водоеме.

Получение теплоты и электрической энергии на АЭС отличается от аналогичных процессов на ТЭС. Источника­ми энергии на последних является органическое топли­во, а на АЭС - ядерное, которое в специальных ядерных реакторах расщепляется с выделением огромного количе-

ства теплоты. Один грамм урана содержит 2,6 • 10²¹ ядер, при делении которых выделяется 2000 кВт-ч энергии. Для получения такого же количества энергии нужно бы­ло бы сжечь более 2 т угля.

Наиболее широкое распространение получили двух- и трехконтурные АЭС. В двухконтурных схемах производ­ства электроэнергии предусмотрены два самостоятельных контура — теплоносителя и рабочего тела. Общим элемен­том у них является теплообменник-парогенератор, в ко­тором нагретый в реакторе теплоноситель отдает свою теплоту рабочему телу и при помощи циркуляционного насоса возвращается в реактор. Полученный в парогене­раторе пар подается в турбину, где совершает работу, кон­денсируется и возвращается в парогенератор.

В трехконтурной схеме теплоносителем первого кон­тура служат жидкие металлы (например, натрий). Радио­активный натрий первого контура из реактора поступает в теплообменник промежуточного контура, заполненного также натрием, которому отдает теплоту, и с помощью циркуляционного насоса возвращается в реактор. Давле­ние натрия во втором контуре выше, чем в первом, что исключает утечку радиоактивного натрия. В парогенера­торе промежуточного второго контура натрий отдает теп­лоту рабочему телу (воде) третьего контура. Образовав­шийся пар поступает в турбину, совершает работу, кон­денсируется и вновь поступает в парогенератор. Эта схема более дорогостоящая, но она обеспечивает более надеж­ную защиту окружающей среды от радиоактивного за­грязнения.

Энергоресурсы неравномерно распределены на терри­тории планеты. Места их наибольшего сосредоточения обычно не совпадают с местами потребления, что и пре­допределяет необходимость в транспортировке энергии.

Транспортировка энергии включает в себя перевозку (перекачку) первичных энергоресурсов, передачу теплоты

3.4. Экологическая характеристика предприятий энергетики

и электроэнергии. Примерно 30—40 % от массы добытых первичных энергоресурсов теряется при добыче, транс­портировке и хранении.

Целесообразность передачи на расстояние тех или иных носителей энергии в основном определяется их энергоем­костью — чем выше значение теплоты сгорания топлива, тем выгоднее его перевозить на большие расстояния.

Транспортировка первичных энергоресурсов произво­дится всеми видами транспорта. Например, каменные угли с низшей теплотой сгорания Q^p_h > 30 МДж/кг целесо­образно перевозить на большие расстояния с помощью вод­ного, железнодорожного или автомобильного транспорта, а дрова транспортировать на расстояния более нескольких десятков километров невыгодно.

Наиболее дешевым способом транспортировки природ­ного газа, нефти и нефтепродуктов является трубопровод­ный транспорт.

Транспортировка тепловой энергии от источника до по­требителей осуществляется тепловыми сетями, суммар­ная протяженность которых в однотрубном исчислении в республике составляет более 10 тыс. км.

Основным элементом современных тепловых сетей являются предварительно изолированные теплопроводы, включающие стальную трубу, тепловую изоляцию из пе­нополиуретана с коэффициентом теплопроводности от 0,02 до 0,027 Вт/(м • К) и защитный кожух из пластмассы. Эти теплопроводы выдерживают высокие механические нагрузки и прокладываются непосредственно в грунте (бесканальная прокладка), что сокращает затраты на их монтаж и эксплуатацию.

Кроме того, теплопроводы могут прокладываться в про­ходных, полупроходных или непроходных каналах в грун­те или над землей. При этом трубы оснащаются тепло­вой изоляцией в основном из минеральной ваты. Из те­плопроводов формируется тепловая сеть, связывающая источники энергии с потребителями.

При транспортировке теряется значительное коли­чество теплоты. В некоторых случаях потери доходят до 50 %. Это связано с неудовлетворительной тепловой изоляцией и утечкой теплоносителя. Кроме того, при об­разовании конденсата за счет фазового перехода выделя­ется значительное количество теплоты, и увеличиваются потери давления на прокачку теплоносителя.

Для снижения теплопотерь рекомендуются следую­щие мероприятия:

• использовать теплопроводы с высокими теплоизо­ляционными свойствами;

• снижать уровень температур теплоносителя без ущер­ба для потребителя;

• по возможности заменять технологический пар го­рячей водой;

• своевременно с помощью конденсатоотводчиков уда­лять пар из паропроводов;

• ликвидировать утечки теплоносителя;

• использовать гибкие системы регулирования отпу­ска и распределения теплоты.

Транспортировка электрической энергии от электро­станций потребителям осуществляется с помощью элек­трических сетей, представляющих собой совокупность трансформаторных и преобразовательных подстанций, распределительных устройств и соединяющих их элек­трических линий (воздушных и кабельных), размещен­ных на территории потребителя. Линии электропередачи (ЛЭП) осуществляют связи между электростанциями и энергетическими системами для их параллельной рабо­ты. Такие межсистемные связи позволяют повысить на­дежность режимов работы энергосистем, сократить необ­ходимый резерв мощности, облегчить функционирование энергосистемы в периоды максимальной и минимальной нагрузок.

В нашей стране применяются стандартные номиналь­ные (междуфазные) напряжения трехфазного тока часто­той 50 Гц в диапазоне 6-750 кВ, а также напряжения 0,66; 0,38 кВ. По величине напряжения электрические сети делятся на сети сверхвысокого (> 330 кВ), высокого (3-220 кВ) и низкого (< 1 кВ) напряжения.