Общая энергетика

Часть вырабатываемой электроэнергии потребляется вспомогательным оборудованием КЭС (насосами, вентиляторами, угольными мельницами, осветительными установками

ит.д.). Расход электроэнергии на собственные нужды пылеугольной КЭС составляет до 7 %, газомазутной – до 5 %. Значительная часть энергии (около половины энергии, затрачиваемой на собственные нужды) расходуется на привод питательных насосов. На крупных КЭС применяют паротурбинный привод питательных насосов; при этом расход электроэнергии на собственные нужды снижается.

Различают КПД КЭС брутто (без учета расхода на собственные нужды) и КПД КЭС нетто (с учетом расходов на собственные нужды). Энергетическими показателями, равноценными КПД, служат также удельные (на единицу электроэнергии) расходы тепла и условного топлива с теплотой сгорания 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг), равные для КЭС соответ-

ственно 8,8–10,2 МДж/кВт∙ч (2100–2450 ккал/кВт∙ч) и 300– 350 г/кВт∙ч.

Повышение КПД, экономия топлива и уменьшение топливной составляющей эксплуатационных расходов обычно сопровождаются удорожанием оборудования и увеличением капиталовложений. Выбор оборудования КЭС, параметров пара и воды, температуры уходящих газов котлоагрегатов

ит.д. производится на основе технико-экономических расчетов, учитывающих одновременно капиталовложения и эксплуатационные расходы (расчетные затраты).

3.ТЕПЛОВЫЕ И АТОМНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

71

3.1. Тепловые электростанции

Тепловая электростанция (ТЭС) – электростанция, вы-

рабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в конце XIX века и к середине 1970-х годов ТЭС стали основным типом электрических станций в мире. Доля вырабатываемой ими электроэнергии в России составляет около 70–80 % и около 70 % в мире.

Большинство городов России снабжаются электрической энергией именно от ТЭС. Часто в городах используются ТЭЦ – теплоэлектроцентрали, производящие не только электроэнергию, но и тепло в виде горячей воды и пара. Несмотря на более высокий КПД, такая система является довольнотаки непрактичной, так как в отличие от электрокабеля надежность теплотрасс чрезвычайно низка на больших расстояниях, поскольку эффективность централизованного теплоснабжения сильно снижается вследствие уменьшения температуры теплоносителя. Подсчитано, что при протяженности теплотрасс более 20 км (типичная ситуация для большинства городов) установка электрического бойлера в отдельно стоящем доме становится экономически более выгодна, чем централизованное теплоснабжение.

На ТЭС химическая энергия сжигаемого топлива преобразуется сначала в тепловую, затем в механическую и, наконец, в электрическую энергию.

Тепловые электростанции, использующие химическую энергию органического топлива, классифицируются по сле-

дующим главным признакам:

•по типу тепловых двигателей;

•по начальному давлению пара;

•по характеру потребителей и району обслуживания;

72

• по видам вырабатываемой и отпускаемой потребителям энергии.

В зависимости от типа теплового двигателя (энерге-

тической установки) ТЭС делятся на паротурбинные, газотурбинные, бензиновые и дизельные. Паротурбинные ТЭС составляют основу российской энергетики. Топливом для ТЭС могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут. Наибольший удельный вес в структуре ТЭС составляют пылеугольные и газомазутные электростанции.

По начальному давлению пара различают: паротурбин-

ные ТЭС низкого и среднего давления (до 3 МПа); высокого и сверхвысокого давления (до 14 МПа); сверхкритического давления (выше 22,5 МПа).

По характеру потребителей и району обслуживания

ТЭС делятся:

1)на государственные районные электростанции (ГРЭС) большой мощности, работающие на общую сеть и питающие электроэнергией потребителей, расположенных иногда на большом расстоянии от электростанции;

2)электростанции местного значения; они рассчитаны на обслуживание небольшого района и иногда не присоединены к районной сети. К этой категории относятся коммунальные, промышленные и железнодорожные ТЭС.

По видам вырабатываемой и отпускаемой потребите-

лям энергии ТЭС подразделяются на электростанции, вырабатывающие только электрическую энергию, называемые конденсационными электростанциями (КЭС), или совместно электрическую и тепловую энергию в виде пара низкого давления или горячей воды, называемые теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

3.1.1.Тепловые схемы ТЭС

73

Процесс преобразования тепловой энергии в электрическую энергию отражается на упрощенных (принципиальных) или полных тепловых схемах.

Принципиальная тепловая схема ТЭС показывает основ-

ные потоки теплоносителей, связанные с основным и вспомогательным оборудованием в процессах преобразования теплоты сжигаемого топлива для выработки и отпуска электроэнергии и теплоты потребителям. Практически принципиальная тепловая схема сводится к схеме пароводяного тракта ТЭС (энергоблока), элементы которого обычно представляют в условных изображениях.

Упрощенная (принципиальная) тепловая схема теплоэнергетической установки, работающей на угле, представлена на рис. 3.1.

Уголь подается в топливный бункер 1, а из него – в дробильную установку 2, где превращается в пыль. Угольная пыль поступает в топку парогенератора (парового котла) 3, имеющего систему трубок, в которых циркулирует химически

Рис. 3.1. Упрощенная тепловая схема паротурбинной пылеугольной ТЭС и внешний вид колеса паровой турбины

74

очищенная вода, называемая питательной. В котле вода нагревается, испаряется, а образовавшийся насыщенный пар доводится в пароперегревателе до температуры 400–650 °С

ипод давлением 3–25 МПа поступает по паропроводу в па-

ровую турбину 4. Параметры перегретого пара T0, P0 (температура и давление на входе в турбину) зависят от мощности агрегатов. На КЭС весь пар идет на выработку электроэнергии. На ТЭЦ одна часть пара полностью используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе 5 и затем поступает в конденсатор 6, а другая, имеющая большую температуру и давление, отбирается от промежуточной ступени турбины и используется для теплоснабжения (на рис. 3.1 штриховая линия). Конденсат насосом 7 через деаэратор 8

идалее питательным насосом 9 подается в парогенератор. Количество отбираемого пара зависит от потребности предприятий в тепловой энергии.

Полная тепловая схема (ПТС) отличается от принципи-

альной тем, что на ней полностью отображаются оборудование, трубопроводы, запорная, регулирующая и защитная арматура. Полная тепловая схема энергоблока состоит из схем отдельных узлов, в том числе дается общестанционный узел (баки запасного конденсата с перекачивающими насосами, подпитка тепловой сети, подогрев сырой воды и т.п.). К вспомогательным трубопроводам относятся трубопроводы обводные, дренажные, сливные, вспомогательные, отсосов паровоздушной смеси. Обозначения линий и арматуры ПТС следующие:

свежий пар; пар промежуточного перегрева;

питательная вода, впрыск; конденсат; пар отборов, на обдувку;

пар уплотнений;

75

дренаж; паровоздушная смесь;

рециркуляция, линии растопки; выпар; химобессоленная вода; циркуляционная вода;

пар сбросной, перепускной, на собственные нужды;

шайба дроссельная; набор дроссельных шайб;

электропривод;

соединение трубопроводов; непрерывная продувка; периодическая продувка;

клапан, задвижка; обратный затвор; регулирующий клапан;

регулирующий клапан с электроприводом; регулирующий клапан с колонкой ди-

станционного управления (КДУ); обратный затвор с гидроприводом;

предохранительный клапан;

арматура под вакуумом; редукционный клапан; впрыскивающий пароохладитель; редукционно-охладительное устройство;

76

расходомер; воронка открытая;

выхлоп в атмосферу; фильтр водяной.

3.1.1.1. Тепловые схемы КЭС

Большинство КЭС нашей страны используют в качестве топлива угольную пыль. Для выработки 1 кВт∙ч электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля. В паровом котле свыше 90 % выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору (см. рис. 3.1). Вал турбины жестко соединен с валом генератора. Современные паровые турбины для ТЭС являются быстроходными (3000 об/мин) высокоэкономичными машинами с большим ресурсом работы.

КЭС большой мощности на органическом топливе строятся в настоящее время в основном на высокие начальные параметры пара и низкое конечное давление (глубокий вакуум). Это дает возможность уменьшить расход теплоты на единицу выработанной электроэнергии, так как чем выше начальные параметры P0 и T0 перед турбиной и ниже конечное давление пара Pк, тем выше КПД установки. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру – до 650 °С и давление – до 25 МПа.

На рис. 3.2 представлены типичные упрощенные тепловые схемы КЭС на органическом топливе. По схеме рис. 3.2, а подвод теплоты к циклу осуществляется только при генерации пара и подогреве его до выбранной температуры перегрева tпер; по схеме рис. 3.2, б наряду с передачей теплоты при этих условиях теплота подводится к пару и после того, как он отработал в части высокого давления турбины.

77

Рис. 3.2. Типичные тепловые схемы паротурбинных конденсационных установок на органическом топливе без промежуточного перегрева пара (а) и с промежуточным перегревом (б)

Первую схему называют схемой без промежуточного перегрева, вторую – схемой с промежуточным перегревом пара. Как известно из курса термодинамики, тепловая экономичность второй схемы при одних и тех же начальных и конечных параметрах и правильном выборе параметров промежуточного перегрева выше.

По обеим схемам пар из парового котла 1 направляется

втурбину 2, находящуюся на одном валу с электрогенератором 3. Отработавший пар конденсируется в конденсаторе 4, охлаждаемом циркулирующей в трубках технической водой. Конденсат турбины конденсатным насосом 5 через регенеративные подогреватели 6 подается в деаэратор 8.

Деаэратор служит для удаления из воды растворенных

вней газов; одновременно в нем, так же как в регенеративных подогревателях, питательная вода подогревается паром, отбираемым для этого из отбора турбины. Деаэрация воды проводится для того, чтобы довести до допустимых значений содержание кислорода и углекислого газа в ней и тем самым понизить скорость коррозии металла в трактах воды и пара. В то же время деаэратор в ряде тепловых схем КЭС может отсутствовать. При этом так называемом нейтрально-кисло-

78

родном водном режиме в питательную воду подаются

вопределенном количестве кислород, пероксид водорода или воздух; деаэратор в схеме при этом не нужен.

Деаэрированная вода питательным насосом 9 через подогреватели 10 подается в котельную установку. Конденсат греющего пара, образующийся в подогревателях 10, перепускается каскадно в деаэратор 8, а конденсат греющего пара подогревателей 6 подается дренажным насосом 7 в линию, по которой протекает конденсат из конденсатора 4.

Описанные тепловые схемы являются в значительной мере типовыми и незначительно меняются с ростом единичной мощности и начальных параметров пара.

Деаэратор и питательный насос делят схему регенеративного подогрева на группы ПВД (подогреватель высокого давления) и ПНД (подогреватель низкого давления). Группа ПВД состоит, как правило, из 2–3 подогревателей с каскадным сливом дренажей вплоть до деаэратора. Деаэратор питается паром того же отбора, что и предвключенный ПВД. Такая схема включения деаэратора по пару широко распространена. Поскольку в деаэраторе поддерживается постоянное давление пара, а давление в отборе снижается пропорционально снижению расхода пара на турбину, такая схема создает для отбора запас по давлению, который реализуется

впредвключенном ПВД. Группа ПНД состоит из 3–5 регенеративных и 2–3 вспомогательных подогревателей. При наличии испарительной установки (градирни) конденсатор испарителя включается между ПНД.

КЭС, производящие только электричество, имеют невысокий КПД (30–40 %), так как большое количество выработанного тепла сбрасывается в атмосферу через конденсаторы пара, градирни, теряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора.

79

3.1.1.2. Когенерация. Тепловые схемы ТЭЦ

Совместное производство электрической и тепловой энергии (применение принципа когенерации) позволяет использовать большую часть тепла для удовлетворения тепловых потребностей производства и населения, тогда КПД ТЭС может повыситься с 30–50 % теоретически до 80–90 % в системах когенерации (практически до 60–75 %).

Сравним типичные значения КПД электростанций и котельных установок при процессах когенерации и раздельного производства электричества и тепла:

Уровень распространения когенерации в мире позволяет утверждать, что это наиболее эффективная (из существующих) технология энергообеспечения для огромной части потенциальных потребителей. Выгоды от использования систем когенерации условно делятся на четыре группы, тесно связанные друг с другом: экономия, надежность, утилизация тепла, экология.

ТЭЦ отличается от КЭС установленной на ней специальной теплофикационной турбиной с промежуточными отборами пара или с противодавлением. На таких установках теплота отработавшего пара частично или даже полностью используется для теплоснабжения, вследствие чего потери воды с охлаждающей водой сокращаются или вообще отсут-

80