Тема 4.2. Способы получения, транспортирования и использования энергии
Энергия и ее виды. Преимущество электрической энергии
Энергия – (от греч. energeia - действие, деятельность, интенсивность, работа) представляет собой общую количественную меру движения и взаимодействия различных видов материи.
В настоящее время человечество использует следующие виды энергии:
–Механическая энергия – характеризует взаимное расположение тел или частей тела. В энергетике на электростанциях первичная механическая энергия вырабатывается на паровых, газовых
игидротурбинах, поршневых двигателях внутреннего сгорания. У потребителя вторичная механическая энергия вырабатывается преимущественно асинхронными электродвигателями.
–Тепловая энергия – характеризуется хаотическим движением молекул и атомов веществ. Чем выше скорость такого движения, тем выше температура тела. В энергетике тепловую энергия получают преимущественно путем сжигания органического топлива, концентрацией солнечного излучения, использованием теплоты земных недр или путем распада тяжелых ядер (урана, плутония и т.д.). Тепловая энергия вырабатывается в виде энергии пара, горячей воды, воздуха или продуктов сгорания топлива.
–Электрическая энергия – энергия движущихся по электричкой цепи электронов или ионов. В энергетике электрическая энергия в виде трехфазного переменного тока промышленной частоты вырабатывается на синхронных, асинхронных генераторах, частотных преобразователях.
–Химическая энергия – энергия, проявляющаяся при химических реакциях. В энергетике используются экзотермические реакции окисления топлива, протекающие с выделением теплоты.
–Электромагнитная энергия – энергия взаимно порождающих друг друга электрических и магнитных составляющих электромагнитного поля, проявляющаяся в виде электромагнитных волн.
–Атомная (ядерная) энергия – энергия, выделяющаяся при распаде тяжелых ядер или при синтезе легких ядер веществ. В энер-
217
гетике пока используется только первый вариант, т.е. распад в атомных реакторах тяжелых ядер урана, плутония.
–Гравитационная энергия – энергия взаимодействия (притяжения) массивных тел. В энергетике гравитационная энергия используется в гидроэнергетике путем притяжения масс воды к Земле, Луне и Солнцу.
Единицей измерения энергии является 1 Дж (Джоуль) (СИ). В то же время для измерения определенных видов энергии
используются следующие единицы:
–для измерения тепловой энергии допускается использовании калории (СГС), 1 кал = 4,189 Дж;
–для измерения электрической энергии используется 1 кВт·ч
=3,6 МДж
Энергетической основой развития современного общества является электрическая энергия. Широкое использование электроэнергии обусловлено следующими факторами:
–возможностью выработки электроэнергии в больших количествах при близости к месторождениям и водным источникам;
–возможностью транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;
–возможностью трансформации электроэнергии в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую, световую;
–возможностью применения на основе электроэнергии принципиально новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.
Тепловые и атомные электрические станции (ТЭС и АЭС). Котельные. Типовые схемы ТЭС и АЭС. Когенерация. Графики электрических и тепловых нагрузок
ТЭС (тепловые электрические станции) – станции с использованием тепловых двигателей которые производят электрическую и тепловую энергию на основе сжигания органического топлива.
Тепловой двигатель предназначен для превращения теплоты в механическую работу. Тепловые двигатели разделяются по способу подвода теплоты (сжигания топлива) на двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания.
В двигателях внешнего сгорания топливо сжигается вне теп-
218
лового двигателя в специальных устройствах (паровом котле), а превращение теплоты пара в работу происходит в паротурбинной (ПТУ) или парогазовой установке (ПГУ).
В двигателях внутреннего сгорания рабочими телами являются газообразные продукты сгорания топлива. К двигателям внутреннего сгорания относятся газотурбинные установки (ГТУ) и поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС).
Тепловые электрические станции по организации производственного цикла подразделяют на:
–КЭС (конденсационные электрические станции) или ГрЭС – (государственные районные электростанции), производящие только электроэнергию;
–ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) – станции с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии;
–АЭС (атомные электрические станции) – использующих энергию ядерного распада для выработки электрической энергии.
Районные котельные предназначены для централизованного теплоснабжения промышленности и жилищно-коммунального хозяйства, а также для покрытия пиковых тепловых нагрузок в теплофикационных системах.
Общая схема ТЭС представлена на рисунке 4.2.1. Энергия пара из котла приводит во вращение ротор паровой турбины. Турбина представляет собой ротационный тепловой двигатель лопаточного типа. На одном валу с турбиной находится электрогенератор, в котором в результате вращения его турбиной вырабатывается электроэнергия. Отработанный пар поступает в конденсатор, где отдает скрытую теплоту парообразования охлаждающей его воде и превращается в конденсат. Далее насосом конденсат подается в котелпарогенератор и цикл замыкается. Термический КПД цикла ПТУ КЭС – 35-43%.
219
Рисунок 4.2.1 – Упрощенная схема тепловой электростанции: 1 - котел-парогенератор; 2 - турбина; 3 - электрогенератор; 4 - кон-
денсатор; 5 - конденсатный насос
На рисунке 4.2.2 показана схема ТЭЦ с отбором пара из турбины. В этой схеме часть пара достаточно высоких параметров отбирается из промежуточных ступеней турбины. Отобранный пар может быть либо направлен на производство (так называемый производственный отбор), откуда в установку возвращается конденсат, либо в специальные подогреватели-теплообменники, в которых этот пар нагревает воду, используемую для отопительных целей (так называемый теплофикационный отбор). На современных ТЭЦ наиболее распространены турбины с отбором пара.
Рисунок 4.2.2– Упрощенная схема ТЭЦ с теплофикационным отбором:
1 - котел-парогенератор; 2 - турбина; 3 - генератор; 4 - конденсатор; 5 - конденсатный насос; 6 - подогреватель теплообменник; 7 - потребители пара; 8 - потребители горячей воды; 9 - кон-
денсатосборник.
220
При комбинированной (когенерация) выработке электроэнергии и тепла достигается значительная экономия топлива по сравнению с раздельным электроснабжением от КЭС и выработкой тепла от местных котельных.
Атомные электрические станции и их типовые схемы. Мировыми лидерами в производстве ядерной электроэнергии на 2023 год являлись: США, Франция, Китай, Россия и Южная Корея.
Роль источника теплоты на АЭС выполняет ядерный реактор, теплота в котором выделяется в результате деления ядерного топлива. Ядерное топливо обладает высокой теплотворной способностью (в миллионы раз выше, чем органическое). При делении одного грамма урана выделяется энергия, равная 2000 кВт·ч. Для получения такого количества энергии нужно сжечь более 2000 кг угля.
В процессе работы ядерного реактора образуется большое количество радиоактивных веществ в топливе, конструкционных материалах, теплоносителе. Поэтому АЭС является потенциальным источником радиационной опасности для обслуживающего персонала, а также окружающего населения, что повышает требования к надежности и безопасности эксплуатации АЭС.
Тепловые схемы атомных электростанций зависят от типа реактора, вида теплоносителя, состава оборудования. Тепловые схемы могут быть одно-, двух- и трехконтурными (рисунок 4.2.3).
а) б) в)
Рисунок 4.2.3 – Упрощенные тепловые схемы одноконтурной (а), двухконтурной (б) и трехконтурной (в) АЭС: 1 - реактор; 2 - паровая турбина; 3 - электрогенератор: 4 - конденсатор; 5 - конденсатный насос; 6 - парогенератор; 8 промежуточный теплообменник;
7 , 9- питательные насосы.
221
Водноконтурных схемах (рисунок 4.2.3 а) пар вырабатывается непосредственно в реакторе. Полученная пароводяная смесь (паросодержанием до 15 %) подается в барабан-сепаратор, отсепарированный насыщенный пар поступает в паровую турбину. Отработавший в турбине пар конденсируется, и конденсат циркуляционным насосом подается в реактор. Одноконтурная схема наиболее проста в конструктивном отношении и достаточно экономична. Однако рабочее тело на выходе из реактора становится радиоактивным, что предъявляет повышенные требования к биологической защите и затрудняет проведение контроля и ремонта оборудования.
Вдвухконтурных схемах (рисунок 4.2.3 б) существует два самостоятельных контура. Контур теплоносителя – первый; контур рабочего тела – второй. Общее оборудование обоих контуров – парогенератор. Нагретый в реакторе теплоноситель поступает в парогенератор, где отдает свою теплоту рабочему телу и при помощи главного циркуляционного насоса возвращается в реактор. Полученный в парогенераторе пар подается в турбину, совершает в ней работу, конденсируется, конденсат питательным насосом подается в парогенератор. Наличие парогенератора хотя и усложняет установку и уменьшает ее экономичность, но препятствует появлению радиоактивности во втором контуре.
Втрехконтурной схеме (рисунок 4.2.3 в) в качестве теплоносителей первого и второго контура служат жидкие металлы, например, натрий. Радиоактивный натрий первого контура из реактора направляется в теплообменник, где отдает теплоту натрию промежуточного контура, циркуляционным насосом возвращается в реактор. Давление натрия в промежуточном контуре выше, чем в первом, для исключения утечек радиоактивного натрия. Натрий промежуточного контура отдает теплоту в парогенераторе рабочему телу (воде) третьего контура. Образующийся в парогенераторе пар поступает в турбину, совершает работу, конденсируется и питательным насосом подается в парогенератор.
Газотурбинные установки (ГТУ). Газотурбинные установки (рисунок 4.2.4) достаточно компактны, маневренны, используются в теплоэнергетике как пиковые и резервные установки. Воздушный компрессор сжимает воздух без подвода теплоты, повышая его давление и температуру, и подает его в камеру сгорания, в которую топливный насос дозированно впрыскивает горючее. В камере сго-
222
рания осуществляется подвод теплоты при постоянном давлении (сжигание топлива), температура при этом растет.
Рисунок 4.2.4 – Упрощенная схема газотурбинной установки ГТУ: 1 - воздушный компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - газовая
турбина; 4 - топливный насос; 5 – электрогенератор.
Образующиеся продукты сгорания топлива подаются в газовую турбину. В газовой турбине продукты сгорания расширяются и совершают техническую работу. Далее продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Значительная часть технической работы газовой турбины расходуется на привод компрессора, расположенного на том же валу. Остальная часть технической работы (полезная работа) идет на выработку электроэнергии в электрогенераторе. Термический КПД цикла ГТУ составляет 36-38%.
Парогазовые установки (ПГТУ). В газовом цикле ГТУ температура газов перед турбиной составляет 800-900°С, а после турбины примерно 350°С, а в цикле паросиловой установки температура перегретого пара перед турбиной 540-565°С. Для повышения эффективности предлагается комбинированный цикл, в котором работают два рабочих тела (бинарный цикл): газ – в верхней части цикла, пар
– в нижней. Такой цикл называется циклом парогазовой установки (рисунок 4.2.5). Термический КПД таких установок свыше 60 %.
223
Рисунок 4.2.5 – Упрощенная схема парогазовой установки ПГТУ: 1 - воздушный компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - газовая турбина; 4 - топливный насос; 5 - электрогенератор; 6 - подогрева-
тель; 7 - котел; 8 - паровая турбина; 9 - конденсатор; 10 - питательный насос
Когенерация (комбинированная генерация электроэнергии и тепла) – процесс совместной выработки электрической и тепловой энергии. Суть когенерации в увеличении доли использования энергии топлива, применяемого в установке, снижении потерь. Вырабатываемое при производстве электрической энергии тепло не выбрасывается в атмосферу, а направляется на снабжение потребителей тепловой энергией. Дальнейшим развитием когенерации является тригенерация, в которой тепло также используется для создания холода, например для использования в системах кондиционирования воздуха.
Потребление электрической энергии неравномерно по времени и сезонам года. Для облегчения прохождения пиков электрической нагрузки можно использовать выравнивание графиков нагруз-
224
ки, под которым понимают активное воздействие на режим потребления, приводящее к уменьшению максимумов нагрузки. Для достижения этих целей служат увеличение сменности работы предприятий, введение поощрительных ночных тарифов на электроэнергию, наличие потребителей-регуляторов, часы, работы которых определяет энергосистема.
Транспортирование и потребление тепловой и электрической энергии. Тепловые сети. Электрические сети. Тепловая и электрическая изоляция. Потери энергии при передаче
Тепловая сеть – совокупность устройств, предназначенных для передачи тепловой энергии, теплоносителя от источников тепловой энергии до теплопотребляющих установок.
Теплоноситель – среда, которая передает теплоту от источника теплоты к нагревательным приборам систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.
По роду теплоносителя системы теплоснабжения бывают водяные, паровые и с другим теплоносителем.
По способу присоединения системы горячего водоснабжения
ксистеме теплоснабжения:
–открытая – вода на горячее водоснабжение забирается непосредственно из тепловой сети.
–закрытая – вода на горячее водоснабжение забирается из водопровода и нагревается в теплообменнике сетевой водой.
Основными элементами тепловых сетей являются трубопровод, состоящий из стальных или пластиковых труб, соединенных между собой с помощью сварки; опоры – несущая конструкция, воспринимающая вес трубопровода и теплоносителя; изоляционная конструкция, предназначенная для защиты трубопровода от наружной коррозии и тепловых потерь.
Тепловая изоляция трубопроводов позволяет снизить потери теплоты при транспортировке теплоносителя. Потери теплоты снижаются при надземной прокладке в 10-15 раз, а при подземной – в 3-5 раз по сравнению с неизолированными трубопроводами.
В настоящее время широкое распространение получили пред- варительно-изолированные трубы (ПИ-трубы). Преимущества использования ПИ-труб:
225
–изготавливаются в условиях производства, что обеспечивает высокое качество изоляции, точность размеров, производительность труда и снижает стоимость;
–к трубам изготавливаются на производстве угловые фитинги, переходники и т. д., что упрощает монтаж;
–могут монтироваться прямо в траншею, нет необходимости использования каналов, что снижает стоимость и увеличивает производительность монтажных работ.
Динамика конечного потребления тепловой энергии представлена на рисунке 4.2.6.
Рисунок 4.2.6 – Динамика конечного потребления тепловой энергии, млн. Гкал
По состоянию на 2022 год технологический расход тепловой энергии на транспорт в тепловых сетях составил 7,36%.
Электрическая сеть – это совокупность электроустановок для распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, воздушных и кабельных линий электропередачи. По электрической сети осуществляется распределение электроэнергии от электростанций к потребителям.
Линия электропередачи (воздушная или кабельная) — электроустановка, предназначенная для передачи электроэнергии.
Электрическая подстанция — это электроустановка, предназначенная для преобразования и распределения электрической энергии. Электрические подстанции применяются для преобразования электроэнергии одного напряжения в электроэнергию другого
226
напряжения.
Классификация электрических сетей может осуществляться по роду тока, номинальному напряжению, выполняемым функциям, характеру потребителя, конфигурации схемы сети и т. д.
По роду тока различаются сети переменного и постоянного тока. По напряжению: сверхвысокого напряжения, высокого и низкого. По характеру потребителя распределительные сети подразделяются на сети: промышленного, городского и сельскохозяйственного назначения.
Потери электроэнергии в электрических сетях – важнейший показатель экономичности их работы, наглядный индикатор состояния системы учета электроэнергии, эффективности деятельности энергоснабжающих организаций.
Для уменьшения тепловых потерь необходимо уменьшить сопротивление проводов или силу тока в них. Уменьшение сопротивления возможно при увеличении площади поперечного сечения провода, однако это утяжеляет провод и увеличит затраты на материалы для его изготовления. При передаче электрической энергии на большие расстояния используют высокие и сверхвысокие напряжения.
Динамика конечного потребления электрической энергии представлена на рисунке 4.2.7.
Рисунок 4.2.7 – Динамика конечного потребления электрической энергии, млн. кВт·ч
По состоянию на 2022 год технологический расход тепловой энергии на транспорт в тепловых сетях составил 8,03%.
227