Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы проектирования электростанций. Учебное пособие
.pdf
чие в электростанциях заключается в том, что двухконтурные АЭС имеют
не один, а несколько контуров. В первом контуре происходит охлаждение
ядерного топлива, а второй контур, нагреваемый первым, использует энергию пара для вращения турбины.
1.2. История развития строительства электростанций
Под теплоэнергетикой понимается отрасль теплотехники, главной
задачей которой является преобразование внутренней энергии топлива в
механическую энергию для привода механизмов либо дальнейшее преобразование механической энергии в электроэнергию.
До паровых машин для механического привода мельниц, насосов,
кузнечных мехов, молотов применялись водяные колеса, конный привод,
людская тяга. Первоначально
рабочим ходом было только движение поршня под действием атмосферы,
в рабочем цилиндре при этом создавался паровой вакуум. В дальнейшем
была освоена работа цилиндров под избыточным давлением пара.
Развитие электростанций неразрывно связано с развитием электрических приборов (электродуга Петрова, лампа Лодыгина, свеча Яблочкова,
дуговая сварка и
и улиц. В России электрификация началась с Петербурга: Литейный мост
(1879), Невский проспект (1883), электрический дворец Эрмитажа (1886),
Царское село (1890) и т.д. В 1905 г. пущена Карельская ГЭС.
Большой вклад в создание тепловых двигателей внесли изобретатель
парового котла Д. Папен (1647-1714), изобретатель пароатмосферных машин для откачки воды
ровой машины Д. Уатт (1736-1819), изобретатель парового двигателя
И. И. Ползунов, изобретатели электрических машин-двигателей Н. Тесла
(1865-1966) и Т. Эдисон (1847-1919) и др.
В России первая действующая паровая машина для привода мехов
металлургических печей Колывановских заводов была создана Ползуновым Иваном Ивановичем в 1766 г. Она была
из двух цилиндров, работающих попеременно, ее мощность оценивается в
20 кВт.
При строительстве Санкт-Петербургского политехнического института в 1902 г. использовалась временная электростанция, расположенная
между будущим Механическим корпусом и вторым корпусом института.
Для электроснабжения работающего института в Механическом корпусе в
этом же году уже действовала стационарная электростанция. Обе
станции использовали паровые машины. В дальнейшем паровую машину
на стационарной электростанции заменили на паровую конденсационную
турбину.
др.). Постепенно начинается освещение городских зданий
из шахт Т. Ньюкомен (1633-1729), изобретатель па-
паровые машины были атмосферного типа,
атмосферного типа, состояла
электро-
11
После освоения электрогенерирующих устройств паровые двигатели
разных типов начинают использовать для выработки электроэнергии вначале на постоянном токе, затем на переменном однофазном, двухфазном и
трехфазном токах.
Многоступенчатое расширение пара в цилиндрах паровых машин и
применение отбора пара в паровых турбинах с выхлопа турбины и из промежуточных ступеней позволили создать
тепловой и электрической энергий.
Самая первая районная ТЭЦ в мире появилась в Гамбурге в 1895 г.,
где фирма «Шукерт и К» с помощью теплотрассы длиной 330 м обеспечила отопление Новой городской ратуши, строительство которой закончилось в 1897 г. Источником тепловой энергии был отработанный пар трех
паровых машин единичной
лением 6,5 атм. Паровые машины находились в составе Центральной городской ТЭС, расположенной на ул. Постштрассе в здании старой водяной
мельницы и введенной в работу в 1888 г.
В России совместная выработка электроэнергии и теплоты осуществилась в 1903 г. в проекте энергоснабжения 13 корпусов Петербургской
городской детской
время им. К. А. Раухфуса). В паровых котлах вырабатывался пар давлением 6 атм, отработанный пар паровых машин направлялся в пароводяные
бойлеры индивидуальных тепловых пунктов для нагрева водяного теплоносителя двухтрубных гравитационных систем отопления корпусов.
Первая районная ТЭЦ в России появилась в Ленинграде 25 ноября
1924 г.
Владимира Владимировича, при участии профессоров Аше Бориса Михайловича, Кирпичева Михаила Викторовича и инженерной реализации проекта главным инженером Ленинградской государственной электростанции
№ 3 Гинтером Леонтием Леонтьевичем была запущена в эксплуатацию
двухтрубная тепловая магистраль длиной 250 м, подводившая водяной
теплоноситель от электростанции к дому № 96 по набережной
ки. Потребителем тепла являлась система водяного отопления верхнего
6-го этажа здания.
риода. Первый из них начался в 1920 г., когда VIII Всероссийским съездом
Советов был принят план электрификации России (ГОЭЛРО). Этим планом предусматривались: опережающее развитие энергетики, сооружение
30 крупных районных станций,
централизованного энергоснабжения, рациональное размещение электростанций на территории страны. Задания плана ГОЭЛРО были выполнены
уже в 1931 г. Первый этап характеризуется строительством электростанций вблизи крупных потребителей. С 1934 г. советская энергетика не нуж-
Под руководством идеолога теплофикации профессора Дмитриева
Для истории развития энергетики характерны четыре основных пе-
больницы имени принца Ольденбургского (в настоящее
мощностью 400 кВт, работающих на паре дав-
использование местных топлив, развитие
ТЭС с одновременным отпуском
р. Фонтан-
12
далась в импортном оборудовании, так как было налажено собственное
производство. В 1939-1941 гг. были разработаны типовые проекты главных корпусов ТЭЦ 24 и 50 МВт.
За годы Великой Отечественной войны выработка электроэнергии
снизилась почти в два раза, около 60 крупных станций было разрушено.
Поэтому основными задачами второго периода развития энергетики (1940-
1950) были восстановление разрушенного энергетического
возобновление незаконченного строительства.
Для третьего этапа развития энергетики (1951-1965) характерны концентрация энергоснабжения за счет создания объединенных энергосистем,
строительство мощных ТЭС, сооружение первых атомных станций. Строительство больших электрических станций невозможно без создания разветвленной энергетической системы для сбыта генерируемой мощности. В
1951-1953 гг. было разработано семь типов главных корпусов
ствии с устанавливаемым оборудованием.
Четвертый период (с 1966 г. по настоящее время) характеризуется
переходом к качественно новому уровню развития топливноэнергетического комплекса. Внедряется блочная схема компоновки электростанций, причем мощность блоков непрерывно повышается. Пар сверхкритических параметров теперь используется не только на КЭС, но и на
ТЭЦ. Формируется единая
До 1975 г. в СССР проводился курс на повышение расхода газа и мазута на нужды энергетики. Это позволило в короткий срок и без значительных капитальных затрат укрепить энергетическую базу народного хозяйства. Позже было решено, что дальнейший рост энергетического потенциала Европейской части страны должен осуществляться за счет
тельства ГЭС и АЭС, а в восточных районах – за счет ТЭС, работающих на
дешевых углях.
Основные запасы органических топлив (угля, нефти, газа) расположены в восточной части страны, чаще всего в труднодоступных районах.
Поэтому особое значение приобретает проблема экономии топливноэнергетических ресурсов.
Дальнейшая централизация теплоснабжения за счет строительства
мощных
топлива. Однако сооружение ТЭЦ экономически целесообразно лишь при
наличии крупных централизованных потребителей теплоты. Другой путь
снижения расхода топлива – применение теплонасосных установок, которые могут использовать как естественные источники теплоты, так и вторичные энергоресурсы.
крупнейший в мире одновальный
параметры мощностью 1200 МВт для Костромской ГРЭС. С 1965 по
ТЭЦ и котельных позволит получить значительную экономию
В 1979 г. Ленинградский металлический завод изготавливает
энергосистема страны.
турбоагрегат на сверхкритические
хозяйства и
в соответ-
строи-
13
1985 гг. ежегодный ввод мощностей на электростанциях СССР составлял
10 000…12 000 МВт. В последующие годы началось снижение объемов
ввода электромощностей.
В России на конец 1995 г. действовало 55 электростанций мощностью 1000 МВт и более и 24 мощностью 2000 МВт и более, в том числе
ТЭЦ соответственно – 36 и 13, ГЭС – 13 и 6 и АЭС – 7 и 5. Мощность
крупнейшей ТЭС России –
Крупнейшие ГРЭС в России: Саяно-Шушенская – 6720 МВт, Красноярская –
6000 МВт, Братская – 4500 МВт. Крупнейшие АЭС: Ленинградская, Курская, Балаковская – по 4000 МВт каждая.
На ТЭС широко используются крупные энергоблоки мощностью
150…1200 МВт. Общее количество таких энергоблоков в конце 1995 г. составляло 251 с суммарной мощностью более 68 000 МВт.
Значительную долю ТЭС в
мощности теплофикационных турбин в конце 1995 г. была порядка 50 %
общей мощности ТЭС. Производство тепловой энергии в 1995 г. на электростанциях отрасли составило 615,8 млн Гкал и уменьшилось по сравнению с 1992 г. на 22 %.
Характерной особенностью проектирования электростанций в этот
период времени становится строительство по типовым проектам.
конца 80-х гг. в экономике России стали проявляться кризисные
С
тенденции, получившие особенно резкое выражение в начале 90-х гг., в
период перехода к рыночным отношениям. Применительно к энергетике
эти явления проявились в падении производства электроэнергии в РФ с
1082 млрд кВт·ч в 1990 г. до 860 млрд кВт·ч в 1995 г., вызванным резким
снижением объемов потребления, особенно в промышленности, и распадом единой энергетической системы СССР, являвшейся уникальным техническим достижением мирового уровня.
В настоящее время введение новых электрических мощностей осуществляется за счет модернизации имеющихся электростанций и строительства новых. Основные направления модернизации ТЭС сегодня и в
обозримом будущем:
- модернизация существующих электростанций,
ТЭЦ, путем замены устаревших малоэффективных агрегатов на ПГУ мощностью 70…450 МВт с КПД 55 %;
- модернизация конденсационных газомазутных электростанций с
крупными паротурбинными энергоблоками путем их замены на высокоэффективные ПГУ с единичной мощностью до 750 МВт и КПД до 60 %;
- строительство электростанций с ГТУ на новых площадках для регулирования мощности и
- строительство пылеугольных паросиловых электростанций на
сверхкритических и суперсверхкритических параметрах пара с энергоблоками до 800 МВт и КПД более 40 %.
Сургутской ГРЭС-2 – составляет 4800 МВт.
настоящее время составляют ТЭЦ. Доля
главным образом
покрытия пиковых нагрузок;
14
Проектируемые новые электростанции отличаются уникальными
применяемыми тепловыми схемами. Научные разработки позволяют проектировать электростанции исходя их условий эксплуатации, объемов соотношения вырабатываемой тепловой и электрической энергии. Вследствие этого типовые проекты компоновки неприменимы.
1.3. Технологическая структура тепловых электростанций
Основу производства электрической энергии раскрывают принципиальная и развернутая тепловые схемы. Принципиальная схема включает
только основное энергетическое оборудование, развернутая же включает
все оборудование пароводяного тракта, его трубопроводы со всей арматурой, переключательные магистрали, резервное оборудование и вспомогательные системы. Кроме тепловой схемы, описывающей цикл пароводяного тракта, в структуру электростанции входят: топливно-газовоздушный
тракт, система золоудаления, система технического водоснабжения, система водоподготовки и электрическая часть. Для ТЭЦ в структуру электростанции добавляется система теплофикации.
Пароводяной тракт включает:
- паровой котел, в котором поступающая вода под давлением пре-
вращается в пар и перегревается;
- турбину, преобразующую энергию пара в механическую;
- конденсатор, обеспечивающий конденсацию пара за счет теплооб-
мена с охлаждающей водой;
- эжекторы, создающие и поддерживающие вакуум в конденсаторе;
- конденсатные насосы, подающие конденсат сначала к подогревате-
лям, утилизирующим энергию пара эжекторов и уплотнений, далее на
фильтры конденсатоочистки, потом с помощью насосов второй ступени к
подогревателям низкого давления, деаэраторам, питательным насосам и
подогревателям высокого давления;
- смешивающие и поверхностные подогреватели низкого и высокого
давлений, подогревающие конденсат и повышающие эффективность установки паром;
- бустерные (предвключенные) и питательные насосы с электрическим или турбинным приводом, повышающие давление питательной воды.
Полная структура пароводяного тракта зависит от технологических
решений, принятых в тепловой схеме: наличие перегрева пара после цилиндра высокого давления турбины, схема регенеративного подогрева, количество и параметры отборов пара, наличие теплофикации, состав и вид
оборудования и т.д.
Один из путей повышения эффективности паровой части энергоблока – это организация эффективного процесса регенерации. Эффективность
15
схемы регенерации определяется от схемы включения регенеративных подогревателей, их типа, оптимальности выбранных параметров пара регенеративных отборов и их числа. Регенеративный подогрев осуществляется
паром, частично отработавшим и отводимым через регенеративные отборы. В систему регенеративного подогрева входят подогреватели, деаэратор, вспомогательные теплообменники, перекачивающие насосы.
Правила проектирования электрических станций рекомендуют
выбирать схемы с одним деаэратором и несколько поверхностных подогревателей. При проектировании электрической станции с ПГУ допускается интегрировать деаэратор в утилизационный котел [10]. Схемы включения поверхностных подогревателей в системы регенеративного подогрева представлены на рис. 1.6. Наибольшее применение получила схема со смешенным отводом дренажа, несмотря на то, что схема
с дренажным насосом у
каждого подогревателя энергетически более эффективна, но у такой схемы
более высокие затраты энергии на работу насосов.
а)
б)
в)
Рис. 1.6. Схема включения поверхностных подогревателей в систему
регенеративного подогрева: а – с дренажным насосом у каждого
подогревателя; б – с каскадным отводом дренажа; в – со смешанным
отводом дренажа; 1 – регенеративный подогреватель; 2 – подвод пара
от отбора турбины; 3 – основной конденсат; 4, 5 – дренажный
и конденсатный насосы; 6 – конденсатор
Регенеративные подогреватели низкого давления применяют смеши-
вающие и поверхностные
. Конструктивно подогреватели низкого давления
разделяют на три зоны: 1) охлаждения перегретого пара, 2) конденсации и
3) охлаждения конденсата. В подогревателях смешивающего типа отсутствуют поверхность теплообмена и недогрев (разность температуры греющего пара и нагреваемой среды на выходе), однако требуется создание
16
перепада давления между последовательно расположенными смешивающими подогревателями. Перепад давления в подогревателях обеспечивают
размещением их на разных уровнях или установкой перекачивающих
насосов после каждого подогревателя.
Деаэраторы производят очистку воды от растворенных в ней газов,
выполняют роль смешивающего подогревателя и бака запаса деаэрированной воды для обеспечения работы паровой турбины в
времени.
Давление воды на входе в котел обеспечивается с помощью бустерных и питательных насосов с электрическим или турбинным приводом.
В системе водоподготовки вода для пароводяного тракта осветляется
(осаждаются коллоидные вещества), умягчается (снижаются соли жесткости), очищается от частиц на фильтрах и деаэрируется. На современных
электростанциях восполнение воды в цикле не превышает 1 % от паропроизводительности котлов.
Особое значение на состав и
ческого водоснабжения. В конденсатор для обеспечения эффективной конденсации подается расход технической воды, в 50…60 раз превышающий
расход пара. Различают прямоточную, оборотную и комбинированную системы технического водоснабжения. При прямоточном водоснабжении вода
забирается из природного источника (река, озеро, море) и после использования возвращается в этот же
емов создают систему искусственного охлаждения с прудом-охладителем
или градирнями – оборотное водоснабжение. Воду, потерянную в системах
оборотного водоснабжения, восполняют из природных источников.
Топливное хозяйство предусматривает работу на основном и резервном или аварийном топливах. Топливное хозяйство обеспечивает разгрузку, хранение, подготовку и подачу к котлоагрегату
ва определяются по удаленности от месторождения и регулярности поставок. Если электростанция работает на угле, то мазут используют для растопки котла и поддержания факела при низких нагрузках. Если электростанция работает на газе, то мазут используется как резервное или аварийное топливо. Для газового хозяйства организуют на
газораспределительный пункт для понижения давления газа. Уголь ленточными конвейерами подают в БО, измельчают в пылеугольную смесь и
сушат подогретым воздухом или уходящими газами и доставляют к горелкам котлов. Мазут хранится в специальных резервуарах, где постоянно подогревается для достижения малой вязкости, откуда по трубопроводам доставляется
Удаление золы с территории электрической станции используют механическое, гидравлическое, пневматическое и смешанное. Наибольшее
распространение получило гидравлическое золоудаление, где зола, шлак в
к котлам.
источник. При отсутствии естественных водо-
вид оборудования имеет система техни-
течение некоторого
топлива. Запасы топли-
территории станции
17
дробленном виде смешиваются с водой, образуя пульпу, и по трубопроводу доставляются до золоотвалов. Приоритетным является внедрение пневматического золоудаления при наличии сухих золоуловителей. При пневматическом в качестве движителя используется энергия воздуха. При смешанном из топки шлак удаляется с энергией воды из золоуловителей –
воздухом. Механическое золоудаление применяется только
тельных. Зола при сухом золоудалении в дальнейшем может использоваться в различных способах переработки, например при производстве бетона,
керамики и др. При гидравлическом золоудалении отправляется на золоотвал – специально подготовленную территорию с экранированным ложем и
организацией отвода воды, которая может использоваться на электростанции для золоудаления.
Сооружение электрической
трансформаторов, распределительных устройств, щитов управления, вспомогательных устройств и воздушных линий. Ток, вырабатываемый в генераторах, поступает по токопроводам и выводам на повысительные трансформаторы или трансформаторы собственных нужд. Повышение напряжения тока требуется для сокращения металлоемкости воздушных линий и
снижения электрического сопротивления. Напряжение в
трансформаторах увеличивается в зависимости от дальности передачи от
генераторного 6…20 до 35…500 кВ. Далее ток подается на распределительные устройства и по воздушным линиям доставляется потребителю.
Часть электроэнергии расходуется на собственные нужды электростанции
(электродвигатели, электрофильтры, системы управления, освещение и др.).
Тепловые электрические централи дополнительно оснащаются закрытой системой сетевых подогревателей, где
возвращается в основной пароводяной тракт. Сетевая вода на теплофикацию сетевым насосом последовательно подается в сетевые подогреватели
и после подогрева до заданной температуры направляется в магистраль
теплотрассы. Дополнительно ТЭЦ оснащают пиковыми водогрейными
котлами, где в наиболее холодные периоды дополнительно подогревают
воду. Водогрейные котлы подбирают из расчета 50 % максимальной ото
пительной нагрузки, остальное из отборов турбин.
Мощность конденсационных энергетических установок больше теплофикационных. Производство электроэнергии на ТЭЦ является вторичным, и в случае дефицита мощности электроэнергия поставляется от КЭС.
1.4. Технологическая структура атомных электростанций
Строящиеся АЭС работают по различным схемам. Наибольшее применение нашли двухконтурные АЭС с водяным теплоносителем и одноконтурные с реактором кипящего типа. АЭС строят блочными.
части состоит из выводов генератора,
конденсат греющего пара
в малых ко-
повысительных
-
18
В контурах электростанции с ВВЭР вода является и теплоносителем,
и охладителем. В первом контуре вода под давлением подогревается до
расчетных температур в циркуляционных контурах реактора. В контурах
АЭС с ВВЭР имеется несколько петель, в каждой из которых установлены
парогенератор, главный циркуляционный насос, главные запорные задвижки и компенсатор объема. Наличие
возможность отключения из работы одной или двух петель, не выключая
реактор. Парогенераторов в каждом энергоблоке устанавливают до шести,
турбин – одна или две. Применение двух турбин на энергоблоке АЭС выгодно для повышения маневренности.
Температура при генерации насыщенного пара в генераторе не
должна достигать температуры насыщения. Поэтому даже при
ли в первом контуре поддерживается высокое давление (до 16,5 МПа),
температура воды на выходе из реактора не превышает 330 °С. На двухконтурных паротурбинных установках в парогенераторе можно генерировать только слабо перегретый пар. При работе турбины на насыщенном
паре предельно допустимая влажность на выходе из турбины достигается
уже при
применяют осушку между частями турбин высокого и низкого давлений с
помощью: сепаратора; теплообменника, обогреваемого свежим паром;
теплообменника, обогреваемого теплоносителем.
АЭС с ВВЭР, может быть герметичный и с уплотнением вала. Циркуляционные насосы с уплотнением вала наиболее распространены ввиду
высокого КПД и малого времени выбега. Основным недостатком насосов с
уплотнением является сложность уплотнения между вращающимся валом
и корпусом, требующего вспомогательные устройства высокого давления.
меньшее давление рабочего тела, отсутствует громоздкий и дорогой парогенератор, однако при одноконтурной работе турбинное отделение имеет
радиоактивное излучение, реактор кипящего типа гораздо большего размера и имеет разветвленную систему подвода и отвода теплоносителя.
блоков льда, намораживаемых на трубах холодильной установки.
станций, – это «Свод правил по проектированию тепловых электрических
станций» [10]. Свод правил 2012 г. ставил задачу отразить изменения в
проектировании и строительстве электростанций, произошедшие за по-
начальном давлении 0,3…0,4 МПа. Для уменьшения влажности
Главный циркуляционный насос, создающий давление в контурах
Атомные электрические станции с реактором кипящего типа имеют
Перспективным является применение ледовых конденсаторов в виде
1.5. Проектирование тепловых электростанций
Основной документ, регламентирующий проектирование электро-
нескольких петель обуславливает
условии ес-
более
19
следние несколько лет. Свод правил состоит из списка требований, которые необходимо соблюдать при проектировании электростанций.
Процесс создания ТЭС состоит из трех периодов: 1) проектного,
2) периода строительно-монтажных работ и 3) периода освоения проектной мощности. Их продолжительность определяет продолжительность создания электростанции.
Продолжительность предпроектных работ в продолжительность создания ТЭС не
определению места расположения электростанции, мощности всей электростанции и мощности одного энергоблока. Определение мощностей выполняют по предполагаемому графику нагрузки электростанции в период
запуска или так называемый дефицит мощности в энергосистеме. Кроме
того, выбор мощности может быть ограничен условием водо- и теплоснабжения,
окружающую среду.
Электрическая и тепловая мощности определяются требованиями заказчика, исходя из схемы развития энергосистемы и тепловой сети. Заданная мощность электростанции уточняется в обоснованиях инвестиций на
основе анализа экономической целесообразности покрытия роста тепловых
нагрузок района, дефицита электроэнергии с учетом влияния ограничивающих факторов
Студенту дается возможность корректировки заданной преподавателем
мощности, при этом в пояснительную записку необходимо добавить анализ местности строительства электростанции.
Согласно постановлению Правительства РФ от 16.02.2008 № 87 «О
составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию» проектная документация должна состоять из текстовой и графической
ских и иных решений, пояснения, ссылки на нормативные и технические
документы, используемые при подготовке проектной документации, и результаты расчетов, обосновывающие принятые решения. Графическая
часть выполняется в виде чертежей, схем, планов и других документов в
графической форме.
жать 12 разделов с отображением информации в текстовой и графической
частях:
которой принимаются дальнейшие решения: нормативные акты, документы согласования, задания на проектирование, документы инженерных
изысканий и др.).
частей. В текстовой части приводятся описание принятых техниче-
Проект строительной документации электростанции должен содер
1. Пояснительная записка (указывается информация, на основании
включается. В предпроектные работы включают работы по
режимом использования электростанции и ее влиянием на
конкретной площадки после проектирования генплана.
-
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]