Харитонов Енергетика

элементы имеют два важных отличия: 1) они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника; 2) химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т.е. топливный элемент не нуждается в перезарядке. В водородно-кислородном топливном элементе продуктом реакции является вода. Поэтому при полетах американских пилотируемых кораблей «Appolo» на Луну были использованы именно водороднокислородные ТЭ, что позволяло утилизовать образующуюся в ТЭ воду для питья, приготовления пищи, охлаждения кабины.

Первые ТЭ были созданы В. Грове в 1839 г., однако родоначальником прямого преобразования химической энергии в электрическую является немецкий физикохимик, лауреат Нобелевской премии 1909 г. В. Оствальд (1853 – 1932), который высказал в 1884 г. принципиально новую мысль – исключить сжигание топлива на электростанциях, а получать электроэнергию с помощью ТЭ, для которых не применимо ограничение цикла Карно. Но только в конце 30-х гг. ХХ в. советскими учеными П.М. Спиридоновым и О.К. Давтяном были созданы достаточно мощные ТЭ, которые возобновили интерес к ТЭ во многих странах мира. Например, в США стоятся электростанции с топливными элементами мощностью более 10 МВт со сроком службы 30 лет. Поражают сроки строительства (7 месяцев)

иплощади (30х60 м2), занимаемые электростанциями.

Всентябре 1996 г. министры энергетики США и Минатома России подписали соглашение о создании Российско-американского консорциума по топливным элементам (Russian/American Fuel Cell Consortium, RAFCO). В октябре 2000 г. министерство энергетики США (Strategic Center for Natural Gas) опубликовал протокол рос-

сийско-американского соглашения о коммерциализации производства топливных элементов. С российской стороны в разработке соглашения участвовал Газпром.

Магнитогидродинамическое (МГД) преобразование энергии

основано на возникновении электрического поля Е = [uВ] в проводнике, движущемся со скоростью u поперек магнитного поля с индукцией В. Простейший МГД-генератор состоит из канала, вдоль которого движется электропроводящая жидкость или плазма,

катушек для создания магнитного поля и электродов, предназначенных для вывода тока (рис. 3.21). То есть магнитогидродинамический генератор – такое устройство, в котором энергия электропроводящей среды, движущейся в магнитном поле, непосредственно преобразуется в электрическую энергию. При расстоянии между электродами b = 0,5 м, скорости течения плазмы 300 м/с в магнитном поле 1 Тесла величина ЭДС достигает V = buB = 150 В. Если с помощью присадок обеспечить электропроводность плазмы около σ = 10 1/(Ом·м), то с единицы объема МГД-канала можно снимать электрическую мощность W = 0,25 σu2B2 = 225 кВт/м3.

Основоположником МГД-преобразования энергии считается английский физик М. Фарадей (1791 – 1867). Однако только в 50-х гг. ХХ в. были найдены экономичные способы повышения электропроводности газов, нагретых до 2000 оС и выше добавлением в них паров металлов с малым потенциалом ионизации. Первая мощная МГД-установка У-25 на природном газе мощностью 25 МВт была построена в СССР в 1971 г. Попытки использовать МГД-генераторы на продуктах сгорания топлива ТЭС в качестве высокотемпературной надстройки к ТЭС пока не дали экономически приемлемых результатов.

Упражнения и задачи к главе 3

3.1.Определите КПД цикла Карно при максимальной температуре рабочего тела 527 оС и минимальной 37 оС. Ответ: 61 %.

3.2.Какой из двух альтернативных путей – уменьшение нижней температуры цикла Карно на Т или увеличение верхней температуры на ту же величину Т – является более эффективным для увеличения КПД цикла Карно? Оцените эффект для предыдущего слу-

чая при Т = 10 оС.

Ответ. КПД цикла Карно при верхней температуре Т1 и нижней Т2 равен η = (Т1 – Т2)/Т1. Повышение верхней температуры или понижение нижней температуры одинаково изменяют числитель (увеличивают его на Т). Знаменатель увеличивается при повышении верхней температуры и остается неизменным при понижении нижней темпе-

ратуры. Поэтому для повышения КПД цикла Карно выгоднее понижать нижнюю температуру цикла. Для примера 3.1 имеем: η = = 61,7 % при Т1 = (527 + 273) + 10 К; η = 62,5 % при Т2 = (37 + 273) –

–10 К.

3.3.Докажите, что изобарический процесс нагрева газа в координатах температура-энтропия (T, S) изображается экспонентой

где So – значение энтропии при начальной температуре То, ср – изобарная теплоемкость газа.

3.4. При расширении гелия в газовой турбине газотурбинного цикла давление гелия уменьшается в 2 раза. Полагая, что расширение газа происходит адиабатически, определите, во сколько раз снижается абсолютная температура газа в турбине (для гелия

R/cp = 0,4).

Ответ: T1/T2 = (p1/p2)R/Cp = 20,4 ≈ 1,3.

3.5. Паротурбинная установка имеет КПД = 38 % и электрическую мощность W = 1000 МВт. Какой расход охлаждающей воды G кг/с нужно обеспечить, чтобы разница ее температур Т до и после конденсатора составляла менее 8 оС?

Ответ. В конденсаторе отдается охлаждающей воде тепло Q2 = = W·(1 – η)/ η = 1632 МВт. Из уравнения материально теплового баланса находим расход G = Q2/cp T = 48 560 кг/с. Здесь теплоемкость воды при комнатной температуре ср = 4,2 кДж/кг·К.

3.6. На рис. 3.14 приведена TS-диаграмма цикла Рэнкина с перегревом пара (без регенерации тепла). Оцените КПД этого цикла, используя термодинамические таблицы воды и водяного пара [3.12, 3.13] при давлении перегретого пара перед турбиной р4 = 16,7 МПа и температурой Т4 = 550 оС, а после турбины (на входе в конденса-

= 1945 кДж/кг при давлении 3,9 кПа и температуре 28 оС. Энтальпия воды на линии насыщения при этом давлении составляет i6 = = 120 кДж/кг, а энтропия S6 = 0,42 кДж/кг·К. При этом значении энтропии на выходе из насоса (при давлении 16,7 МПа и температуре 29 оС) энальпия воды равна i1 = 137 кДж/кг.

Таким образом, полезная работа в турбине i4 – i5 = 1493 кДж/кг, затраты работы в насосе i1 – i6 = 17 кДж/кг, затраты тепла на подогрев и испарение воды и перегрев пара Q1 = i4 – i1 = 3301 кДж/кг. В итоге термический КПД цикла Рэнкина η = (1493 – 17)/3301 = = 44,7 %. КПД цикла Карно в том же диапазоне температур (550 и 28 оС) составляет 63 %.

Список литературы к главе 3

3.1. Кокорев Л.С., Харитонов В.В. Прямое преобразование энергии и термоядерные энергетические установки. – М.: Атомиздат, 1980. – 216 с.

3.2.Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. – М.: Энергия, 1968. – 472 с.

3.3.Новиков И.И. Термодинамика. – М.: Машиностроение, 1984.

3.4.Базаров И.П. Термодинамика. – М.: Физматлит, 1961. – 292 с.

3.5.Морс Ф. Теплофизика: Пер. с англ. – М.: Наука, 1968. – 416 с.

3.6.Михеева М.А., Михеев И.М. Основы теплопередачи. – М.:

Энергия, 1973. – 320 с.

3.7.Галин Н.М., Кириллов П.Л. Тепломассообмен (в ядерной энергетике). – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 376 с.

3.8.Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках / Под ред. Б.С. Петухова. – М.:

Атомиздат, 1974. – 408 с.

3.9.Маргулова Т.Х. Атомные электрические станции: Учеб. для вузов. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: ИздАТ, 1994. – 296 с.

3.10.Основы современной энергетики: курс лекций для менеджеров энергетических компаний. В двух частях / Под общ. ред. чл.-корр. РАН Е.В. Аметистова. – Ч. 1. Трухний А.Д., Макаров А.А., Клименко В.В. Современная теплоэнергетика. – М.: Изд-во МЭИ, 2002. – 368 с.

3.11. Дэвинс Д. Энергия: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 360 с.

3.12.Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 296 с.

3.13.Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. – М.: Наука, 1972.

Глава 4

ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ НА РАССТОЯНИЕ

4.1. Варианты передачи энергии

Обычно (в силу географических и геологических условий) энергия производится не там, где потребляется. Поэтому возникает комплексная проблема выбора способа передачи энергии на расстояние в виде топлива (уголь, нефть, газ, уран и т.д.) или конечных энергоносителей (электричество, тепло). Энергия может передаваться либо непрерывно, например, по трубопроводам или линиям электропередачи, либо дискретно, например, при перевозке нефти танкерами или угля железнодорожными вагонами.

Существует несколько критериев, которые учитывают при выборе системы передачи энергии:

•удельная стоимость доставляемой энергии (руб./Дж),

•географические условия,

•желаемая пропускная способность,

•технические характеристики,

•влияние на окружающую среду,

•общественное мнение и др.

Некоторым из приведенных критериев трудно дать высокоточную количественную оценку. Например, оценить ущерб в связи с отчуждением земли под линии электропередачи, трубопроводы,

шоссейные и железные дороги. Так, полоса отчуждения земли на 1 км традиционной воздушной линии электропередачи составляет около 3 га, а для линий сверхвысокого напряжения (500 кВ и выше) площадь отчуждения в два-три раза больше.

По некоторым данным сильные электрические поля у линий сверхвысокого напряжения оказывают вредное биологическое влияние. При разливе нефти из танкеров образование нефтяных пятен на больших площадях океанской поверхности оказывает трудно прогнозируемое неблагоприятное воздействие на мировой энергобаланс в целом.

Примерно 40 % всех грузовых перевозок по железным дорогам в России приходится на перевозки топлива с доставкой его на тысячи километров при острейшем дефиците вагонов, из-за которого даже урожай не всегда удается вывезти вовремя.

Тем не менее преимущества от роста энергопотребления стимулируют исследования по совершенствованию методов транспорта энергии. Ниже приводятся некоторые примеры взаимосвязей физи- ко-технических и экономических параметров транспорта энергии разными способами.

4.2. Линии электропередачи

Электрические сети и системы. Весь цивилизованный мир опутан плотной сетью линий электропередачи (ЛЭП). Только в России протяженность ЛЭП превышает 2,5 млн км. В 1991 г. электроэнергетики всего мира отметили столетие начала эры передачи электроэнергии на дальние расстояния [4.1]. Оно было положено созданием в Германии воздушной линии трехфазного переменного тока 28,3 кВ от ГЭС Лауфен до г. Франкфурт-на-Майне протяженностью 170 км. В том же году в Лондоне была сооружена первая силовая однофазная кабельная линия на 10 кВ длиной 12 км, рассчитанная на передачу мощности 3,2 МВт.

Таким образом, практически одновременно возникли два направления в развитии техники передачи больших количеств электроэнергии на расстояние: 1) линии открытого типа (воздушные) и 2) линии закрытого типа (кабельные). Наибольшее распространение в мире получили воздушные линии трехфазного переменного тока.

Сети ЛЭП являются частью региональных и глобальных электроэнергетических систем.

Электроэнергетические системы. Современное электроснаб-

жение промышленных, коммунальных, сельскохозяйственных и иных потребителей электроэнергии производится от тепловых, атомных и гидравлических электростанций (ТЭС, АЭС, ГЭС), вырабатывающих электроэнергию. Все электростанции обязаны вырабатывать ток стандартной частоты – 50 периодов в секунду (50 Гц). В США, Японии и некоторых других странах принята частота 60 Гц. Электростанции при помощи линий электропередачи связывают друг с другом для параллельной работы на общую нагрузку. Такая совокупность электростанций, подстанций (понижающих и повышающих напряжение, изменяющих ток в сети) и приемников электроэнергии, связанных между собой линиями электропередачи и объединенных общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии, называется электроэнергетической системой [4.1] – [4.4].

Первая и важнейшая особенность электроэнергетической системы заключается в том, что производство и потребление электроэнергии осуществляются практически одновременно, т.е. электроэнергия нигде не аккумулируется. В любой момент времени «объем» производства электроэнергии равен «объему» потребления, включая потери. Эта особенность требует непрерывного учета и регулирования потребления и производства электроэнергии для обеспечения заданного режима электроснабжения по частоте и напряжению.

Вторая особенность – быстрота протекания переходных процессов (тысячные доли секунды) при включении и выключении нагрузки. Эта особенность требует применения специальных быстродействующих автоматических устройств.

Третья особенность заключается в тесной взаимосвязи электроэнергетической системы со всеми отраслями народного хозяйства, где сосредоточена гигантская совокупность разнообразных приемников электрической энергии, требующая высокой надежности энергосистемы и резервирования мощности во всех ее элементах.

В силу перечисленных особенностей электроэнергетических систем экономически выгодно их объединение в единую систему (например, крупного региона, страны или ряда стран). Наиболее существенные преимущества объединенной энергосистемы связа-

ны с уменьшением суммарного резерва мощности и суммарных пиковых нагрузок (сезонных, суточных и иных).

Электрическая сеть как часть электроэнергетической системы обеспечивает преобразование, передачу и распределение электроэнергии и состоит из подстанций и ЛЭП. Подстанцией называют электроустановку, служащую для преобразования тока и напряжения (повышения или понижения). Подстанции оборудуются силовыми трансформаторами, распределительными устройствами, устройствами управления и другим оборудованием.

Все виды оборудования для электроэнергетической системы выпускаются для работы под строго определенным напряжением. Эти напряжения называются номинальными, и их значения устанавливаются Государственным стандартом [4.1]. В настоящее время для электрических сетей России стандартизованы 4 напряжения менее 1 кВ (40, 220, 380 и 660 В) и 12 напряжений более 1 кВ (3, 6,

10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ).

Подстанции и ЛЭП со сверхвысоким напряжением 500 – 1150 кВ служат для передачи электроэнергии большой мощности от крупных электростанций на дальние расстояния и формируют

системообразующие сети.

Подстанции и ЛЭП напряжением 220 – 110 кВ образуют пи- тающую сеть энергосистемы и служат для связи между отдельными энергосистемами, для электроснабжения крупных промышленных районов, электрификации железнодорожного и трубопроводного транспорта (110 кВ). Соответствующие ЛЭП называют пере- дающими линиями. В последние годы наблюдается тенденция увеличения диапазона напряжений передающих линий до 500 кВ.

Подстанции и ЛЭП напряжением 35 кВ и ниже используются для электроснабжения небольших предприятий и отдельных потребителей и образуют распределительную сеть. В настоящее время по мере развития сетей сверхвысокого напряжения и увеличения числа крупных потребителей электроэнергии граница диапазона напряжений распределительных сетей сдвигается в сторону более высоких напряжений вплоть до 110 – 220 и даже 330 кВ.

Качество электрической энергии. Качество электроэнергии в основном определяют два ее главных параметра – частота и напряжение. Если частота тока (50 Гц в России) имеет общесистемное значение и требует особого внимания, то напряжение в большей

степени носит локальный характер. В реальных условиях работы электрической сети эти параметры могут изменяться вследствие непрерывного изменения нагрузки потребителей, плановых и аварийных включений и отключений отдельных приемников электроэнергии, элементов сети и генераторов электростанций. Отклонения параметров режима питающей сети от номинальных значений снижают экономичность работы предприятий за счет уменьшения производительности технологических установок, сокращения сроков службы электрических машин и могут наносить прямой материальный ущерб за счет нарушения технологических процессов и брака продукции.

Так, снижение частоты тока приводит к снижению частоты (скорости) вращения электродвигателей и снижению производительности вращаемых ими механизмов. Отклонения напряжения влияют на потери электроэнергии и мощности. Эти потери пропорциональны квадрату напряжения (см. далее). Так, лампы накаливания при падении напряжения на 10 % снижают световой поток на 40 %, а при скачке напряжения на 10 % – увеличивают световой поток на те же 40 % при сокращении срока службы ламп в 4 раза. Кроме того, обнаружено вредное воздействие колебаний (мерцаний) светового потока, вызванного колебаниями напряжения (фли- кером), на зрение человека. Наибольшее раздражающее действие фликера наступает при изменениях напряжения всего на 0,29 % с частотой 8,8 Гц [4.1]. У большинства потребителей электроэнергии допускаются отклонения напряжения от номинального не более чем на ± 5 %.

Абсолютное равенство частот переменного тока в сетях от сотен одновременно работающих генераторов электростанций обеспечивается специальным типом этих электрических машин, называемых синхронными генераторами, т.е. работающими одновременно в ритме единого времени со строго определенными частотами вращения своих подвижных частей (роторов). Синхронные генераторы предназначены для преобразования механической энергии паровой, газовой или гидравлической турбин, вращающих роторы синхронных генераторов, в электрическую энергию. Синхронные генераторы, вращаемые паровыми и газовыми турбинами, называются турбогенераторами, а вращаемые гидравлическими турбинами – гидрогенераторами. Роторы турбогенераторов имеют длину до 8 м и

диаметр до 1,25 м. Роторы гидроагрегатов достигают в диаметре 15 – 20 м при длине до 5 м. Турбо- и гидрогенераторы снабжены специальными автоматическими регуляторами частоты вращения роторов для обеспечения заданной частоты тока и напряжения.

Регулирование напряжения в пределах требуемого качества электроэнергии осуществляют в узловых точках энергосистемы. Например, на подстанциях автоматическое регулирование напряжения осуществляется с помощью синхронных компенсаторов или трансформаторов путем изменения их коэффициента трансформации.

В соответствие с Гражданским кодексом Российской Федерации забота о качестве электроэнергии возложена на электроснабжающую организацию. Потребитель должен применять исправное оборудование и приборы с нормированным уровнем вносимых помех в энергосистему.

Влияние напряжения на потери энергии в линиях электропе-

редачи. Для передачи электрической энергии по проводам необходимо сначала ответить на ряд вопросов: 1) какое выбрать напряжение, 2) какой использовать ток – постоянный или переменный, 3) какие выбрать сечение и материал проводов, 4) как уменьшить потери энергии при передаче? Передающая линия состоит, по крайней мере, из двух проводов, имеющих суммарное сопротивление R и индуктивность L (рис. 4.1). В конце линии подсоединены потребители, которые представлены сопротивлением RН и индуктивностью LН нагрузки [4.5]. Рассмотрим вначале простейший случай ЛЭП постоянного тока. При постоянном напряжении U источника (разности потенциалов на входе ЛЭП) ток в проводах ЛЭП в силу закона Ома для замкнутой цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален суммарному сопротивлению цепи:

R + RH

Здесь напряжение измеряется в вольтах (В), ток – в амперах (А), сопротивление – в омах (Ом).

Сопротивление проводов ЛЭП прямо пропорционально их длине l (м) и обратно пропорционально площади их поперечного сечения S (м2) и электропроводности материала проводов σ (1/Ом·м):