9 Анализ процессов производства электроэнергии

9.1 Основные процессы производства энергии

Большую часть доступной энергии в виде работы получают из химической энергии веществ косвенным путем, согласно следующим двум схемам:

1. химическая энергия à теплота à электрическая энергия à механическая работа (например, паровая турбина),

или

2. химическая энергия à теплота à механическая работа (например, двигатель внутреннего сгорания).

Работа энергетической машины характеризуется мощностью. Мощность определяется как скорость, с которой эта работа совершается. Если в качестве потребителя энергии выступает процесс измельчения, для осуществления которого требуется определенная мощность, то, на первый взгляд наиболее выгодным для ее выработки будет непосредственное преобразование энергии в механическую работу, например, с помощью ветра, как в ветряных мельницах. Однако оказывается, что преобразование энергии (ветра) не в механическую работу, в электрическую энергию предпочтительнее, так как работа практически любого оборудования (в том числе и мельниц) зависит от электричества как источника энергии (что и осуществляется помощью ветряных электрогенераторов).

В настоящее время электроэнергия производится с помощью паросиловых установок, газовых турбин, ядерных реакторов, гидрогенераторов, энергии ветра, энергии солнца и геотермальной энергии.

Паросиловая установка

В паросиловой (или парогенераторной) установке производство пара осуществляется за счет сжигания топлива, которое вырабатывает необходимую теплоту. Вода подается в бойлер, где за счет теплоты сгорания топлива она превращается в пар, который перегревается и направляется в турбину. Использование не перегретого пара не допустимо, поскольку его воздействие может повредить лопатки турбины, так как конденсация пара неизбежно приводит к образованию капель воды, а, следовательно, коррозии оборудования и скорого выхода его из строя. Пройдя турбину, пар конденсируется и используется вновь. Схема паросиловой установки приведено на рисунке 29.

Паросиловые установки обычно работают в соответствии с циклом Ренкина (рис.30). Это идеальный цикл, где насос и турбина функционируют изоэнтропийно, а значит обратимо. На практике процесс происходит с производством энтропии. Какого ее значение, рассмотрим ниже.

Рисунок 29 - Схема паросиловой установки

Рисунок 30 - Т-S диаграмма идеального цикла Ренкина

Газовая турбина

Газовые турбины стали популярны в последние годы, благодаря значительному увеличению их эффективности. Они могут иметь различные конструктивные особенности, но в основе их конфигурации используется схема, по которой атмосферный воздух сначала закачивается в ротационный компрессор, где сжимается (рис.31). Затем сжатый воздух подается в камеру сгорания. Здесь он смешивается с топливом, образуя топливо–воздушную смесь, которая сгорает. Горячие газы поступают в турбину, где совершается механическая работа. Пройдя турбину, газы расширяются до атмосферного давления.

Рисунок 31 - Схема газотурбинной установки

Газовая турбина работает в соответствии с циклом Брайтона (Вrayton), как показано на рисунке 32.

Рисунок 32 - Р-V диаграмма цикла Брайтона

Сжатие воздуха уменьшает его объем и увеличивает давление. Горение протекает изобарно. Работа турбины приводит к уменьшению давления и увеличению объема рабочего тела (газа), образованного продуктами сгорания и покидающего турбину при атмосферном давлении. Поскольку существует поток вещества, входящий в систему и выходящий из нее, система не является закрытой и относится к открытым.

Газовая турбина с парогенератором (объединенный цикл)

Газообразные продукты сгорания, покидающие турбину, все еще содержат значительное количество теплоты, которое может быть использовано. В объединенной энергетической установке, состоящей из газовой турбины с парогенератором, газообразные продукты сгорания непосредственно в окружающую среду не выбрасываются, а используются в парогенераторе с возвратом (рекуперацией) теплоты, что позволяет работать отдельной паровой турбине (рис.33).

Очевидно, что пар, выходящий из паровой турбины, конденсируется и возвращается в бойлер по схеме, аналогичной схеме парогенераторного цикла (рис.29).

Рисунок 33 - Схема объединенной циклической установки, состоящей из газовой турбины с парогенератором

Ядерный реактор

На атомных электростанциях теплота производится за счет ядерного топлива и потребляется также для выработки пара. На практике распространение получили ядерный реактор с водой под давлением (реактор с внешним парогенератором или водо–водяной реактор) и реактор с кипящей водой (кипящий ядерный реактор).

В ядерном реакторе с реактор с внешним парогенератором (рис.34) вода прокачивается через реактор с помощью главного циркуляционного насоса. Это стадия замкнутого цикла, обычно считающаяся первичной. Во вторичном цикле насос циклически качает питающую воду через теплообменник, где происходит теплообмен между первичным и вторичным циклами. Вода во вторичном цикле превращается в пар и питает турбину, производящую электричество.

В реакторе с кипящей водой имеется только один контур, и в результате общая его эффективность выше, однако при этом возникают свои издержки, связанные с радиоактивностью турбины. Величина эффективности процесса оказалась равной примерно 50%, а основные потери связаны с необратимостью теплопереноса от ядерного источника к поглощающей теплоту воде.

Рисунок 34 - Схема водо–водяного ядерного реактора

Гидрогенератор. Энергия ветра. Солнечная энергия. Геотермальная энергия

Гидрогенераторы производят электричество за счет превращения потенциальной энергии воды в кинетическую энергию, когда вода падает с большой высоты, проходя турбину. Вал турбины гидрогенератора обычно расположен вертикально в противоположность горизонтальному расположению валов газовых и паровых турбин. Эффективность гидроэлектростанций по оценкам составляет около 80%, что является чрезвычайно высоким показателем. Однако при этом не следует забывать о том, что строительство гидростанций сопровождается чаще всего образованием искусственных озер и соответственно затоплением больших площадей, что негативно сказывается на экологической ситуации и не может быть учтено в анализе термодинамической эффективности процесса производства энергии .

Использование энергии ветра для производства механической работы известно испокон веков и широко используется, например, в процессах дробления (помола), о чем уже было сказано. В последние годы в связи с повышенным интересом к возобновляемым источникам энергии метод производства электричества на основе энергии ветра получил дополнительное развитие. Так, в ряде стран появились программы по широкому использованию и развитию его применения для национальных экономик. Например, в Дании более 12% электроэнергии страны уже сейчас получают с помощью энергии ветра, и это количество планируется увеличить до 50% в 2050 году.

Производство энергии с помощью солнечного излучения, к сожалению, пока не вносит значительного вклада в общее производство энергии. Однако, эта технология привлекает внимание как потенциальная альтернатива для производства энергии в будущем.

Наличие существенного потенциала геотермальной энергии доказывается такими явлениями, как вулканическая активность, гейзеры, горячие источники, грязевые кипящие озера и т.д. Веками человек использовал естественные источники тепла. Простейшим примером этого, вероятно, являются горячие ванны, применяемые в терапевтическом лечении. Большинство этих естественных источников в древности имели термальное происхождение и могут использоваться даже сегодня.

В Исландии почти все постройки снабжаются собственным отоплением из геотермальных источников. Лишь некоторые исландские дома, построенный менее 40 лет назад, имеют печи.

Возможно, определяющим шагом на пути широкого использования геотермальной энергии было производство электричества с помощью пара, образующегося естественным образом, что нашло применение в паровых двигателях в Италии в 1904 году. Почти полвека минуло прежде, чем другие страны последовали примеру Италии в области геотермального производства энергии. К их числу относятся Новая Зеландия, Соединенные Штаты (Калифорния) и другие. Производство электроэнергии с помощью геотермальных источников в настоящее время является прочно установившимся процессом.