2. Теплоэлектроцентрали

Д ля многих отраслей промышленности, таких, как автомобилестроение, химическая, нефтеперерабатывающая, металлургическая, целлюлозно-бумажная, текстильная, пищевая и др., наряду с электроэнергией требуется большое количество тепловой энергии. Для отопления жилых зданий также необходима тепловая энергия. В этих условиях естественно использовать пар, получаемый в парогенераторах на тепловых станциях, как для выработки электроэнергии, так и для теплофикации потребителей. Электростанции, выполняющие такие функции, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Для получения пара с необходимыми для потребителей параметрами на ТЭЦ используют специальные турбины с промежуточным отбором пара. В таких турбинах, после того как часть энергии пара израсходуется на приведение в движение турбины и параметры его понизятся, производится отбор некоторой доли пара для потребителей. Оставшаяся доля пара далее обычным порядком используется в турбине и затем поступает в конденсатор. Структурная схема ТЭЦ приведена на рисунке 4.5. Коммунально-бытовые потребители обычно получают тепло от сетевых подогревателей (бойлеров) СП.

Рисунок 4.5 – Структурная схема ТЭЦ

ТС - тепловая сеть; ПП - пар для потребителей: ДГ - дымовые газы; РОУ - редукционно-охладительная установка

Особенности ТЭЦ следующие:

• строятся вблизи потребителей тепла;

• обычно работают на привозном топливе;

• большую часть выработанной электроэнергии выдают потребителям ближайшего района (на генераторном или повышенном напряжении);

• работают по частично вынужденному графику выработки электроэнергии (т.е. график зависит от теплового потребления):

• низкоманевренны (так же, как и КЭС);

• имеют относительно высокий суммарный КПД (до 50-70%).

На ТЭЦ энергия топлива используется сначала для производства электроэнергии, а затем менее ценная теплота применяется для нужд теплофикации. Показателем тепловой экономичности для ТЭЦ служит КПД по выработке электроэнергии η^э_с и теплоты η^т_с:

(4.7)

где Q_от - количество теплоты, отпущенной потребителю, кДж; B_э и В_т - соответственно расход топлива на производство электроэнергии и теплоты, кг. На рисунке 4.6 приведен тепловой баланс ТЭЦ. (ОТТ - отбор тепла на теплофикацию).

Рисунок 4.6 – Тепловой баланс ТЭЦ

Удельный расход условного топлива на выработку 1 кВт·ч электроэнергии в^э_у определяется:

(4.8)

Средний расход условного топлива на ТЭЦ составляет 265 г/(кВт·ч), что на 35% ниже, чем в среднем по КЭС.

Удельный расход условного топлива на выработку единицы теплоты для внешнего потребителя, кг/МДж, равен:

(4.9)

Мощность современных ТЭЦ достигает 1000 МВт, на них устанавливаются энергоблоки мощностью 60, 100, 135 и 250 МВт.

3. Атомные электростанции

В России доля электроэнергии, вырабатываемой АЭС, составляет 10% . Для сравнения: Франция 75%, Бельгия 61%, Республика Корея 54%, Германия 32%, США 18%.

В настоящее время в РФ действуют 11 АЭС: Обнинская (5 МВт) (построена первая в мире), Кольская (1760 МВт), Петербургская (4000 МВт), Тверская, Смоленская, Курская (4000 МВт), Нововоронежская (2455 МВт), Балаковская, Димитровградская, Белоярская (900 МВт), Билибинская.

Основной элемент АЭС - ядерный реактор - состоит из активной зоны, отражателя, системы охлаждения, системы управления, регулирования и контроля, корпуса и биологической защиты. В рабочие каналы активной зоны помещают ядерное топливо в виде урановых или плутониевых стержней, покрытых герметичной металлической оболочкой. В этих стержнях и происходит ядерная реакция, сопровождаемая выделением большого количества тепла. Поэтому стержни с ядерным топливом называют тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). Количество ТВЭЛ в активной зоне может доходить до нескольких тысяч. В активную зону помещают замедлитель нейтронов, через нее также проходит теплоноситель, под которым понимают вещество, служащее для отвода тепла. В качестве теплоносителя используется обычная вода, тяжелая вода, водяной пар, жидкие металлы, некоторые инертные газы (углекислый газ, гелий). Теплоноситель с помощью принудительной циркуляции омывает в рабочих каналах поверхности ТВЭЛ, нагревается и уносит с собой тепло для дальнейшего использования. Активная зона окружена отражателем, который возвращает в нее вылетающие нейтроны. Управление реактором производится с помощью специальных стержней, поглощающих нейтроны. Стержни вводятся в активную иону и изменяют поток нейтронов, а следовательно, и интенсивность ядерной реакции.

Тепло, выделяющееся в реакторе, может передаваться рабочему телу тепловой турбины по одноконтурной (рисунок 4.7.а), двухконтурной (рисунок 4.7.б) и трехконтурной (рисунок 4.7,в) схемам. Каждый контур представляет собой замкнутую систему. Многоконтурная схема обеспечивает радиационную безопасность и создает удобства для обслуживания оборудования Выбор числа контуров определяется в зависимости от типа реактора и свойств теплоносителя, характеризующих его пригодность для использования в качестве рабочего тела в турбине.

Рисунок 4.7 – Структурная схема АЭС

Одноконтурная схема наиболее проста и экономична. Образующийся в реакторе Р пар поступает в турбину Т. Однако этот пар радиоактивен. Поэтому, кроме реакторного отделения, часть оборудования машинного отделения должна иметь биологическую защиту БЗ. По такой схеме работают Петербургская, Курская, Чернобыльская и другие АЭС с канальными реакторами.

В двухконтурной схеме в основном используют более надежные водо-водяные реакторы (ВВЭР). В данном реакторе активная зона помещается внутри толстостенного стального корпуса, заполненного обычной водой, которая выполняет как роль замедлителя, так и теплоносителя. Для предотвращения закипания воды она находится под давлением, на которое и рассчитана прочность корпуса реактора. Разработаны две модификации таких реакторов: ВВЭР-440 на мощность 440 МВт и ВВЭР-1000 на мощность 1000 МВт. Такие реакторы в РФ успешно работают на Нововоронежской АЭС. В двухконтурной схеме отвод тепла от реактора Р осуществляется теплоносителем, который передает это тепло рабочему телу в парогенераторе ПГ. Отдельный первый контур позволяет свести к минимуму количество аппаратов и коммуникаций с радиоактивной средой. Второй контур не радиоактивный, что упрощает эксплуатацию АЭС. Однако КПД двухконтурных станций меньше, чем одноконтурных ввиду потерь в ПГ.

Трехконтурные схемы применяются, когда в качестве теплоносителя используются активные металлы, например, натрий. Жидкий натрий бурно реагирует с водой и водяным паром. В данной схеме теплообмен между контурами осуществляется в промежуточном теплообменнике ПТ и в парогенераторе ПГ. Регенеративные теплообменники РТ служат для подогрева питательной воды.

АЭС с реакторами на тепловых нейтронах, несомненно, еще достаточно долго будут доминировать в ядерной энергетике. Вместе с тем, эти реакторы в долгосрочной перспективе могут рассматриваться как источники энергии только с осуществлением в широком промышленном масштабе расширенного воспроизводства ядерного топлива. В связи с этим в настоящее время в РФ активно ведутся работы по разработке АЭС нового поколения, которые должны соответствовать мировому уровню и обладать совершенными техническими и экологическими характеристиками.

Огромным преимуществом АЭС является малые объемы топлива: 1 г урана при делении дает столько же теплоты, сколько выделяется при сгорании 2 т условного топлива.

АЭС строят там, где нет достаточной энергетической базы и топливо дорогое, а потребность в электроэнергии высока.

Однако наряду с этими преимуществами АЭС имеет главный недостаток - она несет в себе постоянную и страшную угрозу окружающей среде.