4. Тепловые электростанции.

Тепловые электростанции различают:

1. по типу применяемого на станции теплового двигателя:

• паротурбинные ТЭС, являющиеся наиболее распространёнными и вырабатывающими около 80% мировой и отечественной электроэнергии;

• газотурбинные ТЭТ;

• парогазовые ТЭС;

• электростанции с двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

2. по виду отпускаемой энергии:

• конденсационные КЭС, отпускающие только электрическую энергию;

• теплоэлектроцентрали ТЭЦ, отпускающие тепловую и электрическую энергию;

3. по назначению:

• государственные районные конденсационные электростанции ГРЭС;

• промышленные ТЭС.

Для комбинированного производства тепловой и электрической энергии применяют теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), работающие на органическом топливе, с различными схемами использования паровой турбины. На рис. 1.4 приведена принципиальная тепловая схема ТЭЦ.

Рис. 1.4. Принципиальная тепловая схема ТЭЦ: 1 – питательный насос; 2 – водяной экономайзер; 3 – паровой котел; 4 – пароперегреватель; 5, 11 – паропровод; 6 – паровая турбина; 7 – электрогенератор; 8, 15 – конденсатор; 9 – обратная магистраль; 10 – регенеративный подогреватель; 12 – технологическое производство; 13, 14 – паровые подогреватели; 16 – сетевой насос; 17 – потребитель теплоты; 18 – система подготовки воды

Питательная вода после системы подготовки 18 (умягчения, деаэрации) питательным насосом 1 подается в водяной экономайзер 2, где нагревается за счет теплоты уходящих топочных газов, а затем идет в паровой котел 3, где вырабатывается сухой насыщенный пар, который затем проходит через пароперегреватель 4 и разделяется на два потока. Одна часть пара (≈ 60 %) по паропроводу 5 идет в паровую турбину 6, где энергия пара вначале переходит в механическую энергию вращения турбины, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе 7, который соединен с турбиной на одной оси. Остаточный пар из паровой турбины проходит через конденсатор 8, где охлаждается до состояния жидкости. Другая часть пара (≈ 40 %) по паропроводу 11 подводится к технологическому производству 12 и к паровым сетевым водонагревателям 13, 14.

Конденсат от технологического производства и конденсатора 15 также возвращается в обратную магистраль 9.

Работа теплосети. Обратная сетевая вода насосом 16 прокачивается через паровые сетевые подогреватели воды 14 и 13 и направляется к потребителю 17 на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

Для повышения КПД паросиловой установки используют регенеративный подогреватель 10, где производится нагрев воды (конденсата) за счет отбора пара из отдельных ступеней паровой турбины 6.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ АТЭЦ

Ядерное (расщепляющееся) топливо – вещество, способное выделить значительное количество тепловой энергии за счет торможения продуктов деления тяжелых ядер химических элементов при взаимодействии их с нейтронами. В энергетике в качестве ядерного топлива используют природный изотоп уран-235 (235U), искусственные изотопы уран-233 (233U) и плутоний-239 (239Pu). Основная руда, из которой получают уран, – урановая смолка U3O8.

Чтобы реакция деления ядер началась, нейтронам необходимо преодолеть определенный энергетический барьер, т.е. иметь энергию выше энергии активации реакции деления. В процессе деления образуются новые нейтроны, которые могут быть использованы для обеспечения самоподдерживающейся цепной реакции деления. Установлено, что ядра с нечетным числом нейтронов: уран-235, уран-233, плутоний-239, при захвате нейтрона делятся под действием медленных (тепловых) нейтронов, а ядра с четным числом нейтронов: уран-238, торий-232, делятся под действием быстрых нейтронов. Энергия теплового нейтрона составляет 0,03…0,5 эВ (1 эВ = 1,602⋅10−19 Дж), а быстрого нейтрона – 105 эВ. Однако в результате деления любого ядерного топлива (с четным и нечетным числом нейтронов) образуются преимущественно быстрые нейтроны. Чтобы снизить энергию быстрых нейтронов и тем самым обеспечить их участие в реакции деления, организуют их замедление. В качестве замедлителя используют обычную воду Н₂О, графит С, реже тяжелую воду D₂O и бериллий Ве. В результате цепной реакции деления ядер топлива кинетическая энергия быстрых нейтронов, попадающих в вещество замедлителя, трансформируется в тепловую энергию теплоносителя. Так 1кг ядерного топлива обеспечивает реализацию тепловой мощности в 2 МВт в течение года.

Ядерное топливо применяют для комбинированного производства тепловой и электрической энергии на атомных теплоэлектроцентралях (АТЭЦ) с различными контурами циркуляции. На рис. 1.5 приведена принципиальная трехконтурная тепловая схема АТЭЦ с подачей теплоты от реакторного теплоносителя в теплофикационный контур.

Контур 1. В атомном реакторе 1 образуется значительная тепловая энергия, которая позволяет нагреть теплоноситель до высоких параметров (t ≈ 450 °С). Из атомного реактора высокотемпературный теплоноситель циркуляционным насосом 2 подается в атомный парогенератор 3. Поверхность нагрева парогенератора представляет собой систему змеевиков 4 малого диаметра, внутри которых при высоком давлении течет теплоноситель. Поверхность нагрева помещена в вертикальный или горизонтальный корпус, куда питательным насосом 5 подводится другой теплоноситель – вода, которая нагревается до кипения, в результате чего в парогенераторе образуется водяной пар.

Так для парогенератора ВВЭР-1000: паропроизводительность составляет 1469 т/ч, давление насыщенного пара – 6,4 МПа, длина корпуса – 15 м, внутренний диаметр корпуса – 4 м, поверхность нагрева змеевиков – 5200 м², число трубок змеевиков – 15 648 шт., диаметр трубок змеевиков – 12 мм, средняя длина трубок – 8,9 м, скорость теплоносителя в трубках – 4,9 м/с.

Рис. 1.5. Принципиальная тепловая схема АТЭЦ: 1 – атомный реактор; 2 – циркуляционный насос; 3 – парогенератор; 4 – змеевики парогенератора; 5 – питательный насос; 6 – паровая турбина; 7 – электрогенератор; 8, 12 – конденсатор; 9 – технологическое производство; 10, 11– паровые подогреватели; 13 – сетевой насос; 14 – потребитель.

Контур 2. Из парогенератора одна часть сухого насыщенного пара по паропроводу идет в паровую турбину 6, где потенциальная энергия пара вначале переходит в механическую энергию вращения турбины, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе 7, который соединен с турбиной на одной оси. Остаточный пар из паровой турбины проходит через конденсатор 8, где охлаждается до состояния жидкости (конденсата), и идет в обратную магистраль к питательному насосу 5. Другая часть пара из парогенератора по паропроводу подводится к технологическому производству 9 и к паровым сетевым водонагревателям 10 и 11. Конденсат от технологического производства и конденсатора 12 также возвращается в обратную магистраль к питательному насосу 5, откуда вода вновь нагнетается в парогенератор 3.

Контур 3. Обратная сетевая вода насосом 13 прокачивается через паровые сетевые подогреватели воды 11 и 10 и по подающему трубопроводу направляется к потребителю 14 на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.