3.6. Магнитогидродинамические генераторы

Принцип действия магнитогидродинамического генератора (МГД – генератора) заключается в том, что при движении ионизированного газа (низкотемпературной плазмы) через сильное магнитное поле в нем индуцируется электрический ток. Низкотемпературная плазма возникает при нагревании газа до температуры 2300 – 3000 К, когда от его молекул или атомов отрываются внешние электроны, вследствие чего газ ионизируется и становится проводником электрического тока.

Электроэнергия (постоянный ток) отбирается из плазмы керамическими электродами и выдается в цепь и далее в инверторы, где преобразуется в переменный ток, поступающий в сеть. Для увеличения электропроводности газа в него дополнительно вводят легкоионизируемые вещества – щелочные металлы: калий, натрий и др.

В МГД – генераторах отсутствуют громоздкие вращающиеся части, отпадает необходимость применения турбомашин для привода генератора.

МГД – генераторы разрабатываются двух типов: открытого цикла, в которых рабочим телом являются продукты сгорания органического топлива, и закрытого цикла, в которых непрерывный поток инертных газов (аргона, водорода) нагревается в теплообменниках продуктами сгорания.

На рис.3.7 представлена схема магнитогидродинамической установки. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 1 и после предварительного нагрева в регенераторе 2 поступает в камеру сгорания 3. Туда же подается топливо и присадки. Нагретые до температуры2500 – 3000 К. продукты сгорания поступают в сопло 4, где расширяются, а затем в канал 5,где генерируют электрический ток, пересекая магнитное поле. Для создания сильного магнитного поля снаружи канала 5 размещена обмотка 6, к которой подведен переменный электрический ток от блока питания 7. В канале МГД – генератора размещены керамические электроды для отвода электроэнергии.

1 – компрессор; 2 – регенератор; 3 – камера сгорания; 4 – сопла; 5 – канал МГДГ; 6 – обмотка электромагнитов; 7 – блок питания магнитов; 8 – электроды; 9 – парогенератор; 10 – турбина; 11 – конденсатор; 12 – насос.

Рис. 3.7-Схема магнитогидродинамической установки

Отработанные газы с температурой до 2300 К. поступают в регенератор 2, где частично отдают тепло поступающему воздуху и далее направляются в парогенератор 9, где вырабатывают водяной пар. Охлажденные до температуры 150⁰ С отработанные газы выбрасываются в атмосферу. Полученный водяной пар поступает в турбину 10, затем конденсируется в конденсаторе 11 и насосом 12 вновь закачивается в парогенератор.

МГД – генератор позволяет значительно повысить начальную температуру рабочего тела, и, следовательно, КПД электростанции. МГД – генератор в комплексе с обычным турбогенератором в качестве второй ступени дает возможность повысить общий КПД такой энергетической установки до 50 – 60%.

3.7. Тепловые электростанции (тэс)

Назначение и классификации ТЭС.

Тепловая электростанция – это предприятие, назначением которого является производство электрической энергии путём преобразования в ней энергии какого-либо природного источника (органического топлива, ядерного, солнечной энергии и других) в электроэнергию. Вместе с тем существуют электростанции, на которых одновременно производятся и электроэнергия, и теплота для промышленных и коммунальных нужд.

По своему основному назначению ТЭС делится на электростанции общего пользования, которые отдают вырабатываемую электроэнергию в электросеть для распределения между потребителями, их называют государственными районными электростанциями (ГРЭС), и на промышленные и на коммунальные электростанции, предназначенные для снабжения электроэнергией и теплотой промышленных предприятий, городов, отдельных районов. Эти станции с одновременным, комбинированным производством теплоты и электроэнергии называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Эти ТЭЦ обеспечивают теплофикацию промышленных предприятий и городов.

Вместе с тем имеется ещё ряд признаков, по которым классифицируются ТЭС.

По роду первичного двигателя:

а) паротурбинные (КЭС или ТЭЦ);

б) газотурбинные;

в) дизельные.

По виду сжигаемого топлива:

а) на органическом топливе;

б) на ядерном топливе (АЭС).

По режиму нагрузки:

а) пиковые, работающие в пиковой части графика нагрузок;

б) базисные, работающие в базе графика нагрузок.

По первичным источникам энергии:

а) геотермальные, использующие внутреннюю теплоту Земли;

б) гелиоэнергетические, использующие теплоту Солнца, и др.

Паротурбинные электростанции.

Принципиальная схема теплоэлектроцентрали (рисунок 1) отличается от схемы КЭС наличием теплового потребителя.

Теплоснабжение потребителей осуществляется от ТЭЦ централизованным путем. При этом используется теплота пара, совершившего предварительно работу в турбине. Централизованное теплоснабжение, основанное на комбинированной выработке электрической энергии и теплоты, называется теплофикацией.

На рисунке 1 пар из котла направляется по паропроводу в теплофикационную турбину 2 (соединенную с генератором 3), где расширяется до давления в конденсаторе 8. Часть пара давлением 120...250 кПа отбирается для подогрева отопительной воды в сетевом подогревателе 6. Это так называемый теплофикационный отбор. Нагретая вода отпускается потребителям 4,1. Вода в тракте между подогревателем и потребителем циркулирует с помощью сетевого насоса 5. Конденсат греющего отборного пара возвращается в питательную систему котла через деаэратор 13, служащий для удаления газов из питательной воды котлов. Часть пара из другого отбора давлением 500...600 кПа подводится к потребителю пара-это производственный отбор.

Рис.3.8-Принципиальная схема теплоэлектроцентрали

Конденсат пара после турбины из конденсатора 8 подается конденсатным насосом 10 в деаэратор 13, откуда он питательным насосами 14 подается в подогреватели 16 и далее в котел.

В деаэратор 13 поступает конденсат греющего пара 15 из подогревателей 16 а также добавка химически очищенной воды 12 для восполнения потерь воды в установке. Система охлаждения конденсата 8 искусственная, с использованием градирни 9 в качестве охлаждающего устройства.

Охлажденная вода из градирни подается в конденсатор циркуляционным насосом 7. При раздельной выработке электрической энергии и теплоты на электростанции устанавливают и используют турбины конденсационного типа. Такая станция называется конденсационной электростанцией (КЭС). Эти станции наиболее распространены в стране и обладают наибольшей установленной мощностью (до 3 600000 к ВТ).

Для производства и отпуска теплоты на бытовые или производственные нужды в зависимости от конкретных условий часто сооружают центральные или местные районные котельные (РОК) рисунок 2 или осуществляют отпуск теплоты электростанцией путем установки на ней соответствующих водогрейных котлов.

1-котел; 2- потребитель горячей воды; 3- сетевой подогреватель; 4- сетевой насос; 5- потребитель пара; 6- бак питательной воды; 7- питательный насос.

Рис.3.9-Выработка теплоты в котельной.

при раздельной схеме.

На ТЭЦ находят применение в некоторых случаях турбины с ухудшенным вакуумом, в которых давление в конденсаторе повышается примерно до 0,7...0,8 МПа. При этом достигается более высокий нагрев паром воды, циркулирующей через конденсатор (до ... ). Вода эта используется для отопительно-вентиляционных, бытовых нужд и часто в парниковом хозяйстве городов.

Газотурбинные установки

Технологическая схема газотурбинной установки имеет некоторые особенности. При работе ГТУ на тяжелом жидком моторном топливе, так же как и при работе ДВС, необходима подготовка топлива к сжиганию.

Важным звеном схемы ГТУ является устройство для запуска двигателя, которое потребляет около 10% номинальной мощности. При работе газотурбинной установки в энергосистеме основной электрический генератор используется в качестве пускового двигателя до момента включения в работу камеры сгорания. Возможен запуск с помощью специальных пусковых электрических двигателей (разгонных), насаженных на вал газотурбинного агрегата.

Для изолированной газотурбинной станции также может быть использован главный генератор в качестве пускового двигателя с питанием от дизель-генераторной установки или другого источника энергии. При работе на природном газе для запуска применяют расширительную вспомогательную турбину (турбодетандер), соединенную зубчатой передачей с валом основной турбины. В турбодетандере для расширения используют перепад давления природного газа. Обычно такой метод запуска применяют на газоперекачивающих станциях, оборудованных газотурбинными установками. В этом случае отпадает необходимость в компрессоре для повышения давления газа до уровня, требуемого при подаче его в камеру сгорания. В других случаях для этой цели устанавливают вспомогательный компрессор.

На некоторых промышленных предприятиях газовая турбина включается в схему технологического процесса предприятия. Вместе с технологическими агрегатами (печами, котлами) она составляет самые разнообразные схемы использования отбросной теплоты разных источников, так называемых побочных ресурсов.

Например, многие доменные печи, исходя из условий улучшения процесса выплавки чугуна, работают с повышенным давлением газа в печи (давления на выходе 2,5..3,5 МПа). Давление в магистрали, отводящей доменный газ для использования потребителями, не превышает обычно 1,1 МПа. Таким образом, имеет место избыточное давление, которое используется в газовой утилизационной бескомпрессорной турбине для привода электрического генератора. Эта газовая турбина – расширитель (без компрессора) – устанавливается на так называемой газорасширительной электрической станции.

На рисунке 3 в качестве примера показана газовая утилизационная установка с бескомпрессорной турбиной ГУБТ- 6 (НЗЛ), использующей для расширения доменный газ давлением с 240 кПа до давления в сети 105 кПа. Турбина 2 рассчитана на пропуск газа, имеющего температуру перед турбиной. Она развивает мощность на зажимах генератора 1 (5...б) кВт. Предварительный подогрев газа после газоочистки 5 производится сначала в регенераторе 4, а затем в специальном газовом нагревателе 3, в котором для его нагрева сжигается некоторое количество доменного газа, поступающего из доменной печи 6 после газоочистки 5. Воздух в доменную печь подается воздуходувкой 7, приводимой во вращение паровой турбиной 8.

Важную роль на современных электростанциях играют автоматизация и тепловой контроль. Их назначение – повышение экономичности, предотвращение аварийности, облегчение условий труда, сокращение численности обслуживающего персонала. На крупных паротурбинных блочных электростанциях применяют счетно-решающие машины и телевидение для управления технологическими процессами по заданной, оптимальной программе работы.

Энергоблок, состоящий из котлоагрегата, паровой турбины и электрогенератора, представляет собой единый энергетический комплекс, в котором все физические процессы взаимосвязаны. Это дает возможность полностью автоматизировать работу блока, что имеет существенные преимущества.

Рис. 3.10-Газотурбинная установка, использующая для расширения избыточное давление доменного газа.