Глава II
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЯХ
§ 5. Типы электрических станций
Электрической станцией называется такое энергетическое предприятие, на котором энергия природных источников (уголь, нефть, торф, газ и т. п.) перерабатывается в электрическую энергию. Электрической подстанцией называется установка, в которой происходит преобразование электрической энергии — повышение или понижение напряжения, преобразование переменного тока в постоянный ток и т. п.
Электрические станции могут быть классифицированы по потребителям и типу первичного двигателя.
По характеру потребителя электрические станции могут быть подразделены на: 1) районные; 2) городские (коммунальные); 3) промышленные (фабрично-заводские); 4) сельскохозяйственные; 5) транспортные; 6) специального назначения.
Отнесение электростанции к той или иной группе обычно может быть произведено лишь по преимущественному характеру нагрузки, так как большинство современных мощных электростанций работают на общую электросистему, от которой производится питание самых различных потребителей.
По роду первичного двигателя современные электростанции подразделяются на: 1) тепловые: а) паротурбинные (ТЭС); б) газотурбинные; в) атомные (АЭС); 2) гидроэлектростанции (ГЭС); 3) ветровые.
§ 6. Тепловые электрические станции
Современные электростанции с паровыми турбинами бывают конденсационные и теплофикационные.
Конденсационные паротурбинные электростанции работают на каменном угле, торфе, природном газе, нефти. Твердые виды топлива для получения большего к. п. д. обычно сжигаются в пылевидном состоянии.
Принципиальная схема работы конденсационной паротурбинной электростанции изображена на рис. 6-1.
В пылеприготовительном устройстве уголь размалывается, подсушивается и затем через форсунки под давлением воздушной струи подается в топку котла, где и сгорает, образуя факел с высокой температурой.
Рис. 6-1. Принципиальная схема работы конденсационной паротурбинной электростанции
Рис. 6-2. Принципиальная схема получения теплофикационного пара и горячен воды на теплоэлектроцентрале
В турбине пар, поступающий из парового котла, совершает механическую работу. По мере движения пара через турбину его давление падает; за последней ступенью турбины отработавший пар поступает в конденсатор, где циркулирующей проточной водой охлаждается и превращается в дистиллированную воду, перекачиваемую насосом в питательный бак. Далее вода через подогреватель снова поступает в котел. Поскольку в описанном цикле есть небольшая утечка пара, питательный бак дополнительно пополняется химически чистой водой.
Энергетический баланс паротурбинной электростанции конденсационного типа включает внутренние потери (около 22%) и потери на конденсацию (около 52%). Таким образом, полезный выход энергии сжигаемого топлива составляет всего лишь около 26%.
Теплофикационные паротурбинные электроцентрали снабжают близлежащие предприятия не только электроэнергией, но также паром и горячей водой.
Пар для нужд теплофикации отводится от промежуточных ступеней турбины. При этом часть пара может поступать непосредственно на производство, другая часть — в водоподогреватель для получения теплофикационной горячей воды (рис. 6-2). После теплофикационного водоподогревателя конденсат поступает в питательный бак. В остальном производственный процесс теплоэлектроцентрали целиком совпадает с процессом конденсационной электростанции (см. рис. 6-1).
При большом отборе пара для нужд теплофикаций количество пара, поступающего в конденсатор, уменьшается, следовательно, уменьшаются и непроизвольные потери тепла, уносимого циркуляционной водой.
Коэффициент полезного действия тепловой электростанции
где а — удельный расход условного топлива, требующийся для выработки 1 κвт-ч электроэнергии;
860 — тепловой эквивалент 1 КВт-ч в ккал;
7000 — теплотворная способность 1 кг. условного топлива в ккал.
Энергетический баланс теплоэлектроцентрали характеризуется уменьшением потерь на конденсацию до 18%. Таким образом, общий выход энергии на теплофикацию и в электросеть составляет около 60—70%.
На тепловых паротурбинных электростанциях в нашей стране вырабатывается около 85% электроэнергии. Поскольку такое же соотношение сохранится и на ближайшие годы, то уменьшение удельного расхода материалов, уменьшение габаритов и повышение к. п. д. паротурбинных электростанций при конструировании приобретает важное значение. Улучшение экономических показателей паротурбинных электростанций достигается, в частности, увеличением мощности турбин и генераторов и применением более интенсивного охлаждения последних. Если турбогенератор мощностью 30 тыс. КВт требует материалов 2,75 кг/КВт, то у машины в 200 тыс. КВт удельный расход снижается до 1,53 кг/КВт, а у машин 500 тыс. КВт составляет всего 0,69 кг/КВт.
Важным фактором в работе турбогенератора является нагрев его рабочих частей. Мощность паровой турбины зависит от перепада в ней температуры пара. У современных паровых турбин температура пара держится около 540° С при давлении 240—250 кГ/см2. Дальнейшее повышение температуры пара вызывает резкий износ материала турбин и сокращение срока их работы.
Мощность электрического генератора ограничивается нагревом обмоток ротора и статора. Для более интенсивного охлаждения мощных генераторов применяется водородное охлаждение, а для генераторов мощностью 500 МВт — водяное.
Общий вид (разрез) главного здания ГРЭС мощностью 1200 МВт изображен на рис. 6-3.
Атомные электростанции являются самой молодой отраслью энергетики. Первая в мире атомная электростанция Академии наук СССР была пущена в опытную эксплуатацию 27 июня 1954 г., а в начале сентября 1958 г. пущена первая очередь атомной электростанции мощностью в 100 МВт. В дальнейшем электрическая мощность этой станции доведена до 600 МВт.
Атомные электростанции используют энергию атомных реакций. В качестве ядерного горючего применяются уран и торий. Мировые запасы только одного урана содержат в 20—40 раз больше энергии, чем разведанные запасы угля и нефти; 1 кг урана соответствует примерно 2000 т первосортного угля, или 20 млн. КВт-ч.
Известно, что при бомбардировке урана нейтронами ядра атомов урана распадаются и при этом выделяется энергия, равная 2,3·104 КВт-ч на каждый грамм урана. Около 90% этой энергии превращается в тепло.
Рис. 6-3. Разрез по главному зданию мощной ГРЭС (1200 МВт):
1 — мостовой кран; 2 — турбогенератор; 3 — деаэратор; 4 — сепаратор пыли; 5 — ленточные конвейеры; 6 — циклон пыли; 7 — паровой котел; 8 — мокрые золоуловители; 9 — дымосос; 10 — дутьевой вентилятор; 11 — шаровая мельница; 12 — маслоохладители; 13 — конденсаторные насосы турбины; 14 — конденсатор
Ядра изотопов урана U235 и U238 ведут себя по-разному при бомбардировке их нейтронами. Если ядра U235 делятся поддействием нейтронов малой и большой скорости, а наиболее эффективно на эти ядра воздействуют медленные нейтроны, то ядра U238 делятся только под действием нейтронов с энергией, превышающей 1 Мэв.
В результате деления каждого ядра U235 появляется несколько новых нейтронов, которые, двигаясь с большой скоростью, вызывают новые деления ядер урана. Такого рода реакция с лавинообразным увеличением нейтронов носит название цепной реакции.
Природный уран содержит 99,283% U238 и только 0,712% U235.
В таком уране цепная реакция невозможна, поэтому для атомных реакторов применяют обогащенный уран с повышенным содержанием изотопа U235.
Управление цепной реакцией обогащенного урана в котле производится замедлителями, в качестве которых обычно используют графитовые стержни. Замедлители снижают скорость движения нейтронов с 10 тыс. км/сек до 2,2 км/сек и тем самым уменьшают захват нейтронов ураном U238 и увеличивают вероятность попадания нейтронов в ядра урана U235, что и обеспечивает цепную реакцию.
Следует отметить и недостатки уранового топлива. Если огневое топливо сгорает почти до конца, то из урана, заложенного в атомный реактор, используется только небольшая часть. Оставшийся же в реакторе уран может быть повторно использован лишь после химической и механической переработки.
Разрез реактора атомной электростанции изображен на рис. 6-4. В стальном цилиндрическом кожухе реактора пространство между нижней 2 и верхней 8 плитами заполняется графитовой кладкой 4. Сквозь графитовую кладку проходят вертикальные каналы, из которых большая часть является рабочими каналами 11 с ураном, а в остальных располагаются замедлители для регулирования и аварийная защита.
Активной зоной реактора является пространство в центре кладки в форме цилиндра с диаметром около 150 см и высотой 170 см.
Биологическая защита от радиоактивных излучений с боковых сторон реактора обеспечивается слоем воды и бетона, а сверху — графитовой кладкой и чугунной плитой 8.
Рабочий канал реактора представляет собой длинный графитовый цилиндр; внутрь которого вставлены урановые тепловыделяющие элементы и тонкостенные стальные трубки, по которым протекает вода.
Технологическая схема атомной электростанции изображена на рис. 6-5. Атомный реактор здесь играет роль топки под паровым котлом.
Рис. 6-4. Разрез реактора атомной электростанции:
1 и 7 — холодильники; 2 — нижняя плита; 3 — охлаждаемая стойка отражателя; 4 — кладка реактора; 5 — капал ионизационной камеры; 6 — боковая защита (вода); 8 — верхняя плита; 9 — сборный коллектор; 10 — верхняя защита (чугун); 11 — рабочий канал; 12 — канал аварийной защиты; 13 — канал автоматического регулирования; 14 — распределительный коллектор
Рис. 6-5. Технологическая схема атомной электростанции:
1 — конденсатор; 2 — турбогенератор; 3, 7 — насосы; 4 — пар; 5 — теплоприемник; 6 — вода 270° С; 8 — вода 190° С; 9 — реактор
В газотурбинных электростанциях нет пара, который на теплоэлектростанциях является промежуточной средой по передаче энергии.
Поскольку образование пара связано с сооружением очень громоздких паровых котлов и вызывает дополнительные потери, то созданы турбины, которые работают от движения газа, образующегося в непосредственной близости от турбины. Принцип работы такой турбины изображен на рис. 6-6.
Рис. 6-6. Схема работы газотурбинного двигателя:
1 — компрессор; 2 — топливная форсунка; 3 — свеча первичного зажигания топлива; 4 — камера сгорания; 5 — турбина
Под действием многоступенчатого осевого компрессора 1 воздух под большим давлением подается в камеру сгорания 4. Здесь через форсунку 2 поступает топливо, которое, сгорая, повышает температуру газа на несколько сот градусов, вызывая увеличение его давления. Нагретый газ, проходя через лопасти турбины, совершает механическую работу, в результате чего его давление падает до атмосферного. На приведение в действие компрессора обычно расходуется немного больше половины мощности, развиваемой турбиной.
К преимуществу газовых турбин относится то, что не требуется нагрева теплоносителя через поверхность, как в паровом котле. Горячие газы, образующиеся в камере сгорания, непосредственно поступают в турбину. Температура газа в газовой турбине может быть поднята до 750° С, однако, даже при такой сравнительно высокой температуре, мощность газовой турбины будет меньше, чем мощность паровой при температуре пара 540° С. Это объясняется тем, что водяные пары являются лучшим теплоносителем, чем продукты сгорания органического топлива, на котором работает газовая турбина. Вследствие этого обстоятельства к. п. д. газовой турбины ниже паровой турбины. Вторым недостатком газовых турбин является необходимость в очень чистых продуктах сгорания в виде природного газа или специально очищенного и поэтому дорогого жидкого топлива.
Научно-исследовательские работы и перспективные разработки в области тепловых электростанций направлены как на совершенствование существующих систем, так и на создание принципиально новых систем.
К таким системам относится магнитогидродинамический генератор (МГД), позволяющий получить электрическую энергию непосредственно из плазмы. Эта новая наука называется магнитогидродинамической. МГД не имеет котла, турбины, ротора и вообще никаких других подвижных частей. Газы, разогретые до весьма высокой температуры, образуют плазму, обладающую хорошей проводимостью. В плазме, перемещающейся в мощном магнитном поле, как в проводнике, наводится э. д. с. Таким образом, тепло непосредственно превращается в электричество. Теоретические расчеты показывают, что размеры мощного МГД должны быть очень большими. Это подтверждается опытной моделью такого генератора (У-02), разработанного в 1967 г.
Вторым направлением являются работы по получению электрической энергии при химических реакциях. На таком принципе созданы топливные элементы. В топливных элементах не требуется высоких температур и они имеют высокий к. п. д. Топливные элементы пока что имеют очень небольшую мощность и работают только на химически чистом кислороде и химически чистом водороде. Естественно, что это не позволяет применить топливные элементы в энергетике, где практический интерес имеют лишь дешевые виды топлива.