Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях, которые можно классифицировать по ряду характерных признаков. Классификация электростанций приведена на рис. 1.1.
Районные электростанции служат для электроснабжения электроэнергией большого экономического района. Электрическую энергию районные электростанции, как правило, отдают в энергосистему, откуда ее получают потребители всего обслуживаемого района. Местные электростанции строятся в местах, удаленных на большие расстояния от энергосистемы, для обеспечения электроэнергией одного или нескольких потребителей. Передвижные электростанции используются чаще всего при ремонтно-восстановительных работах, новом строительстве или для временного электроснабжения потребителей до их подключения к постоянному источнику электроэнергии.
Рис. 1.1. Классификация электростанций
Для выработки электроэнергии в больших масштабах используются электростанции атомные (АЭС), тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС). ТЭС вырабатывают около 72% всей электроэнергии, производимой в России. Примерно 15% электроэнергии дают ГЭС, остальные 13% электроэнергии вырабатываются на АЭС. Солнечные (СЭС) и ветровые (ВЭС) электростанции находятся в стадии опытной разработки и большого промышленного значения в России не имеют.
Основу электроэнергетики в нашей стране составляют паротурбинные электростанции, которые по типу турбины делятся на конденсационные (КЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и геотермальные (ГЕОТЭС). Тепловые электростанции с газовыми турбинами имеют ограниченное применение, так как требуют для своей работы специального очищенного газообразного и жидкого топлива. В стадии опытной промышленной разработки находятся электростанции с магнитогидродинамическими (МГД) генераторами, в которых тепловая энергия преобразуется непосредственно в электрическую, минуя промежуточную стадию преобразования тепловой энергии в механическую. Электроэнергия в МГД-генераторах вырабатывается в результате взаимодействия потока горячих электропроводящих газов с неподвижным магнитным полем. Дизельные электростанции (ДЭС) имеют небольшую единичную мощность и используются в качестве стационарных резервных источников электроэнергии и передвижных на автомобильном или железнодорожном ходу при строительстве и ремонтно-восстанови- тельных работах.
Конденсационные электростанции (КЭС) сооружают обычно вблизи мест добычи топлива, транспортировка которого на значительные расстояния экономически невыгодна. Важнейшим условием, определяющим место строительства мощной КЭС, является наличие источника водоснабжения. Обычно таким источником является водохранилище, создаваемое вблизи КЭС, что требует при строительстве наличия значительной свободной территории.
На рис. 1.2 приведена схема выработки электроэнергии на КЭС. Со склада топлива 1 уголь по транспортерам поступает в угледробильное 2 и пылеприготовительное 3 устройства. В последнем уголь размалывается до пылевидного состояния и через горелку вдувается в топку 4 котла 5 вентилятором 7. Воздух предварительно проходит воздухоподогреватель б, где подогревается отходящими дымовыми газами, отсасываемыми дымососом 8 в атмосферу. Угольная пыль сгорает в топке котла во взвешенном состоянии, образуя факел, имеющий высокую температуру. Пар из котла под высоким давлением и с высокой температурой (на современных КЭС устанавливают агрегаты с параметрами пара до 24 МПа и 560°С) поступает в турбину 9 и приводит во вращение ее вал, соединенный муфтой с валом ротора генератора 10. С генератора электроэнергия поступает на повышающую подстанцию 13, где напряжение повышается с помощью трансформатора, и по отходящим высоковольтным линиям передается потребителям и в энергосистему.
В турбине пар проходит ряд ступеней, совершая механическую работу, при этом давление и температура пара снижается. Из последней ступени отработавший пар поступает в конденсатор 11, где он охлаждается проточной водой из водохранилища и конденсируется. При этом требуется проточной воды в 50-80 раз больше количества отработавшего пара. В конденсатор вода подается насосом 16, а из него по специальному каналу сливается в водохранилище на значительном расстоянии от электростанции. Вместе с проточной водой уносится более 50% тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Эжектор 17 — специальный пароструйный аппарат для удаления воздуха, проникающего в конденсатор вместе с отработавшим паром, и создания в конденсаторе разряжения (3-4 кПа), чтобы повысить коэффициент полезного действия турбины. Работа, совершаемая паром, пропорциональна разности давлений на входе и выходе из турбины.
Образующийся в конденсаторе 11 конденсат представляет собой дистиллированную воду, он насосом 16 откачивается в питательный бак 15, откуда насосом через водоподогреватель 17 подается в котел 5. Подогрев воды, поступающей в котел, необходим для поддержания температуры в котле. Для подогрева берется пар из турбины, который прошел часть ее ступеней. Таким образом, в паротурбинной установке питательна вода, пар и конденсат циркулируют по замкнутому контуру, обеспечивая наименьшее его загрязнение. В целях компенсации потерь воды в этом контуре в питательный бак 15 добавляется сырая вода из водопровода, прошедшая установку химической очистки воды 14.
Рис. 1.2. Схема выработки электроэнергии на КЭС и ТЭЦ
К.п.д. КЭС составляет 35-40%. С увеличением параметров пара и единичной мощности агрегатов станции к.п.д. возрастает.
Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) представляют собой паротурбинные теплофикационные электростанции, предназначенные для снабжения потребителей электрической и тепловой энергией в виде пара и горячей воды. Располагают ТЭЦ в местах потребления тепловой энергии и работают они на привозном высококалорийном топливе. Теплофикационные турбины имеют несколько ступеней отбора пара. На рис. 1.2 пунктирной линией показан отбор пара для теплофикации. Часть пара поступает непосредственно на производство, другая часть — в водоподогреватель 18 (бойлер), через который вода тепловой сети насосом 16 подается в отопительные системы и для бытовых услуг. В бойлере пар, отдав тепло, конденсируется, и конденсат насосом 16 подается в питательный бак 15.
К.П.Д. достигает 60-70%. Комбинированная выработка на ТЭЦ тепловой и электрической энергии позволяет экономить 15-20% топлива по сравнению с раздельной выработкой электроэнергии на КЭС и тепловой энергии в котельных установках. Наиболее экономичным режимом работы ТЭЦ является такой, при котором по графику отдается наибольшее количество пара потребителям тепла при наименьшем пропуске его через конденсатор.
Геотермальные электростанции (ГЕОТЭС) имеют хорошие технико-экономические характеристики. Это доказывает опыт работы первой в России Паужетской ГЕОТЭС, построенной на Южной Камчатке. Недалеко от первой ГЕОТЭС расположена подобная ей Паратунская электростанция. ГЕОТЭС работают на принципе использования подземных термальных вод, пригодных по своим параметрам для выработки электроэнергии. Термальные зоны — это естественные подземные котлы, которые могут выдавать пар без всяких затрат обычных видов топлива. Пароводяная смесь, выведенная из термальной зоны на поверхность земли с помощью скважин, направляется в сепарационное устройство, где происходит разделение пара и воды. Пар поступает в турбины, а горячая вода используется для теплоснабжения и производственного применения. Преимуществом ГЕОТЭС является простота их компоновки, станция состоит из машинного зала и помещения для приема и распределения электроэнергии. Практически все работающие ГЕОТЭС построены на месторождениях с температурой пара или воды порядка 170°С, расположенных на глубинах 200-500 м, но таких термальных зон мало.
Атомные электростанции (АЭС) — это Тепловые станции, использующие энергию ядерных реакций. В качестве ядерного топлива используют обычно изотопы урана U-233 и U-235, плутоний Ри-239. На рис. 1.3 представлена технологическая схема АЭС. Реакция деления ядерного топлива происходит в ядерном реакторе 1. Ядерное топливо используют обычно в твердом виде. Его заключают в предохранительную оболочку. Такого рода тепловыделяющие элементы называют твэлами 3. Их выполняют в виде вилок и устанавливают в рабочих каналах графитовых блоков 2. Графит используется в качестве замедлителя быстрых нейтронов, образующихся при делении ядер урана или плутония. Тепловая энергия, выделяющаяся при ядерной реакции деления, отводится из активной зоны реактора с помощью теплоносителя, который прокачивается под давлением насосом 7 по находящимся внутри каналов 5 U-образным стальным трубам 4. Нагретая до 320°С вода с давлением 20 МПа поступает в сепаратор 6, в верхней части которого собирается насыщенный пар, в нижней — вода.
Насыщенный пар подсушивается и перегревается, проходя по трубам 4 каналов 5 ядерного реактора, после чего поступает в парогенератор, состоящий из пароперегревателя 8, парогенератора насыщенного пара 9 и подогревателя конденсата 10. Пройдя подогреватель 10, пар конденсируется, и конденсат вместе с водой из сепаратора б насосом 7 подается в реактор на следующий цикл. Второй водяной контур нерадиоактивен. Перегретый пар из пароперегревателя 8 поступает в паровую турбину 11, которая приводит во вращение генератор 12. Отработавший в турбине пар идет в конденсатор 13, где с помощью эжектора 14 создается разряжение путем откачки воздуха. Конденсат с помощью насоса 7 подается в подогреватель 15, где паром из турбины подогревается и поступает в подогреватель 10 парогенератора. Пар второго контура перегревается до 500°С и под давлением 13 МПа подается в турбину. Электроэнергия с генератора 12 трансформируется на повышающей подстанции трансформатором 16 и распределяется между потребителями или поступает в энергосистему.
Реактор и охлаждающий его теплоноситель являются источниками опасных радиоактивных излучений. Поэтому помещения реактора и парогенератора ограждают защитными конструкциями, выполненными из толстых слоев бетона, свинца, воды и других защитных материалов.
3. Схема выработки электроэнергии на АЭС
При работе АЭС не расходуется органическое топливо (уголь, нефть, газ), не выбрасываются в атмосферу вредные окислы серы, азота, углекислый газ, что позволяет снизить "парниковый эффект", ведущий к глобальному изменению климата. Во многих странах АЭС вырабатывают значительную часть электроэнергии (во Франции — 75%, в Бельгии — 65%).
Уроки аварии на Чернобыльской АЭС (1986 г.) потребовали существенно повысить безопасность АЭС и заставили отказаться от их строительства в густонаселенных и сейсмоактивных районах. Тем не менее с учетом экологической ситуации атомную энергетику следует рассматривать как перспективную.
Гидроэлектростанции (ГЭС) используют для производства электроэнергии поток падающей воды, приводящий во вращение гидротурбины, которые в свою очередь вращают электрогенераторы. Наряду с производством электроэнергии решаются вопросы улучшения судоходства на реке и орошения сельскохозяйственных земель, снижения угрозы наводнений.
На полноводных реках равнин необходимый напор воды создается плотиной, перегораживающей русло реки. Такие ГЭС называются плотинными. При небольших напорах воды (до 30 м) здание электростанции размещают в теле плотины. Это сокращает затраты на строительство ГЭС»
При напорах более 30-40 м обычно сооружают ГЭС приплотинного типа, у которых здание располагается ниже плотины (рис. 1.4). Плотина 1 воспринимает напор воды, которая из верхнего бьефа 2 (водное пространство перед плотиной) по каналу 3 плотины поступает в спиральную камеру 6 и попадает на лопасти колеса турбины 5 и по каналу 4 — в нижний бьеф 7 (водное пространство ниже плотины). Разность уровней верхнего и нижнего бьефов является напором Н, под действием которого вода отдает свою энергию турбине, вращающей генератор 9. Турбина и генератор располагаются обычно вертикально и связаны общим валом 8. Электроэнергия, выработанная генератором*, поступает на повышающий трансформатор 10, с которого по воздушной линии электропередачи 11 передается в электросеть и потребителям.
На горных реках строятся деривационные гидроэлектростанции (рис. 1.5), для работы которых необходимый напор воды Я создается путем использования значительных естественных уклонов таких рек. Вода из створа А реки отводится через водоприемник в деривационный канал 2 или туннель в обход основного русла реки и попадает в напорный бассейн 3.
Рис. 1.4. Разрез гидроэлектростанции приплотинного типа
Из бассейна вода по напорным трубам 4 течет в гидротурбины 5, приводя их во вращение. На одном валу с турбиной находится генератор, вырабатывающий электрическую энергию. Так как канал 2 проложен с небольшим уклоном, то напор воды Я на турбинах ГЭС несколько меньше напора реки Н на участке А-Б. Отработавшая вода из турбины по отводному каналу 6 возвращается в реку. При помощи плотины 7 можно создать искусственное водохранилище с определенным запасом воды и дополнительно поднять уровень воды, увеличив напор на турбинах гидростанции.
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) сооружаются в энергосистемах, где отсутствуют ГЭС или их мощность недостаточна для покрытия максимальной нагрузки в часы "пиковых" нагрузок, когда расход электроэнергии резко возрастает. В часы минимальной нагрузки системы агрегаты ГАЭС работают в насосном режиме, перекачивая воду по трубопроводам из нижнего водохранилища в верхнее, запасая воду. В нужное время суток ГАЭС способна за несколько минут развить необходимую мощность и отдать ее в энергосистему, в то время как турбинам КЭС и АЭС для этого необходимо несколько часов. Сооружение подобных станций свидетельствует о нерешенной пока проблеме экономичного аккумулирования электрической энергии в больших количествах. К.п.д. ГАЭС составляет 70-75%.
Приливные электростанции (ПЭС) используют морские приливы и отливы в качестве источника полезной энергии. С помощью специальной плотины отгораживается часть моря, чтобы во время приливов вода поступала из моря в искусственный бассейн и при отливах возвращалась в море. В плотине ПЭС устанавливают обратимые горизонтальные гидрогенераторы в капсулах обтекаемой формы, которые позволяют независимо от направления потока воды подстраиваться к работе энергосистемы при приливах и отливах. В ночное время суток, когда имеется свободная мощность тепловых электростанций, производят подкачку воды в бассейн плотины. Гидрогенераторы работают при этом в насосном режиме, питаясь от энергосистемы. Такой режим работы ПЭС дает возможность использовать энергию запасенной в бассейне воды для выработки электроэнергии в дневные часы ее "пикового" потребления.
Удельная стоимость гидростанций с, руб./МВт, выше удельной стоимости тепловых станций той же мощности вследствие значительно большего объема строительных работ. Время строительства ГЭС также больше времени сооружения ТЭС. Однако себестоимость электроэнергии ГЭС значительно ниже себестоимости электроэнергии тепловых станций, так как отсутствуют затраты на топливо.
Рис. 1.5. Схема деривационной гидроэлектростанции
При совместной работе ГЭС с ТЭС и АЭС нагрузку энергосистемы распределяют так, чтобы при заданном расходе воды в течение определенного периода обеспечить спрос на электроэнергию с минимальным расходом топлива в системе. ГЭС в течение большей части года целесообразно использовать в "пиковом" режиме. Это означает, что в течение суток мощность ГЭС должна изменяться в Л широких пределах: от минимальной — в часы малой нагрузки энергосистемы до максимальной — в часы наибольшей нагрузки. При таком использовании ГЭС нагрузка тепловых станций выравнивается и работа их становится более экономичной.