Автономная некоммерческая
Профессиональная образовательная
организация
«Уральский промышленно-экономический
техникум»
Сообщение
По дисциплине «Физика»
На тему: «Тепловые электростанции»
Исполнитель: студент группы
слЗИО^104
Хаземова Светлана Алексеевна
Руководитель: Ершов Александр
Юрьевич
Г. Сухой Лог
2014
Введение
В первые годы советской власти
под руководством Ленина был разработан
план строительства электростанций и
электрификации России. Владимир Ильич
назвал этот план второй программой партии.
При обсуждении его Ленин говорил: "Коммунизм
- это есть советская власть плюс электрификация
всей страны".
Современное производство невозможно
представить без электрических двигателей,
приводящих в действие различные станки,
устройства, автоматические линии. Без
электричества не будет работать ни одна
автоматизированная система управления
технологическим процессом. Широко применяется
электричество в сельском хозяйстве, на
железнодорожном и городском транспорте.
Сегодня электричество постоянный спутник
человека. Фабриками электрической энергии
являются электростанции. Первенец Волховская
ГЭС имела мощность всего 66 000 кВт. А сооруженная
в послевоенные годы Волжская гидроэлектростанция
имени 22 съезда КПСС (Коммунистическая
Партия Советского Союза) имела мощность
2 млн. 500 тысяч кВт. Основные типы электростанций:
гидравлические и тепловые.
Тепловые электростанции
На тепловой электростанции
электроэнергия получается из энергии
заключенной в топливе. Основные части
тепловой электростанции следующие: топливный
склад и устройства для различения угля,
паровой котел и турбина с генератором.
Уголь поступает на топливный
склад. Специальный механизм - вагоноопракидыватель
загружает уголь в бункер. Ленточные транспортеры
подают его в шаровую мельницу, где уголь
размалывается в пыль. По трубам угольная
пыль идет в отдельное отделение, где находятся
паровые котлы. Современный паровой котел
- это большое сооружение высотой с многоэтажный
дом. Вместе с горячим воздухом угольная
пыль вдувается в топку котла. В качестве
топлива можно применять нефть или газ.
В топке котла пыль сгорает в виде факела,
при этом выделяется большое количество
тепла. Вода в трубах нагревается и превращается
в пар. Пар собирается в верхнем барабане
котла. Затем он проходит через змеевик,
пароперегреватель, где нагревается до
температуры 400 - 500 градусов. Из котла перегретый
пар по трубопроводу поступает в паровую
турбину, установленную в машинном зале
электростанции. Паровая турбина - это
тепловой двигатель, преобразующий энергию
пара в механическую энергию вращения
вала. Пар из котла поступает в турбину
под большим давлением. В турбине имеется
система неподвижных лопаток между которыми
расположены лопатки рабочих колес укрепленных
на валу. Рассмотрим работу одного из колес.
В каналах между рабочими лопатками изменяется
направление движение пара, при этом пар
действует на лопатки и вращает вал турбины
с большой скоростью 3000 оборотов в минуту.
Из турбины отработавший пар поступает
в конденсатор. В трубках конденсатора
циркулирует холодная вода, вода получившаяся
из пара питательным насосом снова подается
в котел. Механическая энергия турбины
преобразуется в электрическую в генераторе,
вал которого соединен с валом турбины.
Он состоит из статора и ротора. Постоянный
ток от постороннего источника через щетки
и кольца проходит по обмотке ротора. При
вращении ротора его магнитное поле перетекает
в обмотку статора. В обмотках статора
индуктируется переменный электрический
ток большой мощности. Этот ток поступает
на повышающую подстанцию. В соответствии
с законом сохранения и превращения энергии,
электростанция не создает энергию. Она
лишь преобразует заключенную в топливе
химическую энергию в энергия пара, которая
в свою очередь превращается в механическую
энергию и затем уже в электрическую энергию.
Коэффициент полезного действия тепловой
электростанции составляет примерно 25%.
На крупных советских электростанциях
работают турбины мощностью 150 - 200 тысяч
киловатт. Созданы турбины мощностью 300
тысяч киловатт. Мощные генераторы дают
ток десятки тысяч ампер при напряжении
порядка 10 000 Вольт. Тепловые электростанции
обычно сооружаются там, где имеются запасы
топлива. Каменный уголь, газ, торф. Электроэнергия
передается по проводам потребителям
на сотни километров. Поскольку мощность
тока равна произведению силы тока на
напряжение, то при малом напряжении сила
тока будет очень значительной. Провода
сильно нагреются, что приведет к большим
потерям электроэнергии. Чтобы сократить
потери электроэнергии, можно было бы
уменьшить сопротивление проводов, увеличив
их сечение. Но тогда пришлось бы израсходовать
большое количество металла. Как же этого
избежать? Нужно снизить силу тока, увеличив
во столько же раз напряжение. Потребуется
только обеспечить лучшую изоляцию проводов.
Для преобразования тока и напряжения
применяются трансформаторы. Они повышают
напряжение и соответственно уменьшают
силу тока. Мощность же тока остается неизменной.
Для дальних электропередач применяется
напряжение до 500кВ. Ток высокого напряжения
по воздушным линиям передается к месту
потребления. Здесь ток поступает на главную
понижающую подстанцию, где его напряжение
с помощью трансформаторов уменьшается
до 6 600 Вольт. От понижающей подстанции
по воздушным линиям и подземным кабелям
ток поступает на другие подстанции, находящиеся
на предприятиях и улицах городов. Тут
напряжение еще раз снижается от 6 600 Вольт,
до величины применяемой в быту и на производстве.
Теплоэлектроцентрали
(ТЭЦ)
Для отопления жилых домов и
производственных помещений требуется
много тепла. Оно может быть получено от
теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). Это электростанции,
которые наряду с электроэнергией отдают
значительную часть тепла, расположенным
по близости потребителям. Подогрев воды
отпускаемой ТЭЦ для отопления и бытовых
нужд населения производятся в специальных
пароводяных водонагревателях. Рассмотрим
схему ТЭЦ. Отработавший пар из турбины
поступает в теплообменник. Здесь он конденсируется
и конденсат возвращается в котел. Вода,
циркулирующая в трубках теплообменника
нагревается и насосом подается в теплосеть.
На ТЭС могут использоваться
паровые (ПУ), газотурбинные (ГТУ) и парогазовые
(ПГУ) установки для преобразования химической
энергии топлива в тепловую.
Тепловые электрические
станции сооружаются вблизи залежей
каменного и бурого углей, сланцев, газа,
нефтеперерабатывающих заводов, а также
вблизи больших городов
— потребителей тепла. Теплоэлектростанции
могут быть использованы для электроснабжения
и теплообеспечения жилых и общественных
зданий, промышленных предприятий.
Преимущества и недостатки
ТЭС:
Преимущества:
• если не рассматривать
аварийные ситуации,
когда обычные электростанции незаменимы, то
за счет одновременной выработки электроэнергии
и подачи тепла теплоэлектростанции наиболее
эффективны и экономичны
при длительной эксплуатации;
• в отличие от ГЭС, ТЭС
можно размещать относительно свободно
с учетом используемого топлива;
•стоимость ТЭС ниже, чему АЭС;
• меньше площади отчуждаемых земель;
• нет проблем с утилизацией по завершению
срока эксплуатации;
• для современных теплоэлектростанций
характерно низкое
выделение в атмосферу вредных веществ.
Недостатки:
• экологически грязный источник энергии.
Типы тепловых электростанций
и принцип их работы
Электроэнергию производят
на электростанциях за счет использования
энергии, скрытой в различных природных
ресурсах. Как видно из табл. 1.2 это происходит
в основном на тепловых (ТЭС) и атомных
электростанциях (АЭС), работающих по тепловому
циклу.
Таблица 1.2. Выработка
электроэнергии в мире
Показатель |
1990 г. |
2000 г. |
2010 г. (прогноз) |
Доля общей выработки по электростанциям,
% АЭС
ТЭС на газе
ТЭС на мазуте
ТЭС на угле и прочих видах топлива
ГЭС и ЭС на других, возобновляемых,
видах топлива |
17
14
12
38
19 |
16
19
10
37
18 |
14
23
9
36
18 |
Выработка электроэнергии по
регионам, %
Западная Европа
Восточная Европа Азия и Австралия
Америка
Средний Восток и Африка |
20
18
21
36
5 |
19
13
28
34
6 |
18
12
34
30
6 |
Установленная мощность электростанций
в мире (всего), ГВт
В том числе, % АЭС
ТЭС на газе
ТЭС на мазуте
ТЭС на угле и прочих видах топлива
ГЭС и ЭС на других, возобновляемых,
видах топлива |
2830
12
17
15
33
23 |
3580
11
20
14
32
23 |
4450
10
22
13
32
23 |
Выработка электроэнергии (суммарная),
млрд. кВт·ч |
11900 |
15100 |
19500 |
Типы тепловых электростанций
По виду генерируемой и отпускаемой
энергии тепловые электростанции разделяют
на два основных типа: конденсационные
(КЭС), предназначенные только для производства
электроэнергии, и теплофикационные, или
теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Конденсационные
электрические станции, работающие на
органическом топливе, строят вблизи мест
его добычи, а теплоэлектроцентрали размещают
вблизи потребителей тепла – промышленных
предприятий и жилых массивов. ТЭЦ также
работают на органическом топливе, но
в отличие от КЭС вырабатывают как электрическую,
так и тепловую энергию в виде горячей
воды и пара для производственных и теплофикационных
целей. К основным видам топлива этих электростанций
относятся: твердое – каменные угли, антрацит,
полуантрацит, бурые угли, торф, сланцы;
жидкое – мазут и газообразное – природный,
коксовый, доменный и т.п. газ.
Атомные электростанции преимущественно
конденсационного типа используют энергию
ядерного топлива.
В зависимости от типа теплосиловой
установки для привода электрогенератора
электростанции подразделяются на паротурбинные
(ПТУ), газотурбинные (ГТУ), парогазовые
(ПГУ) и электростанции с двигателями внутреннего
сгорания (ДЭС).
По технологической структуре
тепловые электростанции подразделяются
на блочные и неблочные. При блочной схеме
основное и вспомогательное оборудование
паротурбинной установки не имеет технологических
связей с оборудованием другой установки
электростанции. Для электростанций на
органическом топливе при этом к каждой
турбине пар подводится от одного или
двух соединенных с ней котлов. При не
блочной схеме ТЭС пар от всех котлов поступает
в общую магистраль и оттуда распределяется
по отдельным турбинам.
На конденсационных электростанциях,
входящих в крупные энергосистемы, применяются
только блочные системы с промежуточным
перегревом пара. Не блочные схемы с поперечными
связями по пару и воде применяются без
промежуточного перегрева.
Рис. 1.5. Суточные графики электрической
нагрузки: а – промышленный; б – осветительно-бытовой;
в – суммарный (– зима, - - - лето)
Основное оборудование электростанции
включает: котельные и турбинные агрегаты
с электрическим генератором и конденсатором.
Эти агрегаты стандартизованы по мощности,
параметрам пара, производительности,
напряжению и силе тока и т.д. Тип и количество
основного оборудования тепловой электростанции
соответствуют заданной мощности и предусмотренному
режиму её работы. Существует и вспомогательное
оборудование, служащее для отпуска теплоты
потребителям и использования пара турбины
для подогрева питательной воды котлов
и обеспечения собственных нужд электростанции.
К нему относится оборудование систем
топливоснабжения, деаэрационно-питательной
установки, конденсационной установки,
теплофикационной установки (для ТЭЦ),
систем технического водоснабжения, маслоснабжения,
регенеративного подогрева питательной
воды, химводоподготовки, распределения
и передачи электроэнергии.
На всех паротурбинных установках
применяется регенеративный подогрев
питательной воды, существенно повышающий
тепловую и общую экономичность электростанции,
поскольку в схемах с регенеративным подогревом
потоки пара, отводимые из турбины в регенеративные
подогреватели, совершают работу без потерь
в холодном источнике (конденсаторе). При
этом для одной и той же электрической
мощности турбогенератора расход пара
в конденсаторе снижается и в результате
к.п.д. установки растет.
Тип применяемого парового
котла зависит от вида топлива, используемого
на электростанции. Для наиболее распространённых
топлив (ископаемые угли, газ, мазут, фрезторф)
применяются котлы с П-, Т-образной и башенной
компоновкой и топочной камерой, разработанной
применительно к тому или иному виду топлива.
Для топлив с легкоплавкой золой используются
котлы с жидким шлакоудалением. При этом
достигается высокое (до 90%) улавливание
золы в топке и снижается абразивный износ
поверхностей нагрева. Из этих же соображений
для высокозольных топлив, таких как сланцы
и отходы углеобогащения, применяются
паровые котлы с четырехходовой компоновкой.
На тепловых электростанциях используются,
как правило, котлы барабанной или прямоточной
конструкции.
Турбины и электрогенераторы
согласуются по шкале мощности. Каждой
турбине соответствует определенный тип
генератора. Для блочных тепловых конденсационных
электростанций мощность турбин соответствует
мощности блоков, а число блоков определяется
заданной мощностью электростанции. В
современных блоках используются конденсационные
турбины мощностью 150, 200, 300, 500, 800 и 1200 МВт
с промежуточным перегревом пара.
На ТЭЦ применяются турбины
(см. подраздел 4.2) с противодавлением (типа
Р), с конденсацией и производственным
отбором пара (типа П), с конденсацией и
одним или двумя теплофикационными отборами
(типа Т), а также с конденсацией, промышленным
и теплофикационными отборами пара (типа
ПТ). Турбины типа ПТ также могут иметь
один или два теплофикационных отбора.
Выбор типа турбины зависит от величины
и соотношения тепловых нагрузок. Если
преобладает отопительная нагрузка, то
в дополнение к турбинам ПТ могут быть
установлены турбины типа Т с теплофикационными
отборами, а при преобладании промышленной
нагрузки – турбины типов ПР и Р с промышленным
отбором и противодавлением.
В настоящее время на ТЭЦ наибольшее
распространение имеют установки электрической
мощностью 100 и 50 МВт, работающие на начальных
параметрах 12,7 МПа, 540–560°С. Для ТЭЦ крупных
городов созданы установки электрической
мощностью 175–185 МВт и 250 МВт (с турбиной
Т-250-240). Установки с турбинами Т-250-240 являются
блочными и работают при сверхкритических
начальных параметрах (23,5 МПа, 540/540°С).
Особенностью работы электрических
станций в сети является то, что общее
количество электрической энергии, вырабатываемой
ими в каждый момент времени, должно полностью
соответствовать потребляемой энергии.
Основная часть электрических станций
работает параллельно в объединенной
энергетической системе, покрывая общую
электрическую нагрузку системы, а ТЭЦ
одновременно и тепловую нагрузку своего
района. Есть электростанции местного
значения, предназначенные для обслуживания
района и не подсоединенные к общей энергосистеме.
Рис. 1.6. График годовой электрической
нагрузки по продолжительности: І – базовая
нагрузка; ІІ – промежуточная нагрузка;
ІІІ – пиковая нагрузка
Графическое изображение зависимости
электропотребления во времени называют
графиком электрической нагрузки. Суточные
графики электрической нагрузки (рис.1.5)
меняются в зависимости от времени года,
дня недели и характеризуются обычно минимальной
нагрузкой в ночной период и максимальной
нагрузкой в часы пик (пиковая часть графика).
Наряду с суточными графиками большое
значение имеют годовые графики электрической
нагрузки (рис. 1.6), которые строятся по
данным суточных графиков.
Графики электрических нагрузок
используются при планировании электрических
нагрузок электростанций и систем, распределении
нагрузок между отдельными электростанциями
и агрегатами, в расчетах по выбору состава
рабочего и резервного оборудования, определении
требуемой установленной мощности и необходимого
резерва, числа и единичной мощности агрегатов,
при разработке планов ремонта оборудования
и определении ремонтного резерва и др.
При работе с полной нагрузкой
оборудование электростанции развивает номинальную или максимально
длительную мощность (производительность),
которая является основной паспортной
характеристикой агрегата. На этой наибольшей
мощности (производительности) агрегат
должен длительно работать при номинальных
значениях основных параметров. Одной
из основных характеристик электростанции
является ее установленная мощность, которая
определяется как сумма номинальных мощностей
всех электрогенераторов и теплофикационного
оборудования с учетом резерва.
Работа электростанции характеризуется
также числом часов использования установленной
мощности, которое зависит от того, в каком
режиме работает электростанция. Для электростанций,
несущих базовую нагрузку, число часов
использования установленной мощности
составляет 6000–7500 ч/год, а для работающих
в режиме покрытия пиковых нагрузок –
менее 2000–3000 ч/год.
Нагрузку, при которой агрегат
работает с наибольшим к.п.д., называют экономической нагрузкой.
Номинальная длительная нагрузка может
быть равна экономической. Иногда возможна
кратковременная работа оборудования
с нагрузкой на 10–20% выше номинальной
при более низком к.п.д. Если оборудование
электростанции устойчиво работает с
расчетной нагрузкой при номинальных
значениях основных параметров или при
изменении их в допустимых пределах, то
такой режим называется стационарным.