Общие сведения об электрических станциях и производстве электроэнергии

Электрическая станция (ЭС) — это промышленное предпри­ятие, вырабатывающее электроэнергию и обеспечивающее ее пе­редачу потребителям по электрической сети. На электростанции происходит преобразование энергии какого-либо природного ис­точника в механическую энергию вращения турбины и далее с помощью электрических генераторов — в электроэнергию. От того, какой природный источник энергии используется, зависит тип электростанции.

Электростанции делят на гидроэлектрические, тепловые и атом­ные. На гидроэлектростанциях в электроэнергию преобразуется механическая энергия водного потока, т.е. гидравлическая энер­гия; на тепловых электростанциях — тепловая энергия, выделяю­щаяся при сжигании топлива; на атомных электростанциях — теп­ловая энергия, выделяющаяся при делении ядер атомов урана, тория и других тяжелых элементов. В настоящее время исследуют­ся возможности более широкого использования тепловой энер­гии вулканов и гейзеров на геотермальных станциях, солнечной энергии — на гидроэлектростанциях, энергии ветра — на ветроэлектростанциях, энергии приливов и отливов — на приливных электростанциях. Имеются опытные промышленные установки, использующие эти виды энергии.

Рис. 1.2. Технологическая схема работы ГЭС:

1 — верхний бьеф; 2 — нижний бьеф; 3 — турбина; ЛЭП — линия электропере­дачи; Т— трансформатор; С— генератор; СH — электроэнергия, отбираемая на собственные нужды ГЭС

Рис. 1.3. Технологическая схема работы ТЭС:

1 — котлоагрегат; 2 — турбина; 3 — источник холодной воды; 4 — конденсатор; 5 — конденсатный насос; 6 — деаэратор; 7 — насос (остальные обозначения см. на рис. 1.2)

Рис. 1.4. Технологическая схема работы АЭС:

1 — ядерный реактор; 2 — парогенератор; 3 — турбина; 4 — источник холодной

воды; 5— конденсатный насос; 6— насос (остальные обозначения см. на рис. 1.2)

Гидроэлектрическая станция (ГЭС) представляет собой сово­купность сооружений, создающих напор воды, подводящих воду к турбинам и отводящих отработавшую воду из здания станции. Различные схемы преобразования энергии воды на ГЭС руслового, приплотинного и деривационного типов в настоящей книге не рассматриваются.

Технологическая схема работы ГЭС (рис. 1.2) выгодно отлича­ется от схем работы всех других электростанций простотой про­цессов и надежностью элементов.

На тепловых электростанциях (ТЭС) энергия, выделяемая при сгорании топлива (каменного угля, торфа, сланцев, газа, нефти и др.), преобразуется в электроэнергию в соответствии с техноло­гической схемой, указанной на рис. 1.3. Добыча, доставка и под­готовка топлива к сжиганию в котлоагрегатах — сложные и до­рогие процессы. Тепловая энергия, получаемая при сгорании топ­лива, передается воде для получения в котлоагрегате перегретого пара высокого давления (до 30 МПа) и температуры (до 650 °С).

Получение, передача к турбине и использование в турбине пара с такими параметрами — также сложные процессы. Но все тех­нические вопросы работы ТЭС решены, и тепловые электростан­ции являются основой современной энергетики. Однако не устра­нен главный недостаток ТЭС — низкий коэффициент полезного действия (КПД). Лишь 30...40 % теплоты, полученной при сгора­нии топлива, используется полезно, а остальная ее часть (70... 60 %) отдается охлаждающей воде при конденсации пара и дымо­вым газам, т.е. безвозвратно теряется.

Атомные электростанции (АЭС) — это тоже тепловые па­ротурбинные станции, но использующие в качестве природного источника энергии топливо особого вида — ядерное. В технологи­ческой схеме работы АЭС (рис. 1.4) роль котла выполняет ядер­ный реактор. Теплота, выделяющаяся в реакторе при делении ядер урана и плутония, передается теплоносителю — тяжелой воде, гелию и др. От теплоносителя тепловая энергия передается паро­генератору. Далее используется та же схема преобразования энер­гии пара в механическую энергию паровой турбины, а затем в электроэнергию, что и на ТЭС.

В настоящее время основную часть всей вырабатываемой в стране электроэнергии обеспечивают ТЭС на органическом топливе. Тем не менее, их доля в суммарном производстве электроэнергии имела в последние годы устойчивую тенденцию к снижению, тогда как доля атомных и гидравлических электростанций, не требующих закупки быстро дорожающего топлива, увеличивалась. В условиях общего спада производства энергии АЭС и ГЭС практически со­хранили выработку электроэнергии на уровне своих мощностных и системных возможностей.

Тип вновь сооружаемых электростанций выбирают на основании технико-экономических расчетов с учетом наличия природных ре­сурсов и типа существующих электростанций в данном районе, потребности в тепловой и электрической энергии и др. При этом стремятся обеспечить наиболее эффективное сочетание электро­станций разного типа с учетом изменений выработки и потребле­ния энергии в различные сезоны года.

Часто при освоении новых регионов в начальный период экс­плуатации для временного электроснабжения применяются ди­зельные, газотурбинные электростанции и энергопоезда.

Основной элемент дизельных электростанций (ДЭС) — дизель-генератор. Как правило, в качестве первичных двигателей приме­няют бескомпрессорные четырех- и двухтактные дизели мощнос­тью 5...1000 кВт, имеющие частоту вращения 375... 1500 мин¹. Дизели комплектуются синхронными генераторами переменного тока. По назначению ДЭС подразделяются на основные, резерв­ные и аварийные.

Установленная мощность электростанций в мире ежегодно уве­личивается на 1,5 % и должна составить в 2006 г. 3364 ГВт: ТЭС — 2169; ГЭС — 767; АЭС — 412; геотермальные электростанции (Гео-ТЭС) - 16 ГВт.

Среднее за год число часов использования установленной мощ­ности электростанций в 2004 г. составило 4464; при этом для ТЭС этот показатель равнялся 4262, для ГЭС — 3440, для АЭС — 5884 и для Гео-ТЭС - 4270.

Доля атомных электростанций в общем производстве электро­энергии в мире составляет 17 %.

Доля нетрадиционных возобновляемых источников в мировом производстве электроэнергии весьма незначительна — около 2 %.

Электроснабжение потребителей осуществляется в основном от сетей энергосистем — через сетевые районы или сети распре­делительных компаний. Суммарная мощность электростанций са­моснабжающихся предприятий составляет 7,0 % общей мощности электростанций в мире, производство электроэнергии— 7,1 %.

Более 2/3 всего мирового производства электроэнергии прихо­дится на группу из 29 стран, входящих в состав организации эко­номического сотрудничества и развития (ОЭСР). К числу круп­нейших в мире производителей и потребителей электроэнергии относятся США, Китай, Япония, Россия, Канада, Германия и Франция. Около 2/3 всей электроэнергии в мире вырабатывается на органическом топливе, немного менее 1/6 — на ядерном, по­чти 1/5 — на гидроэнергии.