Тепловые конденсационные электрические станции (КЭС)

Тепловые электрические станции

В электрическую

Современные способы преобразования различных видов энергии

ЮЗЭС

Закон сохранения материи. Современная наука и техника основываются на законе сохранения материи. Трудно назвать эпоху, в которой этот закон был открыт. Первые представления о сохранении материи складывались задолго до нашей эры в древней индийской философии, откуда они, видимо, проникли в Древнюю Грецию. Ещё за 150 лет до н.э. древнегреческий философ Эмпедокл утверждал, что ничто не возникает из ничего и ничто не может быть уничтожено. Однако, как справедливо считает гениальный английский физик Э. Резерфорд, авторами самого важного открытия XVIII столетия – открытия закона сохранения материи – следует считать М.В. Ломоносова и А.Л. Лавуазье.

Закон сохранения энергии. Закон сохранения энергии, открытый в середине XIX века, относится к числу величайших открытий. Открытие закона сохранения энергии не связано с определённой датой или работой какого-то учёного.

Закон сохранения энергии был сформулирован на основе работ Майера, Кольдинга, Джоуля, Гельмгольца. Каждый из этих исследователей внёс свою долю в открытие закона. Закон сохранения энергии в учении о тепловых превращениях получил название первого принципа термодинамики, состоящий в том, что для получения работы без изменения энергии системы к системе необходимо подводить тепло. Поэтому невозможно создать двигатель, который мог бы совершать работу, не получая тепла (т.е. невозможно создать вечный двигатель).

Тепловые конденсационные электрические станции (КЭС) преобразовывают энергию органического топлива вначале в механическую, а затем в электрическую.

Все тепловые двигатели подразделяются:

по виду используемого рабочего тела – пар или газ;

по способу преобразования тепловой энергии в механическую – поршневой или роторный.

В поршневом способе преобразования используется потенциальная энергия рабочего тела, получаемая при его нагревании.

В роторном способе используется кинетическая энергия движущихся с большой скоростью частиц рабочего тела.

Паровая машина была единственным двигателем, используемым в промышленности и на транспорте в XVIII и XIX вв.. В настоящее время она практически не используется, а широко применявшиеся в прошлом паровозы и пароходы почти полностью сняты с производства.

В наше время наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания (ДВС), используемые на автомобильном транспорте. В стационарной энергетике ДВС находят ограниченное применение.

На современных ТЭС устанавливают паровые турбины.

В качестве тепловых двигателей на электрических станциях используется так же газовые турбины.

Для повышения эффективности работы тепловых двигателей стремятся максимально увеличить температуру рабочего тела и его давление до величин, приемлемых по условиям механической прочности конструкционных материалов.

КПД тепловой машины характеризуется

K = (Q₁ – Q₂ ) ∙ Q₁;

Для идеальной машины справедливо равенство:

(Q₁ - Q₂) ∙ Q₁ = (T₁ - T₂) ∙ T₁ = 1 -

В современных паровых установках, составляющих основу энергетики, используется пар при температуре 600^оС и давление 30 МПа (300 кг/см²). Для охлаждения рабочего тела (пара) обычно применяют холодную воду, которая понижает его температуру до 30÷40 при этом давление пара резко падает.

Рис.1 Схема преобразования энергии на тепловых станциях.

На рис. 1 схематично показаны стадии преобразования первичной энергии органического топлива в электрическую.

Основные процессы теплового цикла паровых установок происходят в следующих элементах: в парогенераторах – подвод тепла, в турбинах – расширение пара, в конденсаторах – охлаждение. С помощью насосов высокого давления производится сжатие, при котором конденсат нагнетается в парогенератор.

Схема тепловой конденсационной станции показана на рис.2.

Рис.2 Схема тепловой конденсационной электрической станции: 1-бункер, 2-дробильная установка, 3-топка, 3'-воздуходувка, 4-трубопровод, 5-змеевик, 5'-барабан котла, 6-труба, 7-первая ступень турбины, 8-вторая ступень турбины, 9-ротор генератора, 10-выводы, 11-водоём, 12-насов, 13-конденсатор, 14-насос.

Станция работает следующим образом. Из бункера 1 уголь поступает в дробильную установку 2, где он превращается в пыль. Угольная пыль вместе с воздухом из воздуходувки 3' подаётся в топку 3 парогенератора. Тепло, получаемое при сжигании угля, используется для преобразования воды в пар и подогрева пара уходящими газами в дымовую трубу. Пар при высоком давлении поступает паровую в турбину сначала в первую ступень турбины и далее во вторую ступень. В турбине энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора генератора 9, вырабатывающего электрическую энергию. Отработанный пар в турбине поступает в конденсатор 13, превращается в воду, которая насосом 12 подаётся в парогенератор (котёл) и затем цикл повторяется. Охлаждение пара в конденсаторе производится с помощью воды, забираемой из водоёма и вновь возвращается в водоём. Продукты сгорания угля проходят через очистительные установки, где выделяется зола, твёрдые частицы несгоревшего угля и прочие примеси, а оставшиеся газы через трубу 6 выбрасываются в атмосферу.

Электрическая энергия, получаемая от статора генератора, отдаётся в электрическую систему.

Рассмотрим несколько подробнее основные элементы тепловой конденсационной станции.

Пар получают в парогенераторе. Современный парогенератор представляет собой сложное техническое сооружение больших размеров, высота которого соизмерима с высотой пятиэтажного дома. В топке парогенератора сжигается превращённый в мелкую пыль уголь, газ или распылённая нефть при t =1500-2000. Для наиболее полного сжигания топлива с помощью вентиляторов в больших количествах подаётся подогретый воздух. Появляющееся в процессе сгорания топлива тепло нагревает воду, превращает её в пар и увеличивает его t и ρ до расчётных величин. Использованные газы дымососами вытягиваются из парогенератора и подаются в очистительные устройства, а затем направляются в дымовую трубу.

Вода, подаваемая в парогенератор предварительно очищается от примесей, содержание которых допускается в количестве меньшем, чем в питьевой воде. Очистка воды производится в специальных устройствах – питателях.

По конструктивному выполнению парогенераторы подразделяются на барабанные и прямоточные (трубки экрана топки d = 32÷40 мм ∑ L_тр ≈ 50 км). Прямоточные котлы получили широкое распространение, т.к. они дешевле барабанных. Кроме того у барабанных ПГ при высоких давлениях нарушается естественная циркуляция воды и пара. Прямоточные котлы требуют чувствительного и точного регулирования подачи воды, и предъявляют очень высокие требования к её качеству.

Турбины.

Турбина активная – между её рабочими лопатками расширение пара не происходит, следовательно, давление пара не меняется.

Турбина реактивная – в ней происходит расширение пара, проходящего через каналы рабочих лопаток, в зависимости от показателей расширение пара в каналах турбины характеризуют степенями реактивности.

В настоящее время турбины выполняют многоступенчатыми, причём в одной и той же турбине могут быть как активные, так и реактивные (с различной степенью реактивности) ступени.

В реактивных турбинах помимо центробежных сил возникают при изменении скорости движения пара, на лопатки действуют реактивные силы, вызванные расширением пара.

Рис. 3 Возникновение реактивной силы.

Конденсаторы. Пар, выходящий из турбины, направляют для охлаждения и конденсации в специальные устройства, называемые конденсаторами. Конденсатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого имеется большое число латунных трубок. По трубкам протекает охлаждающая вода, поступающая в конденсатор, обычно при t =10÷15, а выходящая из него при t =20÷25. Пар обтекает трубки сверху вниз, конденсируется и снизу удаляется (1000 МВт расход 40 м³/с, что примерно равно расходу воды в Москве-реке).

Если воду для охлаждения пара забирают из реки, подают в конденсатор, а затем сбрасывают в реку, то такую систему водоснабжения называют прямоточной. В случаях, когда воды в реке не хватает, сооружают пруд. С одной стороны пруда вода подаётся в конденсатор, а в другую сторону пруда сбрасывается нагретая в конденсате вода.

В замкнутых циклах водоснабжения для охлаждения воды, нагретой в конденсаторе, сооружают градирни, представляющие собой устройства высотой 50 м. Вода вытекает струйками из отверстий лотков, разбрызгивается и, стекая вниз, охлаждается. Внизу расположен бассейн, в котором вода собирается и затем насосами подаётся в конденсатор.

Тепловой баланс КЭС.

Рис. 4 Тепловой баланс конденсационной электрической станции.