Что такое и каковы же принципы работы ТЭС? Общее определение таких объектов звучит примерно следующим образом - это энергетические установки, которые занимаются переработкой природной энергии в электрическую. Для этих целей также используется топливо природного происхождения.

Принцип работы ТЭС. Краткое описание

На сегодняшний день наибольшее распространение получили именно На таких объектах сжигается которое выделяет тепловую энергию. Задача ТЭС - использовать эту энергию, чтобы получить электрическую.

Принцип работы ТЭС - это выработка не только но и производство тепловой энергии, которая также поставляется потребителям в виде горячей воды, к примеру. Кроме того, эти объекты энергетики вырабатывают около 76% всей электроэнергии. Такое широкое распространение обусловлено тем, что доступность органического топлива для работы станции довольно велико. Второй причиной стало то, что транспортировка топлива от места его добычи к самой станции - это довольно простая и налаженная операция. Принцип работы ТЭС построен так, что имеется возможность использовать отработавшее тепло рабочего тела для вторичной поставки его потребителю.

Разделение станций по типу

Стоит отметить, что тепловые станции могут делиться на типы в зависимости от того, какой именно они производят. Если принцип работы ТЭС заключается лишь в производстве электрической энергии (то есть тепловая энергия не поставляет потребителю), то ее называют конденсационной (КЭС).

Объекты, предназначенные для производства электрической энергии, для отпуска пара, а также поставки горячей воды потребителю, имеют вместо конденсационных турбин паровые. Также в таких элементах станции имеется промежуточный отбор пара или же устройство противодавления. Главным преимуществом и принципом работы ТЭС (ТЭЦ) такого типа стало то, что отработанный пар также используется в качестве источника тепла и поставляется потребителям. Таким образом, удается сократить потерю тепла и количество охлаждающей воды.

Основные принципы работы ТЭС

Прежде чем перейти к рассмотрению самого принципа работы, необходимо понять, о какой именно станции идет речь. Стандартное устройство таких объектов включает в себя такую систему, как промежуточный перегрев пара. Она необходима потому, что тепловая экономичность схемы с наличием промежуточного перегрева, будет выше, чем в системе, где она отсутствует. Если говорить простыми словами, принцип работы ТЭС, имеющей такую схему, будет гораздо эффективнее при одних и тех же начальных и конечных заданных параметрах, чем без нее. Из всего этого можно сделать вывод, что основа работы станции - это органическое топливо и нагретый воздух.

Схема работы

Принцип работы ТЭС построен следующим образом. Топливный материал, а также окислитель, роль которого чаще всего берет на себя подогретый воздух, непрерывным потоком подаются в топку котла. В роли топлива могут выступать такие вещества, как уголь, нефть, мазут, газ, сланцы, торф. Если говорить о наиболее распространенном топливе на территории Российской Федерации, то это угольная пыль. Далее принцип работы ТЭС строится таким образом, что тепло, которое образуется за счет сжигания топлива, нагревает воду, находящуюся в паровом котле. В результате нагрева происходит преобразование жидкости в насыщенный пар, который по пароотводу поступает в паровую турбину. Основное предназначение этого устройства на станции заключается в том, чтобы преобразовать энергию поступившего пара, в механическую.

Все элементы турбины, способные двигаться, тесно связываются с валом, вследствие чего они вращаются, как единый механизм. Чтобы заставить вращаться вал, в паровой турбине осуществляется передача кинетической энергии пара ротору.

Механическая часть работы станции

Устройство и принцип работы ТЭС в ее механической части связан с работой ротора. Пар, который поступает из турбины, имеет очень высокое давление и температуру. Из-за этого создается высокая внутренняя энергия пара, которая и поступает из котла в сопла турбины. Струи пара, проходя через сопло непрерывным потоком, с высокой скоростью, которая чаще всего даже выше звуковой, воздействуют на рабочие лопатки турбины. Эти элементы жестко закреплены на диске, который, в свою очередь, тесно связан с валом. В этот момент времени происходит преобразование механической энергии пара в механическую энергию турбин ротора. Если говорить точнее о принципе работы ТЭС, то механическое воздействие влияет на ротор турбогенератора. Это из-за того, что вал обычного ротора и генератора тесно связываются между собой. А далее происходит довольно известный, простой и понятный процесс преобразования механической энергии в электрическую в таком устройстве, как генератор.

Движение пара после ротора

После того как водяной пар проходит турбину, его давление и температура значительно опускаются, и он поступает в следующую часть станции - конденсатор. Внутри этого элемента происходит обратное превращение пара в жидкость. Для выполнения этой задачи внутри конденсатора имеется охлаждающая вода, которая поступает туда посредством труб, проходящих внутри стен устройства. После обратного преобразования пара в воду, она откачивается конденсатным насосом и поступает в следующий отсек - деаэратор. Также важно отметить, что откачиваемая вода, проходит сквозь регенеративные подогреватели.

Основная задача деаэратора - это удаление газов из поступающей воды. Одновременно с операцией очистки, осуществляется и подогрев жидкости так же, как и в регенеративных подогревателях. Для этой цели используется тепло пара, которое отбирается из того, что следует в турбину. Основное предназначение операции деаэрации состоит в том, чтобы понизить содержание кислорода и углекислого газа в жидкости до допустимых значений. Это помогает снизить скорость влияние коррозии на тракты, по которым идет поставка воды и пара.

Станции на угле

Наблюдается высокая зависимость принципа работы ТЭС от вида топлива, которое используется. С технологической точки зрения наиболее сложным в реализации веществом является уголь. Несмотря на это, сырье является основным источником питания на таких объектах, число которых примерно 30% от общей доли станций. К тому же планируется увеличивать количество таких объектов. Также стоит отметить, что количество функциональных отсеков, необходимых для работы станции, гораздо больше, чем у других видов.

Как работают ТЭС на угольном топливе

Для того чтобы станция работала непрерывно, по железнодорожным путям постоянно привозят уголь, который разгружается при помощи специальных разгрузочных устройств. Далее имеются такие элементы, как по которым разгруженный уголь подается на склад. Далее топливо поступает в дробильную установку. При необходимости есть возможность миновать процесс поставки угля на склад, и передавать его сразу к дробилкам с разгрузочных устройств. После прохождения этого этапа раздробленное сырье поступает в бункер сырого угля. Следующий шаг - это поставка материала через питатели в пылеугольные мельницы. Далее угольная пыль, используя пневматический способ транспортировки, подается в бункер угольной пыли. Проходя этот путь, вещество минует такие элементы, как сепаратор и циклон, а из бункера уже поступает через питатели непосредственно к горелкам. Воздух, проходящий сквозь циклон, засасывается мельничным вентилятором, после чего подается в топочную камеру котла.

Далее движение газа выглядит примерно следующим образом. Летучее вещество, образовавшееся в камере топочного котла, проходит последовательно такие устройства, как газоходы котельной установки, далее, если используется система промежуточного перегрева пара, газ подается в первичный и вторичный пароперегреватель. В этом отсеке, а также в водяном экономайзере газ отдает свое тепло на разогрев рабочего тела. Далее установлен элемент, называющийся воздухоперегревателем. Здесь тепловая энергия газа используется для подогрева поступающего воздуха. После прохождения всех этих элементов, летучее вещество переходит в золоуловитель, где очищается от золы. После этого дымовые насосы вытягивают газ наружу и выбрасывают его в атмосферу, использую для этого газовую трубу.

ТЭС и АЭС

Довольно часто возникает вопрос о том, что общего между тепловыми и и есть ли сходство в принципах работы ТЭС и АЭС.

Если говорить об их сходстве, то их несколько. Во-первых, обе они построены таким образом, что для своей работы используют природный ресурс, являющийся ископаемым и иссекаемым. Кроме этого, можно отметить, что оба объекта направлены на то, чтобы вырабатывать не только электрическую энергию, но и тепловую. Сходства в принципах работы также заключаются и в том, что ТЭС и АЭС имеют турбины и парогенераторы, участвующие в процессе работы. Далее имеются лишь некоторые отличие. К ним можно отнести то, что, к примеру, стоимость строительства и электроэнергии, полученной от ТЭС гораздо ниже, чем от АЭС. Но, с другой стороны, атомные станции не загрязняют атмосферу до тех пор, пока отходы утилизируются правильным образом и не происходит аварий. В то время как ТЭС из-за своего принципа работы постоянно выбрасывают в атмосферу вредные вещества.

Здесь кроется и главное отличие в работе АЭС и ТЭС. Если в тепловых объектах тепловая энергия от сжигания топлива передается чаще всего воде или преобразуется в пар, то на атомных станциях энергию берут от деления атомов урана. Полученная энергия расходится для нагрева самых разных веществ и вода здесь используется довольно редко. К тому же все вещества находятся в закрытых герметичных контурах.

Теплофикация

На некоторых ТЭС в их схемах может быть предусмотрена такая система, которая занимается теплофикацией самой электростанции, а также прилегающего поселка, если таковой имеется. К сетевым подогревателям этой установки, пар отбирается от турбины, а также имеется специальная линия для отвода конденсата. Вода подводится и отводится по специальной системе трубопровода. Та электрическая энергия, которая будет вырабатываться таким образом, отводится от электрического генератора и передается потребителю, проходя через повышающие трансформаторы.

Основное оборудование

Если говорить об основных элементах, эксплуатирующихся на тепловых электрических станциях, то это котельные, а также турбинные установки в паре с электрическим генератором и конденсатором. Основным отличием основного оборудования от дополнительного стало то, что оно имеет стандартные параметры по своей мощности, производительности, по параметрам пара, а также по напряжению и силе тока и т. д. Также можно отметить, что тип и количество основных элементов выбираются в зависимости от того, какую мощность необходимо получить от одной ТЭС, а также от режима ее эксплуатации. Анимация принципа работы ТЭС может помочь разобраться в этом вопросе более детально.

ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ. СТРУКТУРА ТЭС, ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. ПАРОГЕНЕРАТОР. ПАРОВАЯ ТУРБИНА. КОНДЕНСАТОР

Классификация ТЭС

Тепловая электростанция (ТЭС) - электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива.

Первые ТЭС появились в конце 19 века (в 1882 г. - в Нью-Йорке, в 1883 г. - в С. Петербурге, в 1884 г. - в Берлине) и получили преимущественное распространение. В настоящее время ТЭС - основной вид электрических станций. Доля вырабатываемой ими электроэнергии составляет: в России примерно 70% , в мире около 76%.

Среди ТЭС преобладают тепловые паротурбинные электростанции (ТПЭС), на которых тепловая энергия используется в парогенераторе для получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор паровой турбины, соединённый с ротором электрического генератора (обычно синхронного генератора). Генератор совместно с турбиной и возбудителем называется турбогенератором .В России на ТПЭС производится ~99% электроэнергии, вырабатываемой ТЭС. В качестве топлива на таких ТЭС используют уголь (преимущественно), мазут, природный газ, лигнит, торф, сланцы.

ТПЭС, имеющие в качестве привода электрогенераторов конденсационные турбины и не использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называются конденсационными электростанциями (КЭС). В России КЭС исторически называется Государственная районная электрическая станция, или ГРЭС. На ГРЭС вырабатывается около 65% электроэнергии, производимой на ТЭС. Их КПД достигает 40 %. Самая крупная в мире Сургутская ГРЭС-2; её мощность 4,8 ГВт; мощность Рефтинской ГРЭС 3,8 ГВт.

ТПЭС, оснащённые теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ); ими вырабатывается соответственно около 35 % электроэнергии, производимой на ТЭС. Благодаря более полному использованию тепловой энергии КПД ТЭЦ повышается до 60 - 65 %. Самые мощные ТЭЦ в России ТЭЦ-23 и ТЭЦ-25 Мосэнерго имеют мощность по 1410 МВт.

Промышленные газовые турбины появились значительно позже паровых турбин, так как для их изготовления требовались особые жаропрочные конструкционные материалы. На основе газовых турбин были созданы компактные и высокоманевренные газотурбинные установки (ГТУ). В камере сгорания ГТУ сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания с температурой 750 - 900° С поступают в газовую турбину, вращающую ротор электрогенератора. КПД таких ТЭС обычно составляет 26 - 28%, мощность - до нескольких сотен МВт. ГТУ не отличаются экономичностью из-за высокой температуры уходящих газов.

ТЭС с ГТУ применяются основном как резервные источники электроэнергии для покрытия пиков электрической нагрузки или для снабжения электричеством небольших населённых пунктов.Они позволяют электростанции работать при резкопеременной нагрузке ; могут часто останавливаться, обеспечивают быстрый пуск, высокую скорость набора мощности и достаточно экономичную работу в широком диапазоне нагрузки. Как правило, ГТУ уступают паротурбинным ТЭС по удельному расходу топлива и себестоимости электроэнергии. Стоимость строительно-монтажных работ на ТЭС с ГТУ уменьшается примерно в два раза, так как не нужно строить котельный цех и насосную. Самая мощная ТЭС с ГТУ ГРЭС-3 им. Классона (Московская обл.) имеет мощность 600 МВт.

Отработанные газы ГТУ имеют достаточно высокую температуру, вследствие чего ГТУ имеют невысокий КПД. В парогазовой установке (ПГУ), состоящей из паротурбинного и газотурбинного агрегатов , горячие газы ГТУ используются для нагревания воды в парогенераторе. Это электростанции комбинированного типа. КПД ТЭС с ПГУ достигает 42 - 45%. ПГУ в настоящее время самый экономичный двигатель, используемый для получения электроэнергии. К тому же это самый экологически чистый двигатель, что объясняется высоким КПД. Появились ПГУ чуть более 20 лет назад, однако, сейчас это самый динамичный сектор энергетики. Самые мощные энергоблоки с ПГУ в России: на Южной ТЭЦ С. Петербурга - 300 МВт и на Невинномысской ГРЭС - 170 МВт.

ТЭС с ГТУ и ПГУ также могут отпускать тепло внешним потребителям, то есть работать как ТЭЦ.

По технологической схеме паропроводов ТЭС делятся на блочные ТЭС и на ТЭС с поперечными связями .

Блочные ТЭС состоят из отдельных, как правило, однотипных энергетических установок - энергоблоков. В энергоблоке каждый котёл подаёт пар только для своей турбины, из которой он возвращается после конденсации только в свой котёл. По блочной схеме строят все мощные ГРЭС и ТЭЦ, которые имеют так называемый промежуточный перегрев пара. Работа котлов и турбин на ТЭС с поперечными связями обеспечивается по-другому: все котлы ТЭС подают пар в один общий паропровод (коллектор) и от него питаются все паровые турбины ТЭС. По такой схеме строятся КЭС без промежуточного перегрева и почти все ТЭЦ на докритические начальные параметры пара.

По уровню начального давления различают ТЭС докритического давления и сверхкритического давления (СКД).

Критическое давление - это 22,1 МПа (225,6 ат). В российской теплоэнергетике начальные параметры стандартизованы: ТЭС и ТЭЦ строятся на докритическое давление 8,8 и 12,8 МПа (90 и 130 ат), и на СКД - 23,5 МПа (240 ат). ТЭС на сверхкритические параметры по техническим причинам выполняются с промежуточным перегревом и по блочной схеме.

Эффективность работы ТЭС оценивается коэффициентом полезного действия (КПД) , который определяется отношением количества энергии, отпущенной за некоторое время к затраченной теплоте, содержащейся в сожжённом топливе. Наряду с КПД для оценки работы ТЭС используется также другой показатель - удельный расход условного топлива (условное топливо это топливо, имеющее теплоту сгорания = 7000 ккал/кг=29,33 МДж/кг). Между КПД и условным расходом топлива имеется связь .

Структура ТЭС

Основные элементы ТЭС (рис. 3.1):

u котельная установка , преобразующая энергию химических связей топлива и производящая водяной пар с высокими температурой и давлением;

u турбинная (паротурбинная) установка , преобразующая тепловую энергию пара в механическую энергию вращения ротора турбоагрегата;

u электрогенератор , обеспечивающий преобразование кинетической энергии вращения ротора в электрическую энергию.

Рисунок 3.1. Основные элементы ТЭС

Тепловой баланс ТЭС показан на рис. 3.2.

Рисунок 3.2. Тепловой баланс ТЭС

Основная потеря энергии на ТЭС происходит из-за передачи теплоты пара охлаждающей воде в конденсаторе ; с теплом пара теряется более 50 % теплоты (энергии).

3.3. Парогенератор (котёл)

Основным элементом котельной установки является парогенератор , представляющий собой П-образную конструкцию с газоходами прямоугольного сечения. Большую часть котла занимает топка; её стены облицованы экранами из труб, по которым подводится питательная вода. В парогенераторе производится сжигание топлива, при этом вода превращается в пар высокого давления и температуры. Для полного сгорания топлива в топку котла нагнетается подогретый воздух; для выработки 1 кВт ч электроэнергии требуется около 5 м 3 воздуха.

При горении топлива энергия его химических связей превращается в тепловую и лучистую энергию факела . В результате химической реакции сгорания, при которой углерод топлива С превращается в оксиды СО и СО 2 , сера S - в оксиды SO 2 и SO 3 и т.д., и образуются продукты сгорания топлива (дымовые газы). Охлаждённые до температуры 130 - 160 О С дымовые газы через дымовую трубу покидают ТЭС, уносят около 10 - 15% энергии (рис.3.2).

В настоящее время наиболее широко используются барабанные (рис.3.3,а) и прямоточные котлы (рис.3.3,б). В экранах барабанных котлов осуществляется многократная циркуляция питательной воды; отделение пара от воды происходит в барабане. В прямоточных котлах вода проходит по трубам экрана только один раз, превращаясь в сухой насыщенный пар (пар в котором нет капелек воды).

а ) б )

Рисунок 3.3. Схемы барабанного (а) и прямоточного (б) парагенераторов

В последнее время для повышения эффективности работы парогенераторов производят сжигание угля при внутри-цикловой газификации и в циркулирующем кипящем слое ; при этом КПД увеличивается на 2,5%.

Паровая турбина

Турби́на (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) - это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора.

Попытки создать механизмы, похожие на паровые турбины, делались ещё тысячелетия назад. Известно описание паровой турбины, сделанное Героном Александрийским в 1-м веке до н. э., так называемая «турбина Герона» . Однако только в конце XIX века, когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня Густаф Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленности паровые турбины . Для изготовления промышленной турбины требовалась значительно более высокая культура производства, чем для паровой машины.

В 1883 году Лаваль создал первую работающую паровую турбину . Его турбина представляла собой колесо, на лопатки которого подавался пар. Затем он дополнил сопла коническими расширителями; что значительно повысило КПД турбины и превратило её в универсальный двигатель. Пар, разогретый до высокой температуры, поступал из котла по паровой трубе к соплам и выходил наружу. В соплах пар расширялся до атмосферного давления. Благодаря увеличению объёма пара получалось значительное увеличение скорости вращения. Таким образом, заключённая в паре энергия передавалась лопастям турбины . Турбина Лаваля была намного экономичнее старых паровых двигателей.

В 1884 году Парсонс получил патент на многоступенчатую реактивную турбину , которую он создал специально для приведения в действие электрогенератора. В 1885 году он сконструировал многоступенчатую реактивную турбину (для повышения эффективности использования энергии пара), получившую в дальнейшем широкое применение на тепловых электростанциях.

Паровая турбина состоит из двух основных частей: ротора с лопатками - подвижная часть турбины; статора с соплами - неподвижная часть. Неподвижную часть выполняют разъёмной в горизонтальной плоскости для возможности выемки или монтажа ротора (рис.3.4.)

Рисунок 3.4. Вид простейшей паровой турбины

По направлению движения потока пара различают аксиальные паровые турбины , у которых поток пара движется вдоль оси турбины, и радиальные , направление потока пара в которых - перпендикулярно, а рабочие лопатки расположены параллельно оси вращения. В России и странах СНГ используются только аксиальные паровые турбины.

По способу действия пара турбины делятся на: активные , реактивные и комбинированные . В активной турбине используется кинетическая энергия пара, в реактивной: кинетическая и потенциальная .

Современные технологии позволяют поддерживать частоту вращения с точностью до трёх оборотов в минуту. Паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. часов работы (до капитального ремонта). Паровая турбина является одним из самых дорогих элементов ТЭС.

Достаточно полное использование энергии пара в турбине может быть достигнуто только при работе пара в ряде последовательно расположенных турбинах, которые называются ступенями или цилиндрами . В многоцилиндровых турбинах можно снизить скорость вращения рабочих дисков. На рис.3.5 показана трёхцилиндровая турбина (без кожуха). К первому цилиндру - цилиндру высокого давления (ЦВД) 4 пар подводится по паропроводам 3 непосредственно из котла и поэтому он имеет высокие параметры: для котлов СКД - давление 23, 5 МПа, температура 540 О С. На выходе ЦВД давление пара составляет 3-3,5 МПа (30 - 35 ат), а температура - 300 О - 340 О С.

Рисунок 3.5. Трёхцилиндровая паровая турбина

Для снижения эрозии лопаток турбины (влажным паром) из ЦВД относительно холодный пар возвращается обратно в котёл , в так называемый промежуточный пароперегреватель; в нём температура пара повышается до исходной (540 О С). Вновь нагретый пар подаётся по паропроводам 6 в цилиндр среднего давления (ЦСД) 10. После расширения пара в ЦСД до давления 0,2 - 0,3 МПа (2 - 3 ат) пар с помощью выхлопных труб подаётся в ресиверные трубы 7, из которых направляется в цилиндр низкого давления (ЦНД) 9. Скорость течения пара в элементах турбины 50-500 м/с. Лопатка последней ступени турбины имеет длину 960 мм и массу 12 кг.

КПД тепловых машин и паровой идеальной турбины, в частности, определяется выражением:

,

где - теплота, полученная рабочим телом от нагревателя, - теплота, отданная холодильнику. Сади Карно в 1824 г. теоретически получил выражение для предельного (максимального) значение КПД тепловой машины с рабочим телом в виде идеального газа

,

где - температура нагревателя, - температура холодильника, т.е. температуры пара на входе и выходе турбины соответственно, измеряемые градусах Кельвина (К). Для реальных тепловых двигателей .

Для повышения КПД турбины понижать нецелесообразно ; это связано с дополнительным расходом энергии. Поэтому для увеличения КПД можно увеличить . Однако для современного развития технологий здесь уже достигнут предел.

Современные паровые турбины делятся на: конденсационные и теплофикационные . Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части энергии (теплоты) пара в механическую энергию. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование).

Тепловые электростанции, на которых установлены конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких электростанций - электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии используется на собственные нужды электростанции и, иногда, для снабжения теплом близлежащего населённого пункта. Обычно это посёлок энергетиков. Доказано, что чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее, и тем ниже стоимость 1 кВт установленной мощности. Поэтому на конденсационных электростанциях устанавливаются турбогенераторы повышенной мощности.

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт таких турбин - тепло. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Теплофикационные паровые турбины делятся на: турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара и с отбором и противодавлением .

У турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной турбиной или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии. У турбин с отбором и противодавлением часть пара отводится из 1-й или 2-й промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

Турбины являются самыми сложными элементами ТЭС. Сложность создания турбин определяется не только высокими технологическими требованиями к изготовлению, материалами и т.п., но главным образом, чрезвычайной наукоёмкостью . В настоящее время число стран выпускающих мощные паровые турбины не превышает десяти. Наиболее сложным элементом является ЦНД. Основными производителями турбин в России является Ленинградский металлический завод (г. С. Петербург) и турбомоторный завод (г. Екатеринбург).

Низкое значение КПД паровых турбин и обусловливает эффективность его первоочередного повышения. Поэтому именно паротурбинной установке ниже уделяется основное внимание.

Основными потенциальными методами повышения экономичности паровых турбин являются:

· аэродинамическое совершенствование паровой турбины;

· совершенствование термодинамического цикла, главным образом, путём повышения параметров пара, поступающего из котла, и снижения давления пара, отработавшего в турбине;

· совершенствование и оптимизация тепловой схемы и её оборудования.

Аэродинамическое совершенствование турбин за рубежом в последние 20 лет обеспечивалось с помощью трёхмерного компьютерного моделирования турбин. Прежде всего, необходимо отметить разработку саблевидных лопаток . Саблевидными лопатками называются изогнутые лопатки, напоминающие по внешнему виду саблю (в зарубежной литературе используются термины «банановая» и «трёхмерная»).

Фирма Siemens использует «трёхмерные» лопатки для ЦВД и ЦСД (рис. 3.6), где лопатки имеют малую длину, но зато относительно большую зону высоких потерь в корневой и периферийных зонах. По оценкам фирмы Siemens использование пространственных лопаток в ЦВД и ЦСД позволяет увеличить их КПД на 1 - 2 % по сравнению с цилиндрами, созданными в 80-е годы прошлого века.

Рисунок 3.6. «Трёхмерные» лопатки для ЦВД и ЦСД фирмы Siemens

На рис. 3.7 показаны три последовательных модификации рабочих лопаток для ЦВД и первых ступеней ЦНД паровых турбин для АЭС фирмы GEC-Alsthom : обычная («радиальная») лопатка постоянного профиля (рис. 3.7, а ), используемая в наших турбинах; саблевидная лопатка (рис. 3.7, б ) и, наконец, новая лопатка с прямой радиальной выходной кромкой (рис. 3.7, в ). Новая лопатка обеспечивает КПД на 2 % больший, чем исходная (рис. 3.7, а ).

Рисунок 3.7. Рабочие лопатки для паровых турбин для АЭС фирмы GEC-Alsthom

Конденсатор

Отработанный в турбине пар (давление на выходе ЦНД составляет 3 - 5 кПа, что в 25 - 30 раз меньше атмосферного) поступает в конденсатор . Конденсатор представляет собой теплообменник, по трубам которого непрерывно циркулирует охлаждающая вода, подаваемая циркуляционными насосами из водохранилища. На выходе из турбины с помощью конденсатора поддерживается глубокий вакуум. На рис.3.8 показан двухходовой конденсатор мощной паровой турбины.

Рисунок 3.8. Двухходовой конденсатор мощной паровой турбины

Конденсатор состоит из стального сварного корпуса 8, по краям которого в трубной доске закреплены конденсаторные трубки 14. Конденсат собирается в конденсаторе и постоянно откачивается конденсатными насосами .

Для подвода и отвода охлаждающей воды служит передняя водяная камера 4. Вода подаётся снизу в правую часть камеры 4 и через отверстия в трубной доске попадает в охлаждающие трубки, по которым движется до задней (поворотной) камеры 9. Пар поступает в конденсатор сверху, встречается с холодной поверхностью и конденсируется на них. Поскольку конденсация идёт при низкой температуре, которой соответствует низкое давление конденсации, то в конденсаторе создаётся глубокое разряжение (в 25-30 раз меньше атмосферного давления).

Для того чтобы конденсатор обеспечивал низкое давление за турбиной, и, соответственно, конденсацию пара требуется большое количество холодной воды. Для выработки 1 кВт ч электроэнергии требуется приблизительно 0,12 м 3 воды; один энергоблок НчГРЭС за 1с использует 10 м 3 воды. Поэтому ТЭС строят либо вблизи природных источников воды, либо строят искусственные водоёмы. В случае невозможности использования большого количества воды для конденсации пара, вместо использования водохранилища, вода может охлаждаться в специальных охладительных башнях - градирнях , которые благодаря своим размерам обычно являются самой заметной частью электростанции (рис.3.9).

Из конденсатора с помощью питательного насоса конденсат возвращается в парогенератор.

Рисунок 3.9. Внешний вид градирни ТЭЦ

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ЛЕКЦИИ 3

1. Структурная схема ТЭС и назначение её элементов – 3 балла.

2. Тепловая схема ТЭС – 3 балла.

3. Тепловой баланс ТЭС – 3 балла.

4. Парогенератор ТЭС. Назначение, типы, структурная схема, КПД – 3 балла.

5. Параметры пара на ТЭС – 5 баллов

6. Паровая турбина. Устройство. Разработки Лаваля и Парсонса – 3 балла.

7. Многоцилиндровые турбины – 3 балла.

8. КПД идеальной турбины – 5 баллов.

9. Конденсационные и теплофикационные паровые турбины – 3 балла.

10. Чем отличается КЭС от ТЭЦ? КПД КЭС и ТЭЦ – 3 балла.

11. Конденсатор ТЭС – 3 балла.

Электрическая станция - энергетическая установка, служащая для преобразования природной энергии в электрическую. Тип электрической станции определяется прежде всего видом природной энергии. Наибольшее распространение получили тепловые электрические станции (ТЭС), на которых используется тепловая энергия, выделяемая при сжигании органического топлива (уголь, нефть, газ и др.). На тепловых электростанциях вырабатывается около 76 % электроэнергии, производимой на нашей планете. Это обусловлено наличием органического топлива почти во всех районах нашей планеты; возможностью транспорта органического топлива с места добычи на электростанцию, размещаемую близ потребителей энергии; техническим прогрессом на тепловых электростанциях, обеспечивающим сооружение ТЭС большой мощностью; возможностью использования отработавшего тепла рабочего тела и отпуска потребителям, кроме электрической, также и тепловой энергии (с паром или горячей водой) и т.п. .

Основные принципы работы ТЭС (приложение В). Рассмотрим принципы работы ТЭС. Топливо и окислитель, которым обычно служит подогретый воздух, непрерывно поступают в топку котла (1). В качестве топлива используется уголь, торф, газ, горючие сланцы или мазут. Большинство ТЭС нашей страны используют в качестве топлива угольную пыль. За счёт тепла, образующегося в результате сжигания топлива, вода в паровом котле нагревается, испаряется, а образовавшийся насыщенный пар поступает по паропроводу в паровую турбину (2), предназначенную для превращения тепловой энергии пара в механическую энергию.

Все движущиеся части турбины жёстко связаны с валом и вращаются вместе с ним. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору следующим образом. Пар высокого давления и температуры, имеющий большую внутреннюю энергию, из котла поступает в сопла (каналы) турбины. Струя пара с высокой скоростью, чаще выше звуковой, непрерывно вытекает из сопел и поступает на рабочие лопатки турбины, укрепленные на диске, жёстко связанном с валом. При этом механическая энергия потока пара превращается в механическую энергию ротора турбины, а точнее говоря, в механическую энергию ротора турбогенератора, так как валы турбины и электрического генератора (3) соединены между собой. В электрическом генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

После паровой турбины водяной пар, имея уже низкое давление и температуру, поступает в конденсатор (4). Здесь пар с помощью охлаждающей воды, прокачиваемой по расположенным внутри конденсатора трубкам, превращается в воду, которая конденсатным насосом (5) через регенеративные подогреватели (6) подаётся в деаэратор (7).

Деаэратор служит для удаления из воды растворённых в ней газов; одновременно в нём, так же как в регенеративных подогревателях, питательная вода подогревается паром, отбираемым для этого из отбора турбины. Деаэрация проводится для того, чтобы довести до допустимых значений содержание кислорода и углекислого газа в ней и тем самым понизить скорость коррозии в трактах воды и пара.

Деаэрированная вода питательным насосом (8) через подогреватели (9) подаётся в котельную установку. Конденсат греющего пара, образующийся в подогревателях (9), перепускается каскадно в деаэратор, а конденсат греющего пара подогревателей (6) подаётся дренажным насосом (10) в линию, по которой протекает конденсат из конденсатора (4) .

Наиболее сложной в техническом плане является организация работы ТЭС на угле. Вместе с тем доля таких электростанций в отечественной энергетике высока (~30%) и планируется её увеличение (приложение Г).

Топливо в железнодорожных вагонах (1) поступает к разгрузочным устройствам (2), откуда с помощью ленточных транспортёров (4) направляется на склад (3), со склада топливо подаётся в дробильную установку (5). Имеется возможность подавать топливо в дробильную установку и непосредственно от разгрузочных устройств. Из дробильной установки топливо поступает в бункера сырого угля (6), а оттуда через питатели - в пылеугольные мельницы (7). Угольная пыль пневматически транспортируется через сепаратор (8) и циклон (9) в бункер угольной пыли (10), а оттуда питателями (11) к горелкам. Воздух из циклона засасывается мельничным вентилятором (12) и подаётся в топочную камеру котла (13).

Газы, образующиеся при горении в топочной камере, после выхода из неё проходят последовательно газоходы котельной установки, где в пароперегревателе (первичном и вторичном, если осуществляется цикл с промежуточным перегревом пара) и водяном экономайзере отдают теплоту рабочему телу, а в воздухоподогревателе - подаваемому в паровой котёл воздуху. Затем в золоуловителях (15) газы очищаются от летучей золы и через дымовую трубу (17) дымососами (16) выбрасываются в атмосферу.

Шлак и зола, выпадающие под топочной камерой, воздухоподогревателем и золоуловителями, смываются водой и по каналам поступают к багерным насосам (33), которые перекачивают их на золоотвалы.

Воздух, необходимый для горения, подаётся в воздухоподогреватели парового котла дутьевым вентилятором (14). Забирается воздух обычно из верхней части котельной и (при паровых котлах большой производительности) снаружи котельного отделения.

Перегретый пар от парового котла (13) поступает к турбине (22).

Конденсат из конденсатора турбины (23) подаётся конденсатными насосами (24) через регенеративные подогреватели низкого давления (18) в деаэратор (20), а оттуда питательными насосами (21) через подогреватели высокого давления (19) в экономайзер котла.

Потери пара и конденсата восполняются в данной схеме химически обессоленной водой, которая подаётся в линию конденсата за конденсатором турбины.

Охлаждающая вода подаётся в конденсатор из приемного колодца (26) водоснабжения циркуляционными насосами (25). Подогретая вода сбрасывается в сбросной колодец (27) того же источника на некотором расстоянии от места забора, достаточном для того, чтобы подогретая вода не подмешивалась к забираемой. Устройства для химической обработки добавочной воды находятся в химическом цехе (28).

В схемах может быть предусмотрена небольшая сетевая подогревательная установка для теплофикации электростанции и прилегающего посёлка. К сетевым подогревателям (29) этой установки пар поступает от отборов турбины, конденсат отводится по линии (31). Сетевая вода подводится к подогревателю и отводится от него по трубопроводам (30).

Выработанная электрическая энергия отводится от электрического генератора к внешним потребителям через повышающие электрические трансформаторы.

Для снабжения электроэнергией электродвигателей, осветительных устройств и приборов электростанции имеется электрическое распределительное устройство собственных нужд (32) .

Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) -- разновидность тепловой электростанции, которая производит не только электроэнергию, но и является источником тепловой энергии в централизованных системах теплоснабжения (в виде пара и горячей воды, в том числе и для обеспечения горячего водоснабжения и отопления жилых и промышленных объектов). Главное отличие ТЭЦ состоит в возможности отобрать часть тепловой энергии пара, после того, как он выработает электрическую энергию. В зависимости от вида паровой турбины, существуют различные отборы пара, которые позволяют забирать из нее пар с разными параметрами. Турбины ТЭЦ позволяют регулировать количество отбираемого пара. Отобранный пар конденсируется в сетевых подогревателях и передает свою энергию сетевой воде, которая направляется на пиковые водогрейные котельные и тепловые пункты. На ТЭЦ есть возможность перекрывать тепловые отборы пара. Это дает возможность работать ТЭЦ по двум графикам нагрузки:

· электрическому -- электрическая нагрузка не зависит от тепловой, либо тепловая нагрузка вовсе отсутствует (приоритет -- электрическая нагрузка).

При строительстве ТЭЦ необходимо учитывать близость потребителей тепла в виде горячей воды и пара, так как передача тепла на большие расстояния экономически нецелесообразна.

На ТЭЦ используют твёрдое, жидкое или газообразное топливо. Вследствие большей близости ТЭЦ к населённым местам на них используют более ценное, меньше загрязняющее атмосферу твёрдыми выбросами топливо -- мазут и газ. Для защиты воздушного бассейна от загрязнения твёрдыми частицами используют золоуловители, для рассеивания в атмосфере твёрдых частиц, окислов серы и азота сооружают дымовые трубы высотой до 200--250 м. ТЭЦ, сооружаемые вблизи потребителей тепла, обычно отстоят от источников водоснабжения на значительном расстоянии. Поэтому на большинстве ТЭЦ применяют оборотную систему водоснабжения с искусственными охладителями -- градирнями. Прямоточное водоснабжение на ТЭЦ встречается редко.

На газотурбинных ТЭЦ в качестве привода электрических генераторов используют газовые турбины. Теплоснабжение потребителей осуществляется за счёт тепла, отбираемого при охлаждении воздуха, сжимаемого компрессорами газотурбинной установки, и тепла газов, отработавших в турбине. В качестве ТЭЦ могут работать также парогазовые электростанции (оснащенные паротурбинными и газотурбинными агрегатами) и атомные электростанции.

ТЭЦ -- основное производственное звено в системе централизованного теплоснабжения (приложение Д, Е) .

1 – электрический генератор; 2 – паровая турбина; 3 – пульт управления; 4 – деаэратор; 5 и 6 – бункеры; 7 – сепаратор; 8 – циклон; 9 – котел; 10 – поверхность нагрева (теплообменник); 11 – дымовая труба; 12 – дробильное помещение; 13 – склад резервного топлива; 14 – вагон; 15 – разгрузочное устройство; 16 – конвейер; 17 – дымосос; 18 – канал; 19 – золоуловитель; 20 – вентилятор; 21 – топка; 22 – мельница; 23 – насосная станция; 24 – источник воды; 25 – циркуляционный насос; 26 – регенеративный подогреватель высокого давления; 27 – питательный насос; 28 – конденсатор; 29 – установка химической очистки воды; 30 – повышающий трансформатор; 31 – регенеративный подогреватель низкого давления; 32 – конденсатный насос.

На схеме, представленной ниже, отображен состав основного оборудования тепловой электрической станции и взаимосвязь ее систем. По этой схеме можно проследить общую последовательность технологических процессов протекающих на ТЭС.

Обозначения на схеме ТЭС:

1. Топливное хозяйство;
2. подготовка топлива;
3. промежуточный пароперегреватель;
4. часть высокого давления (ЧВД или ЦВД);
5. часть низкого давления (ЧНД или ЦНД);
6. электрический генератор;
7. трансформатор собственных нужд;
8. трансформатор связи;
9. главное распределительное устройство;
10. конденсатный насос;
11. циркуляционный насос;
12. источник водоснабжения (например, река);
13. (ПНД);
14. водоподготовительная установка (ВПУ);
15. потребитель тепловой энергии;
16. насос обратного конденсата;
17. деаэратор;
18. питательный насос;
19. (ПВД);
20. шлакозолоудаление;
21. золоотвал;
22. дымосос (ДС);
23. дымовая труба;
24. дутьевой вентилятов (ДВ);
25. золоуловитель.

Описание технологической схемы ТЭС:

Обобщая все вышеописанное, получаем состав тепловой электростанции:

• топливное хозяйство и система подготовки топлива;
• котельная установка: совокупность самого котла и вспомогательного оборудования;
• турбинная установка: паровая турбина и ее вспомогательное оборудование;
• установка водоподготовки и конденсатоочистки;
• система технического водоснабжения;
• система золошлокоудаления (для ТЭС, работающих, на твердом топливе);
• электротехническое оборудование и система управления электрооборудованием.

Топливное хозяйство в зависимости от вида используемого на станции топлива включает приемно-разгрузочное устройство, транспортные механизмы, топливные склады твердого и жидкого топлива, устройства для предвари-тельной подготовки топлива (дробильные установки для угля). В состав ма-зутного хозяйства входят также насосы для перекачки мазута, подогреватели мазута, фильтры.

Подготовка твердого топлива к сжиганию состоит из размола и сушки его в пылеприготовительной установке, а подготовка мазута заключается в его подогреве, очистке от механических примесей, иногда в обработке спецприсадками. С газовым топливом все проще. Подготовка газового топлива сводится в основном к регулированию давления газа перед горелками котла.

Необходимый для горения топлива воздух подается в топочное пространство котла дутьевыми вентиляторами (ДВ). Продукты сгорания топлива — дымовые газы — отсасываются дымососами (ДС) и отводятся через дымовые трубы в атмосферу. Совокупность каналов (воздуховодов и газоходов) и различных элементов оборудования, по которым проходит воздух и дымовые газы, образует газовоздушный тракт тепловой электростанции (теплоцентрали). Входящие в его состав дымососы, дымовая труба и дутьевые вентиляторы составляют тягодутьевую установку. В зоне горения топлива входящие в его состав негорючие (минеральные) примеси претерпевают химико-физические превращения и удаляются из котла частично в виде шлака, а значительная их часть выносится дымовыми газами в виде мелких частиц золы. Для защиты атмосферного воздуха от выбросов золы перед дымососами (для предотвращения их золового износа) устанавливают золоуловители.

Шлак и уловленная зола удаляются обычно гидравлическим способом на золоотвалы.

При сжигании мазута и газа золоуловители не устанавливаются.

При сжигании топлива химически связанная энергия превращается в тепловую. В результате образуются продукты сгорания, которые в поверхностях нагрева котла отдают теплоту воде и образующемуся из нее пару.

Совокупность оборудования, отдельных его элементов, трубопроводов, по которым движутся вода и пар, образуют пароводяной тракт станции.

В котле вода нагревается до температуры насыщения, испаряется, а образующийся из кипящей котловой воды насыщенный пар перегревается. Из котла перегретый пар направляется по трубопроводам в турбину, где его тепловая энергия превращается в механическую, передаваемую на вал турбины. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор, отдает теплоту охлаждающей воде и конденсируется.

На современных ТЭС и ТЭЦ с агрегатами единичной мощностью 200 МВт и выше применяют промежуточный перегрев пара. В этом случае турбина имеет две части: часть высокого и часть низкого давления. Отработавший в части высокого давления турбины пар направляется в промежуточный перегреватель, где к нему дополнительно подводится теплота. Далее пар возвращается в турбину (в часть низкого давления) и из нее поступает в конденсатор. Промежуточный перегрев пара увеличивает КПД турбинной установки и повышает надежность ее работы.

Из конденсатора конденсат откачивается конденсационным насосом и, пройдя через подогреватели низкого давления (ПНД), поступает в деаэратор. Здесь он нагревается паром до температуры насыщения, при этом из него выделяются и удаляются в атмосферу кислород и углекислота для предотвращения коррозии оборудования. Деаэрированная вода, называемая питательной, насосом подается через подогреватели высокого давления (ПВД) в котел.

Конденсат в ПНД и деаэраторе, а также питательная вода в ПВД подогреваются паром, отбираемым из турбины. Такой способ подогрева означает возврат (регенерацию) теплоты в цикл и называется регенеративным подогревом. Благодаря ему уменьшается поступление пара в конденсатор, а следовательно, и количество теплоты, передаваемой охлаждающей воде, что приводит к повышению КПД паротурбинной установки.

Совокупность элементов, обеспечивающих конденсаторы охлаждающей водой, называется системой технического водоснабжения. К ней относятся: источник водоснабжения (река, водохранилище, башенный охладитель — градирня), циркуляционный насос, подводящие и отводящие водоводы. В конденсаторе охлаждаемой воде передается примерно 55% теплоты пара, поступающего в турбину; эта часть теплоты не используется для выработки электроэнергии и бесполезно пропадает.

Эти потери значительно уменьшаются, если отбирать из турбины частично отработавший пар и его теплоту использовать для технологических нужд промышленных предприятий или подогрева воды на отопление и горячее водоснабжение. Таким образом, станция становится теплоэлектроцентралью (ТЭЦ), обеспечивающей комбинированную выработку электрической и тепловой энергии. На ТЭЦ устанавливаются специальные турбины с отбором пара — так называемые теплофикационные. Конденсат пара, отданного тепловому потребителю, возвращается на ТЭЦ насосом обратного конденсата.

На ТЭС существуют внутренние потери пара и конденсата, обусловленные неполной герметичностью пароводяного тракта, а также невозвратным расходом пара и конденсата на технические нужды станции. Они составляют приблизительно 1 — 1,5% от общего расхода пара на турбины.

На ТЭЦ могут быть и внешние потери пара и конденсата, связанные с отпуском теплоты промышленным потребителям. В среднем они составляют 35 — 50%. Внутренние и внешние потери пара и конденсата восполняются предварительно обработанной в водоподготавливающей установке добавочной водой.

Таким образом, питательная вода котлов представляет собой смесь турбинного конденсата и добавочной воды.

Электротехническое хозяйство станции включает электрический генератор, трансформатор связи, главное распределительное устройство, систему электроснабжения собственных механизмов электростанции через трансформатор собственных нужд.

Система управления осуществляет сбор и обработку информации о ходе технологического процесса и состоянии оборудования, автоматическое и дистанционное управление механизмами и регулирование основных процессов, автоматическую защиту оборудования.