Паросиловые установки

Промышленное производство тепловой и электрической энергии в на­стоящее время осуществляется путём последовательных преобразований энергии органического или ядерного топлива в энергию водяного пара, а за­тем в механическую энергию вращения вала паровой турбины, сочленённой с электрогенератором. Основными энергетическими агрегатами этой схемы являются паросиловые установки, которые для централизованного энерго­снабжения крупных промышленных районов и населённых пунктов объеди­нены в тепловые электрические станции (ТЭС). По назначению ТЭС де­лятся на два вида:

- конденсационные электрические станции (КЭС);

- теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).

Отличие их состоит в том, что КЭС вырабатывают только электрическую энергию, а ТЭЦ, наряду с электрической, производит ещё и тепловую энер­гию. Крупные КЭС принято называть ГРЭС (Государственная районная элек­тростанция) Структурная схема конденсационной тепловой электрической станции приведена на рис. 5.6

Рис. 5.6

1 – паровой котёл; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – электрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – водяной насос; 7 – конденсатный насос; 8 – питательный бак; 9 – питательный насос Органическое топливо, в

качестве которого используется каменный уголь, мазут или газ, сгорает в топке парового котла 1. Теплота, полученная при сгорании топлива, нагре­вает очищенную воду, циркулирующую по трубам парового котла, в резуль­тате чего она превращается в насыщенный пар. В пароперегревателе 2 при дальнейшем нагреве насыщенный пар переходит в перегретый с большим запасом тепловой энергии. В паровой турбине 3 потенциальная энергия пара при его расширении частично переходит в механическую энергию вращения вала паровой турбины 3 с электрогенератором 4, далее обработанный пар из турбины 3 поступает в конденсатор 5, где охлаждается циркуляционной водой, подаваемой насосом 6. В результате охлаждения при малом давлении пар переходит в жидкость (конденсат). Образовавшийся конденсат насосом 7 подаётся в питательный бак 8. Насос 9 осуществляет дозированную подачу конденсата из питательного бака в паровой котёл 1 и цикл повторяется.

Экономичность работы тепловой электростанции оценивается её общим КПД ():

η _ПТ 0, 4, (5.10)

где = 0, 5 – термический КПД цикла;

= 0, 9 – КПД парового котла;

η _ПТ = 0, 86 - КПД паровой турбины.

В уравнении (5.10) наименьшим сомножителем является . Для его повы­шения необходимо обеспечить высокие значения начальных парамет­ров пара перед входом в паровую турбину, а так же низкие значения конеч­ных параметров. Это достигается установкой пароперегревателя на выходе пара из котла и применением конденсаторов закрытого типа с глубоким ва­куумом.

Эффективность работы пароси­лового цикла КЭС можно резко уве­личить путём использования тепла отработанного пара для отопления, горя­чего водоснабжения или для различных технологических процессов. На станциях такого типа, которые называются теплоэлектроцентралями, терми­ческий КПД в 1, 5 ÷ 2 раза больше, чем на КЭС или ГРЭС. На рис. 5.7 пред­ставлена схема теплоэлектроцентрали, снабженной турбиной с регули­руемым отбором пара.

Схема ТЭЦ отличается от схемы КЭС (рис. 5.6) наличием теплофика­ционного контура. Тело для теплофикационного контура в виде отработан­ного пара, отбирается в точке А и направляется в бойлер 10, где пар отдаёт часть тепловой энергии холодной сетевой воде и после охлаждения в виде конденсата насосом 7 перекачивается в питательный бак 8. Насос 12 осуще­ствляет циркуляцию нагреваемой воды в теплофикационном контуре. КПД теплоэлектроцентрали определяется по формуле (5.11):

= , (5.11)

 

Рис. 5.7 Схема ТЭЦ: 10 – подогреватель воды (бойлер); 11- потребитель горячей воды; 12 – водяной насос; 7 – конденсатный насос.

Схема ТЭЦ отличается от схемы КЭС (рис. 5.6) наличием теплофикаци­онного контура. Тело для теплофикационного контура в виде отработанного пара, отбирается в точке А и направляется в бойлер 10, где пар отдаёт часть тепловой энергии холодной сетевой воде и после охлаждения в виде конден­сата насосом 7 перекачивается в питательный бак 8. Насос 12 осуществляет циркуляцию нагреваемой воды в теплофикационном контуре. КПД теплоэлектроцентрали определя­ется по формуле (5.11):

= , (5.11)

где Э_Г, Q_Г - количество электрической и тепловой энергии в год, МДж;

В_Г - годовой расход топлива, кг;

- низшая теплота сгорания рабочего топлива, МДж/кг.

Из уравнения (5.11) видно, что дополнительная составляющая тепловой энергии увеличивает КПД теплоэлектроцентрали, который для крупных ТЭЦ может быть равен 0, 8.

Известно, что запасы органического топлива на нашей планете стреми­тельно иссякают и промышленно развитые страны уже давно находятся в поисках новых видов топлива для большой энергетики. В настоящее время единственным практически значимым и достаточно освоенным новым источ­ником энергии является ядерное топливо, в частности изотоп урана U²³⁵.

Ядерная энергетика начала развиваться с 1954 года* и с тех пор её доля в структуре мирового энергопотребления постоянно растёт [6].

Атомная электростанция (АЭС) вырабатывает электрическую и тепло­вую энергию за счёт тепла выделяемого при ядерной реакции. В зависимости

от способа передачи теплоты рабочему телу (воде) АЭС подразделяются на одноконтурные и двухконтурные [1]. В одноконтурной АЭС, выделяющаяся в реакторе теплота передаётся рабочему телу путём непосредственного его нагревания в активной зоне реактора. Принципиальная схема одноконтурной атомной станции показана на рис. 5.8:

Рис. 5.8

В атомном реакторе 1 осуществляется управляемая ядерная реакция расщепления урана U²³⁵, сопровождающаяся выделением большого количе­ства теплоты**, Циркулирующее в реакторе жидкое рабочее тело, например, вода, нагревается и превращается в пар. Образовавшийся пар поступает в

паровую турбину 2, механически со­членённую с электрогенератором 3. Отработавший пар в конденсаторе 4 конденсируется и в виде конденсата насосом 5 подаётся в реактор 1 и цикл рабочего тела замыкается. Биологи­ческая защита от радиоактивного излучения (поз.6) выполнена в виде стены из барритобетона, которая изолирует реактор от других элементов энергети­ческого контура.

В одноконтурных схемах применяется также газовый теплоноситель, ко­торый после непосредственного нагрева в активной зоне реактора использу­ется в замкнутом цикле газотурбинной установки. С точки зрения безопасно­сти недостатком одноконтурной схемы является: возможность загрязнения турбины продуктами тепловыделяющих элементов реактора и следы радио­активности рабочего тела, что опасно для обслуживающего персонала.

В двухконтурной атомной электростанции (рис. 5.9) эти недостатки исключены за счёт использования двух теплоносителей, циркулирующих

 

Рис. 5.9

по отдельным контурам. В первичном контуре промежуточный теплоноситель нагревается в реакторе 1 и поступает в парогенератор 7, где отдаёт теплоту рабочему телу энергетического контура и насосом 8 возвращается в реактор. В первичном контуре в качестве теплоносителя наряду с водой использу­ются жидкие металлы, газы и некоторые высокотемпературные органические вещества. Энергетический контур состоит из тех же элементов, что типовая паросиловая установка, в которой рабочим телом является вода. В пароге­нераторе 7 вода за счёт теплоты теплоносителя первичного контура превра­щается в пар и поступает в паровую турбину 3 и далее по типовой схеме че­рез конденсатор 4 насосом 5 в виде конденсата возвращается в парогенера­тор.

 

*Первая в мире АЭС построена в СССР (г. Обнинск, 1954 г.)

** При расщеплении 1 кг урана выде­ляется количество теплоты экви­валентное сжиганию 2, 5 тыс. тонн угля.

 

Термический КПД циклов атомных электростанций, как и парового цикла, зависит от начальных и конечных значений параметров пара. Начальные па­раметры пара в атомных реакторах лимитируются допустимой температурой покрытий тепловыделяющих элементов реактора, которая составляет 400 ÷ 600°С, а также предельной температурой ядерного горючего, при которой происходят его фазовые превращения. Выражения для КПД атомных элек­тростанций аналогичны соответствующим выражениям для КПД ТЭС, рабо­тающих на органическом топливе. Действительный КПД современных АЭС достигает 17 ÷ 36%, что объясняется невозможностью обеспечения высоких начальных значений параметров пара.

Несмотря на отмеченные недостатки, атомные электростанции имеют преимущества в сравнении с тепловыми. К ним относятся возможность регу­лировать тепловую мощность в широком диапазоне, а также относительно малая величина топливной составляющей в себестоимости вырабатываемой энергии, которая составляет 15 ÷ 40%, вместо 50 ÷ 60% на тепловых электростанциях. Если на АЭС, наряду с выработ­кой электроэнергии, получают плутоний, который сам является атомным топ­ливом, то величина топливной составляющей уменьшается ещё больше.