ТЕПЛОВЫЕ КОНДЕНСАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ — КиберПедия 

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...

ТЕПЛОВЫЕ КОНДЕНСАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ



Омск 2013


 

Составители:

 

 

Михаил Юрьевич Николаев, к.т.н., доцент.

 

 

1. ПЕРВЫЙ ПРИНЦИП ТЕРМОДИНАМИКИ

 

Закон сохранения энергии в учении о тепловых превращениях получил название первого принципа термодинамики. Рассмотрим действие его на примере некоторой системы С, совершающей механическую работу за счет теплоты. Пусть температура системы С в всех точках одинакова. При подведении теплоты к системе ее энергия увеличивается. Если воздействие на систему сводится только к подведению теплоты, то увеличение энергии системы происходит на величину ΔU=Q. Система может совершить работу за счет уменьшения своей энергии и понижения температуры. Если одновременно происходит подведение к системе теплоты и совершение системой работы А, то изменение энергии системы происходит на величину ΔU’=Q-A . Если энергия системы не изменяется, то A=Q.

Это уравнение в количественной форме выражает первый принцип термодинамики, состоящий в том, что для получения работы без изменения энергии к систем необходимо подводить теплоту. Поэтому невозможно создать двигатель, который мог бы совершать работу, и получая теплоты, т. е. невозможно создать вечный двигатель первого рода.

Можно, не нарушая первого принципа термодинамики, умозрительно представить работу двигателя, в котором теплота передается от менее нагретого тела к боле нагретому и при этом работа не совершается. Такие двигатели получили название вечных двигателей второе рода. Многовековой опыт человечества показал, что создание вечных двигателей второго рода, так же как вечных двигателей первого рода, невозможно.

В термодинамике рассматриваются равновесные состояния тел, температура которых в занимаемом объеме, а также давление, приложенное ко всей поверхности тела, одинаковы.

На современных мощных ТЭС превращение теплоты в работу происходит в циклах, где в качестве рабочего тела используется водяной пар.

Термодинамический цикл преобразования теплоты работу с помощью водяного пара был предложен в середине XIX в. шотландским

инж. У.Ренкиным. Принципиальная технологическая схема ТЭС, работающей по циклу Ренкина (рис. 1.1), состоит из парогенератора 1 турбины 2, электрического генератора 3, конденсатора 4 насоса 5. В парогенераторе происходит сжигание топлива, за счет получаемой теплоты вода нагревается испаряется. Этому процессу на диаграмме цикла Ренкина соответствует участок АВ увеличения объема при постоянном давлении. Пар, получаемый в парогенераторе, направляется в турбину, где происходит его расширение и превращение внутренней энергии пара в механическую, т. е. в турбине совершается полезная работа. процесс расширения пара в турбине в идеальном цикле Ренкина (рис. 1.2) происходит по адиабате ВС. Далее отработанный в турбине пар конденсируется и из конденсатора



 

охлаждающей водой отводится теплота. Конденсации пара соответствует участок СО. Конденсат питательным насосом подается в парогенератор, что сопровождается возрастанием давления воды при постоянном объеме, так как вода несжимаема. Этому процессу соответствует участок ОА.

Рис. 1.1. Технологическая схема тепловой электростанции,

работающей по циклу Ренкина:

1 — парогенератор; 2 — турбина;

3 — электрический генератор;

4 — конденсатор;

5 — насос;

AВС—пар; СDA—конденсат

 

Рис. 1.2. Схема идеального цикла Ренкина паросиловой установки:

АВ — подвод теплоты рабочему телу в парогенераторе,

ВС — преобразование энергии пара в механическую энергию в турбине;

СО — охлаждение пара в конденсаторе;

ОА подача насосом конденсата в парогенератор

 

КПД идеального цикла Ренкина, как и любой тепловой машины, характеризуется отношением теплоты, затраченной на работу, ко всей полученной от нагревателя теплоте:

 

где Q1 — количество теплоты, подведенное к рабочему телу в парогенераторе; Q2 — количество теплоты, отведенного охлаждающей водой в конденсаторе.

Омск 2013


 

Составители:

 

 

Михаил Юрьевич Николаев, к.т.н., доцент.

 

 

1. ПЕРВЫЙ ПРИНЦИП ТЕРМОДИНАМИКИ

 

Закон сохранения энергии в учении о тепловых превращениях получил название первого принципа термодинамики. Рассмотрим действие его на примере некоторой системы С, совершающей механическую работу за счет теплоты. Пусть температура системы С в всех точках одинакова. При подведении теплоты к системе ее энергия увеличивается. Если воздействие на систему сводится только к подведению теплоты, то увеличение энергии системы происходит на величину ΔU=Q. Система может совершить работу за счет уменьшения своей энергии и понижения температуры. Если одновременно происходит подведение к системе теплоты и совершение системой работы А, то изменение энергии системы происходит на величину ΔU’=Q-A . Если энергия системы не изменяется, то A=Q.



Это уравнение в количественной форме выражает первый принцип термодинамики, состоящий в том, что для получения работы без изменения энергии к систем необходимо подводить теплоту. Поэтому невозможно создать двигатель, который мог бы совершать работу, и получая теплоты, т. е. невозможно создать вечный двигатель первого рода.

Можно, не нарушая первого принципа термодинамики, умозрительно представить работу двигателя, в котором теплота передается от менее нагретого тела к боле нагретому и при этом работа не совершается. Такие двигатели получили название вечных двигателей второе рода. Многовековой опыт человечества показал, что создание вечных двигателей второго рода, так же как вечных двигателей первого рода, невозможно.

В термодинамике рассматриваются равновесные состояния тел, температура которых в занимаемом объеме, а также давление, приложенное ко всей поверхности тела, одинаковы.

На современных мощных ТЭС превращение теплоты в работу происходит в циклах, где в качестве рабочего тела используется водяной пар.

Термодинамический цикл преобразования теплоты работу с помощью водяного пара был предложен в середине XIX в. шотландским

инж. У.Ренкиным. Принципиальная технологическая схема ТЭС, работающей по циклу Ренкина (рис. 1.1), состоит из парогенератора 1 турбины 2, электрического генератора 3, конденсатора 4 насоса 5. В парогенераторе происходит сжигание топлива, за счет получаемой теплоты вода нагревается испаряется. Этому процессу на диаграмме цикла Ренкина соответствует участок АВ увеличения объема при постоянном давлении. Пар, получаемый в парогенераторе, направляется в турбину, где происходит его расширение и превращение внутренней энергии пара в механическую, т. е. в турбине совершается полезная работа. процесс расширения пара в турбине в идеальном цикле Ренкина (рис. 1.2) происходит по адиабате ВС. Далее отработанный в турбине пар конденсируется и из конденсатора

 

охлаждающей водой отводится теплота. Конденсации пара соответствует участок СО. Конденсат питательным насосом подается в парогенератор, что сопровождается возрастанием давления воды при постоянном объеме, так как вода несжимаема. Этому процессу соответствует участок ОА.

Рис. 1.1. Технологическая схема тепловой электростанции,

работающей по циклу Ренкина:

1 — парогенератор; 2 — турбина;

3 — электрический генератор;

4 — конденсатор;

5 — насос;

AВС—пар; СDA—конденсат

 

Рис. 1.2. Схема идеального цикла Ренкина паросиловой установки:

АВ — подвод теплоты рабочему телу в парогенераторе,

ВС — преобразование энергии пара в механическую энергию в турбине;

СО — охлаждение пара в конденсаторе;

ОА подача насосом конденсата в парогенератор

 

КПД идеального цикла Ренкина, как и любой тепловой машины, характеризуется отношением теплоты, затраченной на работу, ко всей полученной от нагревателя теплоте:

 

где Q1 — количество теплоты, подведенное к рабочему телу в парогенераторе; Q2 — количество теплоты, отведенного охлаждающей водой в конденсаторе.

ТЕПЛОВЫЕ КОНДЕНСАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

Тепловые конденсационные электрические станции преобразовывают энергию органического топлива вначале в механическую, а затем в электрическую. Механическую энергию упорядоченного вращения вала получают с помощью тепловых двигателей, преобразующих энергию неупорядоченного движения молекул пара или газа.

Все тепловые двигатели подразделяются:

по виду используемого рабочего тела— пар или газ;

по способу преобразования тепловой энергии в механическую—поршневой или роторный (табл. 2.1). В поршневом способе для преобразования используется потенциальная энергия рабочего тела,

Таблица 2.1.

Способ работы Рабочее тело
пар газ
Поршневой Паровая машина Двигатель внутреннего сгорания
Роторный Паровая турбина Газовая турбина

 

 

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 встречается, а широко применявшиеся в прошлом паровозы и пароходы почти полностью сняты с производства.

В настоящее время наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, используемые на автомобильном транспорте.

В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания находят ограниченное применение.

На современных мощных ТЭС устанавливают паровые турбины. Первая паровая турбина, предназначенная для вращения электрического трехфазного генератора, была установлена на Эльберфельдской

 

электростанции в 1899 г. С тех пор началось развитие мощных паротурбинных электростанций.

В качестве тепловых двигателей на электрических станциях используют также газовые турбины.

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

В современных паровых установках, составляющих основу энергетики, используют пар при температуре около 600°С и давлении 30 МПа. Для охлаждения рабочего тела (пара) обычно применяют холодную воду, которая понижает его температуру до 30— 40°С. При этом давление пара резко падает.

На рис. 2.1. схематически показаны стадии преобразования первичной энергии органического топлива в электрическую.

 

Рис. 2.1. Схема преобразования энергии на тепловых станциях.

 

Основные процессы теплового цикла паровых установок, как было показано ранее, происходят в следующих элементах: в парогенераторах— подвод теплоты, в турбинах—расширение пара, в конденсаторах—отвод теплоты, в турбинах—расширение пара, в конденсаторах—охлаждение. С помощью насосов высокого давления производится сжатие, при котором конденсат нагнетается в парогенератор.

Схема тепловой станции, приведенная на рис. 2.2, более подробно показана на рис. 2.3. Работа станции происходит следующим образом. Из бункера 1 (рис. 2.3) уголь поступает в дробильную установку 2, где он превращается в пыль. Угольная пыль вместе с воздухом из воздуходувки 3' подается в топку 3. Теплота, получаемая при сжигании угля, используется для преобразования воды в пар в трубах 4. Вода по змеевику 5 накачивается насосом 14 в барабан котла 5'. Пар, нагретый потоком горячих газов, уходящих в трубу 6, при высокой температуре и высоком давлении поступает сначала в первую ступень турбины 7, а затем во вторую ступень 8. В турбине энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения

 

ротора генератора 9, вырабатывающего электрическую энергию. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор 13, превращается в воду, которая насосом 14 подается в котел, и затем цикл превращения воды повторяется. Охлаждение пара в конденсаторе производится с помощью воды, забираемой из водоема (пруда или реки) 11, накачиваемой насосом 12 и вновь выбрасываемой в водоем. Продукты сгорания угля проходят через очистительные сооружения (не показанные на рис. 2.3), где выделяются зола, твердые частички несгоревшего угля и прочие примеси, а оставшиеся газы через трубу 6 выбрасываются в атмосферу. Электрическая энергия, получаемая от статора генератора, отдается в электрическую систему через выводы 10.

 

Рис. 2.2. Схема преобразования теплоты в электрическую энергию на тепловой станции.

 

 

Рис. 2.3. Схема тепловой конденсационной электрической станции:

_______ топливо; - - - - -горячие газы; ~~~ пар; . . . . . .конденсат;

-.-.-.-.охлаждающая вода

 

Рис. 2.4. Схема работы ТЭЦ в конденсационном режиме.

 

Рис. 2.5. Схема работы ТЭЦ в теплофикационном режиме.

Рассмотрим дополнительно работу одного из основных элементов станции—парогенератора, в котором получают пар для питания станции. Современный парогенератор представляет собой сложное техническое сооружение больших размеров, высота которого соизмерима с высотой пятиэтажного дома. В топке парогенератора сжигается превращенный в мелкую пыль уголь, газ или распыленная нефть при температуре 1500—2000°С. Для наиболее полного сжигания топлива с помощью вентилятора в больших количествах подается подогретый воздух. Появляющаяся в процессе сгорания топлива теплота нагревает воду, превращает ее в пар и увеличивает его температуру и давление до расчетных значении. Использованные горячие 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 меньшем количестве, чем в питьевой воде. Очистка воды производится в специальных устройствах — питателях.

По конструктивному выполнению парогенераторы подразделяют на барабанные и прямоточные.

В барабанном парогенераторе (рис. 2.6) имеется стальной барабан 3, в нижней части которого находится вода, а в верхней части—пар. По циркуляционной трубе 2 вода поступает в трубки экрана 1, покрывающие стенки топки 7. Трубки экрана выполняют стальными, небольшого диаметра (примерно 40 мм снаружи и 32 мм внутри), для того чтобы они смогли выдержать большое давление пара. В крупном парогенераторе каждый час испаряются сотни тонн воды и поэтому трубки имеют общую длину до 50 км.

Рис. 2.6. Схема работы барабанного парогенератора.

 

 

Рис. 2.7. Схема работы барабанного парогенератора с естественной циркуляцией на каменном угле.

Рис. 2.8. Схема работы прямоточного парогенератора.

Рис. 2.9. Принципиальная схема работы прямоточного парогенератора.

 

Чтобы повысить эффективность работы парогенератора, вода перед подачей в барабан нагревается в экономайзере 5, а воздух перед подачей в топку подогревается горячими газами в воздухоподогревателе 6. Выходящий из барабана пар дополнительно нагревается в пароперегревателе 4.

В барабанном парогенераторе происходит естественная циркуляция воды и пароводяной смеси за счет их разных плотностей. С увеличением температуры и давления пара уменьшается разность в плотностях воды и пара, что ухудшает их циркуляцию.

В прямоточном парогенераторе барабана нет. Циркуляция воды и пара создается насосами (рис. 2.8). Вода через водоподогреватель 3 поступает в трубы /, расположенные в топке, превращается в пар, который затем подается в пароперегреватель 2 и далее в турбину. В воздухоподогревателе 4 происходит подогрев воздуха перед подачей его в топку. Прямоточные парогенераторы требуют качественного регулирования подачи воды. Кроме того, к питательной воде, используемой в парогенераторах этого типа, предъявляют очень высокие требования в отношении ее химической чистоты.

Прямоточные котлы получили широкое распространение, так как они дешевле барабанных. У барабанных парогенераторов при высоких давлениях (свыше 20 МПа) нарушается естественная циркуляция воды и пара.

 

ТУРБИНЫ

 

Полученный в парогенераторах перегретый пар при температуре ~600°С и давлении 30 МПа по паропроводам передается в сопла. Сопла предназначены для преобразования внутренней энергии пара в кинетическую энергию упорядоченного движения молекул.

Если перед входом в сопло пар имел некоторую начальную скорость Со и начальное давление P1 (рис. 2.6), то после выхода из сопла в результате расширения пара происходит увеличение его скорости до значения С1 и уменьшение давления до значения P2. Температура пара также при этом значительно понижается.

 

Рис. 2.6. Схема работы активной турбины.

 

После выхода из сопла пар подается на рабочие лопатки турбины. Если турбина активная, то между ее рабочими лопатками расширения пара не происходит, следовательно, давление пара не меняется (рис. 2.6). Абсолютная скорость движения пара уменьшается от C1 до C2 вследствие вращения турбины со скоростью v.

Конструктивно обычно турбина выполняется в виде нескольких ступеней, каждая из которых состоит из одного венца сопловых лопаток и одного венца рабочих лопаток. Сопловые и рабочие лопатки закреплены на окружностях одинакового радиуса.

У реактивной турбины (рис. 2.7.) или ступени происходит расширение пара, проходящего через каналы рабочих лопаток. В зависимости от показателей расширения пара в каналах турбины характеризуют ступенями реактивности.

 

Рис. 2.7. Схема работы активной турбины.

 

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

Изменение параметров пара в реактивной ступени турбины показано на рис. 2.7. В соплах турбины происходит частичное расширение пара до промежуточного давления P1'. Дальнейшее расширение пара до давления, P2 проис­ходит в каналах между лопатками. Абсолютная скорость пара в

сопле увеличивается до значения C1, а в каналах между лопатками уменьшается из-за вращения лопаток до значения С2.

Общий вид лопаток мощной паровой турбины показан на рис. 2.8.

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

 

Рис. 2.8. Общий вид лопаток мощной паровой турбины

 

Появление реактивной силы можно показать на следующем примере. Пусть в бак, установленный на тележке (рис. 2.9), подведен пар под давлением, который в положении I равномерно действует на все стенки. Если убрать пробку, то равновесие бака сразу же нарушится. На правую стенку будет действовать неизменная сила, а сила, действующая на левую стенку, резко уменьшится, так как давление окружающей среды меньше, чем давление в баке. Пар устремится из бака, а тележка под действием реактивной силы начнет двигаться вправо (положение II).

Рис. 2.9. Схема опыта, поясняющего возникновение реактивной силы.

 

КОНДЕНСАТОРЫ

 

Пар, выходящий из турбины, направляют для охлаждения и конденсации в специальное устройство, называемое конденсатором. Конденсатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого имеется большое число латунных трубок. По трубкам протекает охлаждающая вода, поступающая в конденсатор обычно при температуре 10—15°С и выходящая из него при температуре 20—25°С. Пар обтекает трубки сверху вниз, конденсируется и снизу удаляется. Давление в конденсаторе поддерживается в пределах 3—4 кПа, что достигается охлаждением пара.

Расход охлаждающей воды составляет примерно 50—100 кг на 1 кг пара. На электростанции мощностью 1 ГВт расходуется 40 м3/с охлаждающей воды, 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 подается в конденсатор, а с другой стороны пруда сбрасывается нагретая в конденсаторе вода.

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

 

 

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОНДЕНСАЦИОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

 

На ТЭС происходят многократные преобразования энергии, сопровождающиеся потерями. Экономичность процесса преобразования химической энергии топлива в электрическую и потери на различных стадиях производства можно выявить из анализа теплового баланса электрической станции. Если за 100% принять химическую энергию, получаемую при сжигании угля в топках котлов, то в среднем только 25% той энергии превращается в электрическую (рис. 2.10). Наибольшие потери теплоты происходят в конденсаторе. С охлаждающей водой конденсатора уносится 55% теплоты.

 

Рис. 2.10. Тепловой баланс конденсационной электрической станции.

Q и Qэл – теплота, полученная при сжигании топлива и теплота, преобразованная в электрическую энергию.

ΔQтб, ΔQтр, ΔQкт – потери теплоты в конденсаторе, турбогенераторе и котельном агрегате соответственно.

 

3. ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

 

На отечественных ТЭС начинают широко использовать газотурбинные установки (ГТУ). В качестве рабочего тела в них используется смесь продуктов сгорания топлива с воздухом или нагретый воздух при большом давлении и высокой температуре. В ГТУ преобразуется теплота газов в кинетическую энергию вращения ротора турбины.

По конструктивному исполнению и принципу преобразования энергии газовые турбины не отличаются от паровых. Экономичность работы газовых турбин примерно такая же, как и двигателей внутреннего сгорания, а при очень высоких температурах рабочего газа экономичность газовых турбин выше. Кроме того, газовые турбины более компактны, чем паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания аналогичной мощности.

Особенно широкое распространение газовые турбины получили на транспорте. Применение газовых турбин в качестве основных элементов авиационных двигателей позволило в современной авиации достичь больших скоростей, грузоподъемности и высоты полета. Газотурболокомотивы на железнодорожном транспорте конкурен­тоспособны с тепловозами, оборудованными поршневыми двигателями внутреннего сгорания.

Современные газовые турбины в основном работают на жидком топливе, однако кроме жидкого топлива может использоваться газообразное: как естественный природный горючий газ, так и искусственный газ, получаемый особым сжиганием твердых топлив любых видов.

Представляет практический интерес перспектива сжигания угля в местах его залегания. При этом под землю компрессорами в необходимом количестве подается воздух, производится специальное сжигание угля с образованием горючего газа, который затем подается по трубам к газотурбинным установкам. Впервые в мире такая опытная электростанция построена в Тульской области.

Работа газотурбинной установки осуществляется следующим образом. В камеру сгорания 1 подается жидкое или газообразное топливо и воздух (рис. 3.1, а). Получающиеся в камере сгорания газы 2 с высокой температурой и под большим давлением направляются на рабочие лопатки турбины 3. Турбина вращает электрический генератор 4 и компрессор 5, необходимый для подачи под давлением воздуха 6 в камеру сгорания. Сжатый в компрессоре воздух перед подачей в камеру его сгорания подогревается в регенераторе 7 отработанными в турбине горючими газами 8. Подогрев воздуха позволяет повысить эффективность сжигания топлива в камере сгорания.

Общий вид газотурбинной установки приведен на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Принципиальная схема газотурбинной установки:

_ . _ . _ ._ - топливо;

- x – x – x – x – - воздух;

. . . . . . . . – продукты сгорания;

 

4. ПАРОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ

 

Отработанные в ГТУ газы имеют высокую температуру, что неблагоприятно сказывается на КПД термодинамического цикла. Совмещение газо- и паротурбинных агрегатов таким образом, что в них происходит совместное использование теплоты, получаемой при сжигании топлива, позволяет на 8—10% повысить экономичность работы установки, называемой парогазовой, и снизить ее стоимость на 25%.

Парогазовые установки, использующие два вида рабочего тела — пар и газ — относятся к бинарным. В них часть теплоты, получаемой при сжигании топлива в парогенераторе, расходуется на образование пара, который затем направляется в турбину (рис. 4.1). Охлажденные до температуры 650—700°С газы попадают на рабочие лопатки газовой турбины. Отработанные в турбине газы используются для подогрева питательной воды, что позволяет уменьшить расход топлива и повысить КПД всей установки, который может достичь примерно 44%.

Парогазовые установки могут работать также по схеме, в которой отработанные в газовой турбине газы поступают в паровой котел. Газовая турбина в этом случае служит как бы частью паросиловой установки. В камере сгорания газотурбинной установки сжигается 30—40% топлива, а в парогенераторе — остальное топливо.

Газотурбинные установки могут работать только на жидком или газообразном топливе, так как продукты сгорания твердого топлива, содержащие золу и механические примеси, оказывают вредное влияние на лопатки газовой турбины. В газотурбинных установках, так же как и в обычных паросиловых установках, тепловая энергия преобразуется в механическую в турбинах и механическая энергия—в электрическую в генераторах. Эта схема электромеханического преобразования энергии требует использования материалов, способных выдерживать большие механические нагрузки при больших частотах вращения вала турбины и высоких температурах. Ограниченная прочность материалов вынуждает использовать пар при температурах не выше 600°С, в то время как температура сжигаемого топлива достигает 2000°С. Сокращение разницы этих температур позволит существенно повысить КПД тепловых установок.

 

 

Рис. 4.1. Принципиальная схема парогазовой установки.

1 – парогенератор; 2 – компенсатор;

3 – газовая турбина; 4 – генератор;

5 – паровая турбина; 6 – конденсатор; 7 – насос;

8 – экономайзер, ~ ~ ~ ~ - пар;

. . . . . . – вода и конденсат;

______ - топливо; - x – x – x – x – воздух;

- ● - ● - ● - ● - - продукты сгорания;

- . - . - . - . - - охлаждающая вода.

 

5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

 

Основой изучения работы ГЭС, преобразующих энергию воды в электрическую энергию, является наука, называемая гидравликой; она включает в себя гидростатику, изучающую равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучающую движение жидкостей.

Мощность потока воды, протекающего через некоторое сечение—створ, определяется расходом воды Q, высотой между уровнем воды в верхнем по течению бассейне (верхнем бьефе) и уровнем воды в нижнем по течению бассейне (нижнем бьефе) в месте сооружения плотины. Разность уровней верхнего и нижнего бассей­нов называется напором. Мощность потока в створе (кВт) можно определить посредством расхода (м3/с) и напора (м):

В двигателях ГЭС можно использовать только часть мощности потока воды в створе из-за неизбежных потерь мощности в гидротехнических сооружениях, турбинах и генераторах, учитываемых коэффициентом полезного действия η. Таким образом, приближенно мощность ГЭС

P=9.81QH η.

Напор Н увеличивают на равнинных реках с помощью плотины (рис. 5.1, а), а в горных местностях строят специальные обводные каналы, называемые деривационны­ми (рис. 5.1, б).

 

 

Рис. 5.1. Схема создания напора:

а – с помощью плотины; б – с помощью деривационного канала:

1 – канал; 2 – напорный бассейн; 3 – турбинные водоводы; 4 – здание ГЭС; 5 – русло реки; 6 – плотина.

 

В гидравлических турбинах преобразуется энергия воды в механическую энергию вращения вала турбины. Турбина называется активной, если используется динамическое давление воды, и реактивной, если используется статическое давление при реактивном (см. рис. 5.2) эффекте.

Рис. 5.2. Схема работы активной турбины:

а – схема турбинной установки; б – рабочее колесо; 1 – верхний бьеф;

2 – трубопровод; 3 – сопло; 4 – рабочее колесо; 5 – кожух;

6 – отклонитель; 7 – лопасти (ковши)

 

В ковшовой активной турбине (рис. 5.2, а) потенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке—сопле—полностью превращается в кинетическую энергию движения воды. Рабочее колесо турбины выполнено в виде диска, по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти (рис. 5.2, б). Вода, огибая поверхности лопастей, меняет направление движения. При этом возникают центробежные силы, действующие на поверхности лопастей, и энергия движения воды преобразу­ется в энергию вращения колеса турбины.

Если скорость движения воды, вытекающей из турбины, равна нулю, то вся кинетическая энергия воды, не считая потерь, превращается в механиче­скую энергию турбины.

Внутри сопла расположена регулирующая игла (рис. 5.2), перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды.

В реактивной гидравлической турбине на лопастях рабочего колеса пре­образуется как кинетическая, так и потенциальная энергия воды в механиче­скую энергию турбины. Вода, поступающая на рабочее колесо турбины, об­ладает избыточным давлением, которое по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса уменьшается. При этом вода оказывает реактивное давление на лопасти турбины и слагающая потенциальной энергии воды превращается в механическую энергию рабочего колеса турбины.

За счет кривизны лопастей изменяется направление потока воды, при котором, как и в активной турбине, кинетическая энергия воды в результате действия центробежных сил превращается в механическую энергию турбины Рабочее колесо реактивной турбины в отличие от активной полностью находится в воде, т. е. поток воды поступает одновременно на все лопасти рабочего колеса.

Виды турбин показаны на рис. 5.3.

Рис. 5.2. Виды рабочих колес турбин:

а) радиально-осевая; б) пропеллерная; в) поворотно-лопастная;

г) двухперовая; д) диагональная.

 

У радиально-осевых турбин лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода, поступающая с направляющего аппарата, постепенно меняет направление с радиального на осевое. Такие турбины ис­пользуют в широком диапазоне напоров от 30 до 600 м. В настоящее время созданы уникальные радиально-осевые турбины мощностью 700 МВт.

Пропеллерные турбины обладают простой конструкцией и высоким КПД, однако у них с изменением нагрузки КПД резко уменьшается.

У поворотно-лопастных гидротурбин в отличие от пропеллерных лопасти рабочего колеса поворачиваются при изменении режима работы для поддержания высокого значения КПД.

Двухперовые турбины имеют спаренные рабочие лопасти, что позволяет повысить расход воды. Широкое применение их ограничено конструктивными сложностями. Сложная конструкция свойственна также диагональным турбинам, у которых рабочие лопасти поворачиваются относительно своих осей.

Радиально-осевые турбины установлены на Братской, Красноярской ГЭС и др. Поворотно-лопастными турбинами оборудованы Куйбышевская, Волгоградская, Каховская и Кременчугская ГЭС и др.

На электрических станциях турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной. Кроме того, необходимо учитывать, что при небольших частотах вращения турбины получаются громоздкими и дорогими. Чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента быстроходности, а при небольших напорах с большими значениями этого коэффициента.

Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощности турбин изменяются от нескольких киловатт до 500 МВт, а частота вращения изменяется от 16*2/3 до 1500 мин-1.

В последнее время стали применяться горизонтальные агрегаты (капсульные), в которых генератор заключен в герметичную капсулу, обтекаемую водой. КПД таких агрегатов выше (95—96%) благодаря лучшим гидравлическим условиям обтекания. Такими агрегатами оборудованы, например, Киевская и Каневская ГЭС.

При сооружении ГЭС обычно решают комплекс народнохозяйственных задач, в который помимо выработки электрической энергии входит регулирование стока воды и улучшение судоходства реки, создание орошаемых массивов, развитие энергоемких производств, использующих местное сырье, и т. д.

На равнинных реках ГЭС с плотинной схемой концентрации напора разделяются на два типа: русловые и приплотинные. При напоре до 30 м здание станции, как и плотина, воспринимает напор и располагается в русле реки (рис. 2.20, а). Такие ГЭС называются русловыми. Так как с ростом напора увеличивается объем строительных работ по сооружению зданий русловых гидроэлектростанций, то при напорах, превышающих 25—30 м, здание станции помещается за плотиной. Такие ГЭС называются приплотинными. На них весь напор воспринимается плотиной.

 

В настоящее время на равнинных реках сооружают станции, напор которых достигает 100 м, например на Братской ГЭС, построенной на Ангаре, и на Асуанской ГЭС, построенной в Египте.

 

6. ПРИЛИВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

 

Энергия морских приливов, или, как иногда ее называют, «лунная энергия», известна человечеству со времен глубокой древности. Эта энергия еще в далекие исторические эпохи использовалась для приведения в движение различных механизмов, в особенности мельниц. В Германии с помощью энергии приливной волны орошали поля, в Канаде—пилили дрова. В Англии приливная водоподъемная машина служила в прошлом веке для снабжения Лондона водой.

Существует огромное количество ост






Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций...

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства...





© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав

0.036 с.