Электрические станции

ГЛАВА 1 ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Основные понятия и определения

Энергетической системойназывается совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразова­ния и распределения электрической энергии и теплоты при общем управ­лении

этим режимом (рис.1.1). Электроэнергетическая система(ЭЭС) – это совокупность электри­че­ских частей электростанций, электрических сетей и потребителей элек­тро­энергии, связанных общностью режимов и непрерывностью процесса произ­водства, распределения и потребления электрической энергии. Элек­троэнер­гетическая система – часть энергосистемы, за исключением тепло­вых сетей и тепловых потребителей.

Энергетическое производство, и в особенности производство элек­тро­энергии, обладает рядом особенностей, кардинально отличающих энергети­ческое производство от других отраслей промышленности.

Первая и важнейшая особенность электроэнергетической системы за­ключается в том, что производство электроэнергии, ее распределение и пре­образование в другие виды энергии осуществляются практически в один и тот же момент времени. Другими словами, электроэнергия нигде не аккуму­лируется. Именно эта особенность превращает всю сложную элек­троэнерге­тическую систему, отдельные звенья которой могут быть геогра­фически уда­лены на многие сотни километров, в единый механизм, и при­водит к тому, что все элементы системы взаимно связаны и взаимодейст­вуют. Энергия, произведенная в системе, равна энергии, потребленной в ней. Это равенство справедливо для любого короткого промежутка вре­мени, т.е. между мощно­стями энергосистемы имеется точный баланс.

Таким образом, одновременность процессов производства, распределе­ния и преобразования электроэнергии превращает электроэнергетическую сис­тему в единое целое.

Вторая особенность электроэнергетической системы — это отно­си­тель­ная быстрота протекания переходных процессов в ней. Волновые про­цессы совершаются в тысячные или даже миллионные доли секунды; про­цессы, связанные с короткими замыканиями, включениями и отключе­ниями, кача­ниями, нарушениями устойчивости, совершаются в течение долей секунды или нескольких секунд.

Третья особенность электроэнергетической системы заключается в том, что она тесно связана со всеми отраслями промышленности, связью, транс­портом и т. п. Эта связь осуществляется гигантской совокупностью разнооб­разнейших приемниковэлектрической системы, получающей пи­тание элек­троэнергией от современной энергетической системы. Эта осо­бенность энер­гетической системы резко повышает актуальность обеспече­ния надежности работы энергосистемы и требует создания в энергетиче­ских системах доста­точного резерва мощности во всех ее элементах.

Электростанции (ЭС) – это электроустановки производящие элек­триче­скую или электрическую и тепловую энергию.

Электрические сети– это совокупность электроустановок для пере­дачи и распределения электрической энергии на определенной территории.

Потребители электрической энергии – это электрические части тех­ноло­гических установок или механизмов, получающие электрическую энергию из сети и расходующие её на исполнение технологических про­цессов.

Электрические станции

Ключевым элементом электроэнергетической системы является элек­тростанция — преобразователь какой-либо первичной энергии в элек­триче­скую. Электростанции принято классифицировать по виду исполь­зуемой первичной энергии и виду применяемых преобразователей. Такая классифи­кация представлена на рис. 1.2. Как и всякая классификация, она является ус­ловной.

Традиционная электроэнергетика основана на использовании энер­гии органических топлив (теплоэнергетика), энергии воды (гидроэнер­ге­тика) и

Электростанции

Традиционные ЭС

Тепловые  

Нетрадиционные ЭС

Малые гидроЭС

Морские

Паротурбинные ТТЭС

Конденсационные

Ветровые

Теплоэлектро- централи

Солнечные

Газотурбинные

Геотермальные

Термоядерные ЭС

Парогазовые

Гидравлические

Речные

Гидроаккумулирующие

Атомные

АЭС на быстрых нейтронах нейтронах  

АЭС на тепловых нейтронах нейтронах  

Рис. 1.2

ядерного топлива (атомная энергетика). Характерные черты тра­ди­цион­ной электроэнергетики — хорошая освоенность на основе длитель­ной про­верки в условиях эксплуатации (самой «молодой» атомной энергетике всего 50 лет). Основную долю электроэнергии в мире и России получают на базе традиционных электростанций, единичная мощность установок которых, часто превышает 1000 МВт. Самыми «мо­лодыми» в традиционной энерге­тике являются парогазовые установки (ПГУ), «возраст» которых чуть больше 20 лет.

По виду первичного источника энергии, преобразуемого в электриче­скую или тепловую энергию, традиционные электростанции де­лятся на: теп­ловые (ТЭС), в отечественной энергетике на их долю прихо­дится до 80 % выработанной электроэнергии; гидравлические (ГЭС), на них вырабатыва­ется около 8% всей электроэнергии; и атомные (АЭС), удельный вес которых в суммарном производстве электроэнергии состав­ляет примерно 12%.

На тепловых паротурбинных электростанциях химическая энергия сжи­гаемого топлива преобразуется в парогенераторе в энергию водяного пара с высокими термодинамическими параметрами ( до 550^оС и до 250 ат.), при­водящего во вращение турбоагрегат (паровую турбину, соеди­ненную с генератором). Топливом для электростанций в основном служит уголь, газ и мазут. По характеру обслуживания потребителей паротурбин­ные ТЭС делят на конденсационные (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).

Основные особенности КЭС:

- вырабатывают только электрическую энергию;

- сооружаются в местах добычи энергетического топлива и при наличии больших запасов водных ресурсов;

- являются низко-маневренными станциями, поэтому обычно работают с постоянным графиком нагрузки;

- удалены от потребителей электроэнергии, что определяет выдачу мощ­ности в энергосистему на высоком и сверхвысоком напряжении;

- КПД достигает 40 %.

ТЭЦ предназначены для централизованного снабжения промышлен­ных предприятий и городов электроэнергией и теплом. Являясь, как и КЭС, теп­ловыми паротурбинными электростанциями, они отличаются от последних использованием тепла «отработанного» в турбинах пара для нужд промыш­ленного производства, отопления и горячего водоснабжения.

Основные особенности ТЭЦ:

- вырабатывают электрическую и тепловую энергии;

- сооружаются вблизи центров электрических и тепловых нагрузок;

- основную часть мощности выдают в местную сеть непосредственно на генераторном напряжении, а оставшуюся ее часть в энергосистему на по­вы­шенном напряжении;

- графики выработки электрической и тепловой энергий взаимосвязаны;

- в оптимальном режиме работы КПД достигает 60 – 65%.

Основу современных газотурбинных электростанций составляют газо­вые турбины мощность 25 – 100 МВт. Топливо (газ, дизельное горю­чее) по­дается в камеру сгорания, туда же компрессором нагнетается сжа­тый воздух. Горячие продукты сгорания отдают свою энергию газовой турбине, которая вращает компрессор и синхронный генератор. Запуск ус­тановки осуществля­ется при помощи разгонного двигателя и длится 1 – 2 мин, в связи с чем газо­турбинные установки отличаются высокой манев­ренностью и пригодны для покрытия пиков нагрузки в энергосистеме и часто используются в качестве агрегатов гарантированного питания. Ос­новная часть теплоты, получаемая в камере сгорания установки, выбрасы­вается в атмосферу, поэтому общий КПД таких электростанций составляет 25 – 30%.

Для повышения экономичности газовых турбин разработаны парогазо­вые установки. В них топливо сжигается в топке парогенератора, пар из ко­торого направляется в паровую турбину. Продукты сгорания из парогенера­тора направляются в газовую турбину. Таким образом, парога­зовые уста­новки имеют два электрических генератора: один приводится во вращение паровой турбиной, а второй газовой. При этом мощность газовой турбины составляет около 20% паровой.

На ГЭС для получения электроэнергии используется энергия водя­ных по­токов. Первичными двигателями на ГЭС являются гидротурбины, которые приводят во вращение синхронные гидрогенераторы. Мощность, развиваемая гидроагрегатом, пропорциональна напору и расходу воды. На ГЭС, как пра­вило, напор воды создается плотиной. Водное пространство перед плотиной называется верхним бьефом, а ниже платины - нижним бьефом. Разность уровней верхнего и нижнего бьефа определяет напор. Верхний бьеф образует водохранилище, в котором накапливается вода, ис­пользуемая по мере необ­ходимости для выработки электроэнергии. ГЭС обычно удалены от центров потребления, так как место их строительства определяется в основном при­родными условиями. Поэтому электроэнер­гия, вырабатываемая ГЭС, выда­ется в энергосистему на высоком и сверх­высоком напряжении. Отличитель­ной особенностью ГЭС является не­большое потребление электроэнергии на собственные нужды, которое обычно в несколько раз меньше, чем на ТЭС. Технология производства электроэнергии на ГЭС довольно проста и легко поддается автоматизации. Пуск агрегата ГЭС занимает не более минуты, по­этому резерв мощности в энергосистеме целесообразно обеспечивать именно этими агрегатами. КПД ГЭС обычно составляет 85 – 90 %.

Особую роль в современных энергосистемах выполняют гидроаккуму­ли­рующие станции (ГАЭС). Эти электростанции имеют как минимум два бассейна – верхний и нижний с определенными перепадами высот между ними. В здании ГАЭС устанавливаются так называемые об­ратимые гидроаг­регаты. В часы минимума нагрузки энергосистемы гене­раторы ГАЭС пере­водят в двигательный режим, а турбины – в насосный. Потребляя мощность из сети, таки гидроагрегаты перекачивают воду по трубопроводу из нижнего бассейна в верхний. В период максимальных на­грузок, когда в энергосистеме образуется дефицит мощности, ГАЭС выра­батывают электроэнергию как традиционная ГЭС. Таким образом, приме­нение ГАЭС помогает выравни­вать график нагрузки энергосистемы, что повышает экономичность работы тепловых и атомных электростанций.

АЭС – это по существу тепловые электростанции, которые исполь­зуют тепловую энергию ядерных реакций.

Одним из основных элементов АЭС является реактор, в котором про­ис­ходит расщепления урана 235 под действием тепловых нейтронов с вы­деле­нием огромного количества тепловой энергии. Для осуществления управляе­мой реакции деления ядер урана в реакторе, кроме топлива (урана 235), дол­жен быть замедлитель и поглотитель нейтронов и теплоноситель, отводящий тепло из реактора. В качестве теплоносителя и замедлителя чаще всего ис­пользуется обычная вода под давлением, в качестве поглоти­теля нейтронов – графит. АЭС расходуют незначительное количество то­плива, 1 грамм урана заменяет примерно 2,5т угля, поэтому они особенно эффективны в районах, бедных топливными ресурсами.

Перспективными являются АЭС с реакторами на быстрых нейтро­нах, ко­торые могут использоваться для получения тепла и электроэнергии, а также и для воспроизводства ядерного горючего. Реакторы такого типа имеют активную зону, где происходит ядерная реакция с выделением по­тока быстрых нейтронов. Эти нейтроны воздействуют на элемент из при­родного урана 238, который обычно в ядерных реакциях не используется, и превра­щают его в плутоний 239, который впоследствии может быть ис­пользован на АЭС в качестве ядерного горючего. Тепло ядерной реакции отводится жид­ким натрием и используется для выработки электроэнергии.

АЭС не имеют выбросов дымовых газов и не имеют отходов в виде золы и шлаков. Однако удельное тепловыделение в окружающую воду у АЭС больше, чем у ТЭС.

Нетрадиционная электроэнергетикав своем большинстве также ос­но­вана на традиционных принципах, но первичной энергией в них слу­жат либо источники местного значения (ветровые электростанции, солнеч­ные электро­станции, малые гидроэлектростанции и др.), либо источники бу­дущего (тер­моядерная энергетика). Характерными признаками нетра­ди­ционной энерге­тики являются их экологическая чистота, существенно большие удельные за­траты на строительство (достаточно сказать, что для солнечной ТЭС мощно­стью 1000 МВт требуется собирать солнечную энергию с площади 2x2 км) и малая единичная мощность.

Традиционную и нетрадиционную электроэнергетику не следует срав­нивать и противопоставлять друг другу. Для каждой из них имеется свое ме­сто.

В традиционной энергетике в мировом масштабе в настоящее время преобладает теплоэнергетика: на базе нефти вырабатывалось 39 % элек­тро­энергии, угля — 27 %, газа — 24 %, т.е. 90 % электроэнергии. На АЭС выра­батывается - 7 %, а на ГЭС — всего 3 %. Однако при этом надо иметь в виду существенные региональные отличия, вызванные в первую очередь наличием соответствующих ресурсов. Например, энергетика таких стран, как Польша, ЮАР, практически целиком основана на использовании угля, а Нидерландов — газа. Очень велика доля теплоэнергетики в Китае, Авст­ралии, Мексике.

В ряде стран преобладают ГЭС. В Норвегии и Бразилии вся выра­ботка электроэнергии происходит на ГЭС. Можно привести список из не­скольких десятков стран, где доля выработки ГЭС превышает 70 %.

По доле АЭС в выработке электроэнергии первенствует Франция (около 80 %). Преобладает она в Бельгии, республике Корея и некоторых других странах.

Для оценки перспектив ТЭС, прежде всего, необходимо осознать их преимущества и недостатки в сравнении с другими источниками электро­энергии.

К числу преимуществ следует отнести следующие:

1. В отличие от ГЭС, тепловые электростанции можно размещать от­но­си­тельно свободно с учетом используемого топлива. Газомазутные ТЭС мо­гут быть построены в любом месте, так как транспорт газа и мазута от­но­си­тельно дешев (по сравнению с углем). Пылеугольные ТЭС желательно раз­мещать вблизи источников добычи угля. К настоящему времени «угольная» теплоэнергетика сложилась и имеет выраженный региональ­ный характер.

2. Удельная стоимость установленной мощности (стоимость 1 кВт уста­новленной мощности) и срок строительства ТЭС значительно меньше, чем АЭС и ГЭС.

3. Производство электроэнергии на ТЭС, в отличие от ГЭС, не зависит от сезона и определяется только доставкой топлива.

4. Площади отчуждения хозяйственных земель для ТЭС существенно меньше, чем для АЭС, и, конечно, не идут ни в какое сравнение с ГЭС, влия­ние которых на экологию может иметь далеко не региональный харак­тер. Примерами могут служить каскады ГЭС на р. Волге и Днепре.

5. На ТЭС можно сжигать практически любое топливо, в том числе са­мые низкосортные угли, забалластированные золой, водой, породой.

6. В отличие от АЭС, нет никаких проблем с утилизацией ТЭС по за­верше­нии срока службы. Как правило, инфраструктура ТЭС сущест­венно «пе­реживает» основное оборудование (котлы и турбины), установ­ленное на ней, здания, машинный зал, системы водоснабжения и топливоснабже­ния и т.д., которые составляют основную часть фондов, еще долго служат. Боль­шин­ство ТЭС, построенных более 80 лет по плану ГОЭЛРО, до сих пор рабо­тают, и будут работать дальше после установки на них новых, бо­лее со­вер­шенных турбин и котлов.

Наряду с этими достоинствами, ТЭС имеет и ряд недостатков:

1. ТЭС — самые экологически «грязные» источники электроэнергии, осо­бенно те, которые работают на высокозольных сернистых топливах. Правда, сказать, что АЭС, не имеющие постоянных выбросов в атмосферу, но создающие постоянную угрозу радиоактивного загрязнения и имеющие проблемы хранения и переработки отработавшего ядерного топлива, а также утилизации самой АЭС после окончания срока службы, или ГЭС, затопляю­щие огромные площади хозяйственных земель и изменяющие ре­гиональный климат, являются экологически более «чистыми» можно лишь со значитель­ной долей условности.

2. Традиционные ТЭС имеют сравнительно низкую экономичность (луч­шую, чем у АЭС, но значительно худшую, чем у ПГУ).

3. В отличие от ГЭС, ТЭС с трудом участвуют в покрытии переменной части суточного графика электрической нагрузки.

4. ТЭС существенно зависят от поставки топлива, часто привозного.

Несмотря на все эти недостатки, ТЭС являются основными производите­лями электроэнергии в большинстве стран мира и останутся таковыми, по крайней мере на ближайшие 50 лет.

Перспективы строительства мощных конденсационных ТЭС тесно свя­заны с видом используемых органических топлив. Несмотря на боль­шие преимущества жидких топлив (нефти, мазута) как энергоносителей (высокая калорийность, легкость транспортировки) их использование на ТЭС будет все более и более сокращаться не только в связи с ограниченно­стью запасов, но и в связи с их большой ценностью как сырья для нефте­химической про­мышленности. Для России немалое значение имеет и экс­портная ценность жидких топлив нефти. Поэтому жидкое топливо (мазут) на ТЭС будет ис­пользоваться либо как резервное топливо на газомазутных ТЭС, либо как вспомогательное топливо на пылеугольных ТЭС, обеспечи­вающее устойчи­вое горение угольной пыли в котле при некоторых режи­мах.

Использование природного газа на конденсационных паротурбинных ТЭС нерационально: для этого следует использовать парогазовые уста­новки утилизационного типа, основой которых являются высокотемпера­турные ГТУ.

Таким образом, далекая перспектива использования классических паро­турбинных ТЭС и в России, и за рубежом, прежде всего, связана с ис­пользо­ванием углей, особенно низкосортных. Это, конечно, не означает прекраще­ния эксплуатации газомазутных ТЭС, которые будут постепенно заменяться ПГУ.

С целью повышения надежности электроснабжения и получения оп­ре­деленного экономического эффекта электростанции объединяются на парал­лельную работу в районные энергосистемы, которые в свою очередь – в объ­единенные энергосистемы. Объединение электростанций в энерго­системы дает ряд существенных преимуществ:

- повышается надежность электроснабжения;

- уменьшается требуемый резерв мощности в энергосистеме;

- улучшаются условия загрузки агрегатов благодаря выравниванию гра­фика нагрузки и снижению максимума нагрузки энергосистемы;

- появляется возможность более полного использования генерирующих мощностей электростанций, обусловленная различием в их географиче­ском месторасположении;

- улучшаются технико-экономические показатели энергетического обору­дования из-за возможности использования более мощных и экономич­ных агрегатов.

Электрическая часть электростанций включает в себя разнообразное ос­новное и вспомогательное оборудование.

К основному оборудованию, предназначенному для производства и рас­пределения электроэнергии, относятся: синхронные генераторы; сбор­ные шины (токоведущие части и их изоляторы), предназначенные для приема электроэнергии от генераторов; коммутационные аппараты; электроприем­ники собственных нужд – насосы, вентиляторы и др. Вспомога­тельное элек­трооборудование предназначено для выполнения вспомога­тельных функций, к нему относятся:

- устройства релейной защиты – для обнаружения факта и места повреж­дения в электроустановке и для выдачи команды на отключение повреж­ден­ного элемента;

- устройства автоматики – для автоматического включения или переклю­чения цепей и устройств, а также для автоматического регулирова­ния ре­жимов работы элементов электроустановок;

- устройства сигнализации – сообщают об отклонении режима работы объ­екта от заданного, о перегрузках и нарушениях нормальной работы раз­личных элементов электрооборудования, о замыканиях на землю и других авариях;

- контрольно-измерительные приборы для контроля за работой основ­ного оборудования электростанции, качеством электроэнергии, а также для учета выработанной и отпущенной электроэнергии.

Дата добавления: 2015-10-21