Газотурбинные установки. Исполнитель

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.

{spoiler=Подробнее}

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.

В особенности широкое распространение газовые турбины получили на транспорте. Применение газовых турбин в качестве основных элементов авиационных двигателей позволило в современной авиации достичь больших скоростей и высоты полета.

Современные газовые турбины в основном работают на жидком топливе, однако кроме жидкого топлива может использоваться и газообразное: как естественный природный, горючий газ, так и искусственный газ, получаемый особым сжиганием твердых топлив любых видов. Работа газотурбинной установки осуществляется следующим образом. В камеру сгорания 1 подается жидкое или газообразное топливо и воздух (рис). Получающиеся в камере сгорания газа 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 сгорания подогревается в регенераторе 7 отработанными в турбине горючими газами 8. Подогрев воздуха позволяет повысить эффективность сжигания топлива в камере сгорания.

                            7                           1

           8                                                                     2

                                                                              3

                         6                                                                 ~     -4

                                       5                                                         

рис. Принципиальная схема газотурбинной установки.

::::    -продукты сгорания

         -топливо

////   -воздух   

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. Охлажденные до температуры 650-700⁰С 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%.

Гидравлические энергетические станции.

Основой изучения работы ГЭС, преобразующих энергию воды в электрическую энергию, является наука, называемая гидравликой. Она включает в себя гидростатику, изучающую равновесие жидкостей и гидромеханику, 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 напоре (м).

Р = 9,81 QH

Мощность ГЭС:        Р = 9,81QHh

Где h - КПД.

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 эффекте.

I                                                           II

                       Р                                                                    Р                                 реактивная

                                                                                                                                            сила

рис. Схема опыта, поясняющего возникновение реактивной силы.

Пояснение к схеме: к баку, установленному на тележке, 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 низменная сила, а сила, действующая на левую стенку, резко уменьшится, т.к. давление окружающей среды меньше, чем давление в баке. Пар устремится из бака, а тележка под действием реактивной силы начнет двигаться вправо (положение II).

На электрических станциях турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно. Они зависят от числа пологов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной.

На равнинных реках ГЭС с плотинной схемой концентрации напора разделяются на два типа: русловые и плотинные. При напоре 30м здание станции, как и плотина, воспринимает напор и располагается в русле реки. Такие ГЭС называются русловыми, а при напорах, превышающих 25-30м, здание станции помещается за плотиной, такие ГЭС называются приплотинными. На них весь напор воспринимается плотиной.

Аккумулирующие электрические станции.

Производство эл. энергии на электрических станциях и ее потребление различными приемниками представляют собой процессы, взаимосвязанные таким образом, что в силу физических закономерностей мощность потребления эл. энергии в какой либо момент времени должна быть равна генерируемой мощности.

График нагрузки некоторого района или города, представляющий собой изменение во времени суммарной мощности всех потребителей имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одни часы суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другие часы часть генераторов или эл. станций должна быть отключена или должна работать с уменьшенной нагрузкой. Число эл. станций и их мощность определяются относительно непродолжительным максимумом нагрузки потребителей.

Регулирование мощности ГЭС производится следующим образом. В периоды времени, когда в системе имеются провалы нагрузки, ГЭС работают с незначительной мощностью и вода заполняет водохранилище. При этом запасается энергия. С наступлением пиков включаются агрегаты станции и вырабатывается энергия.

Накопление энергий в водохранилищах на равнинных реках приводит к затоплению обширных территорий, что во многих случаях крайне нежелательно. Задачу снятия пиков решают гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), работающие следующим образом (рис)

  1

                                                               рис. Схема работы

                                                               гидроаккумулирующей станции.

2           3                 А.             А - схема станции:

                           4                    1 – верхний бассейн;

                                                 2 – водовод;

                                                 3 – здание ГАЭС;

                                                 4 – нижний бассейн.

                                                 Б, В, Г – компоновка агрегатов

          Т          г            н       д            Б.             станции четырех машинная,

                                                                                  трех машинная и

                                                                                              двухмашинная.

          Т                 г,д       н                В.

         Т, н              г, д                          Г.

В режиме непродолжительных пиков – максимальных значений нагрузки- ГАЭС работает в генераторном режиме и расходует запасную в верхнем бассейне воду.

На первых ГАЭС для выработки эл. энергии использовали турбины Т и генераторы г, а для перекачки воды в верхний бассейн – электрические двигатели д и насосы н (рис. Б), такие станции называли четырех машинными, по числу устанавливаемых машин. В силу независимости работы генератора и насоса иногда четырехмашинная схема оказывается экономически более выгодной. Совмещение функций генератора и двигателя привело к трехмашинной компоновке ГАЭС (рис. В). ГАЭС стали особенно эффективными после появления обратимых гидротурбин, выполняющих функции и турбин и насосов (рис. Г). Число машин при этом сведено к двум. Однако станции с двухмашинной компоновкой имеют более низкое значение КПД из-за необходимости создавать в насосном режиме примерно в 1,3-1,4 раза больший напор на преодоление трения в водоводах. В генераторном режиме напор из-за трения в водоводах меньше. Для того чтобы агрегат одинаково эффективно работал как в генераторном, так и в насосном режимах, можно в насосном режиме увеличить его частоту вращения.

Электрические установки, аккумулирующие электроэнергию.

Такие установки в виде индуктивных или емкостных накопителей могут подключаться через выпрямитель к сети переменного тока. Индуктивные – получают заряд:

Э_L = LI²/2,

где I – выпрямленный ток;

      L – индуктивность.

Емкостные – заряжаются до велечины:

Эс = СU²/2,

где U – выпрямленное напряжение

      С – емкость конденсаторов.

Для уменьшения потерь и длительного сохранения накопленной энергии применяются специальные мероприятия (охлаждения, уменьшения активного сопротивления, увеличения L и C и т.д.). Накопленная энергия Э_L и Э_C отдается в сеть через преобразователь в виде энергии переменного тока.

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 различных механизмов, в особенности мельниц.

Приливные электрические станции (ПЭС) выгодно отличаются от ГЭС тем, что их работа определяется космическими явлениями и не зависит от многочисленных погодных условий, определяемых случайными факторами.

Наиболее существенный недостаток ПЭС – неравномерность их работы. Неравномерность приливной энергии в течение лунных суток и лунного месяца, отличающихся от солнечных, не позволяет систематично использовать ее в периоды максимального потребления в системах. Можно компенсировать неравномерность работы ПЭС, совместив ее с ГАЭС.

ПЭС работают в условиях быстрого изменения напора, поэтому их турбины должны иметь высокие КПД при переменных напорах. В настоящее время создана достаточно совершенная и компактная горизонтальная турбина двойного действия. Электрический генератор и часть деталей турбины заключены в водонепроницаемую капсулу, и весь агрегат погружен в воду.

Атомные электрические станции.

На АЭС энергия, получаемая в результате деления ядер урана на осколки, превращается в тепловую энергию пара или газа, затем в электрическую энергию, т.е. в энергию движения электронов в проводнике. Получаемая при делении ядер энергия почти полностью превращается в теплоту. Установка, в которой происходит управляемая ценная ядерная реакция деления, называется ядерным реактором.

Обычная ТЭС принципиально отличается от АЭС только тем, что рабочее тело на них получает теплоту в парогенераторах при сжигании органического топлива (на АЭС – в ядерных реакторах). Для подогревания воды и превращения ее в пар в ТЭС используется теплота, получаемая при сжигании угля, а в АЭС – теплота, получаемая с помощью управляемой ядерной реакции деления.

Теплота, выделяемая в реакторе, может передаваться рабочему телу теплового двигателя (турбины) по одноконтурной, двухконтурной и трехконтурной схемам.

Электроэнергетика.

Открывающиеся перспективы электроэнергетики – новый этап в экономическом, политическом и культурном развитии человечества.

Электрическая энергия обладает кардинальными преимуществами по сравнению с другими видами энергии.

 Внедрение электротехники в народное хозяйство служит мощным фактором, устраняющим противоположности между городом и деревней.

В России и других бывших республиках развивалась электроэнергетика с момента создания плана ГОЭЛРО 24 марта 1920 года под председательством ГМ Кржижановского.

В плане ГОЭЛРО предусматривалось:

-         наиболее экономичное использование топлива, достигаемой  параллельной работой ТЭС и ГЭС;

-         широкое  использование на электростанциях местных топливных ресурсов;

-         сооружение ГЭС в особенности в районах, бедных органическим топливом;

-         создание высоковольтных электрических сетей, объединяющих мощные станции.

План ГОЭЛРО был реализован в кратчайший из намеченных сроков – за 10 лет 1931 г.

План представляет не только исторический интерес, его принципы в настоящее время используются при решении задач, связанных с созданием Единой энергетической системы бывших союзных государств. Так, в 20-е годы СССР занимала одно из последних мест по выработке электроэнергии, а уже в конце 40-х годов она заняла первое место в Европе и второе в мире.

Электроэнергетика СНГ.

Одна из основных тенденций в развитии электроэнергетики СНГ состояла в укрупнении мощностей, как электростанций, так и агрегатов, что позволяло существенно улучшить технические и экономические показатели выработки электроэнергии. В 1939 г. были введены в работу агрегаты отечественного изготовления мощностью 100 МВт.

Наряду с выработкой электроэнергии успешно решались вопросы развития ЛЭП. С 1931 г. по 1940 г. было построено 15,5 тыс. км. ЛЭП. В 1933 г. на напряжении 220 кВ была сооружена первая в мире ЛЭП Свирская ГЭС – Ленинград, протяженностью 240 км. С появлением линии напряжением 220 кВ начали создаваться крупные энергетические объединения – межрайонные энергетические системы. В период Отечественной войны 1941-1945 гг. в энергетике был нанесен значительный урон. Свыше 60 крупных электростанций было разрушено, в том числе и Днепровская ГЭС в послевоенные годы с 1945 по 1958 г. выработка электроэнергии выросла в 5,4 раза. Особенностью развития электроэнергетики послевоенного времени было широкое строительство ГЭС. В Узбекистане 1950-1960 гг. построена Ангренская ГРЭС мощностью 600 МВт – первая станция высокого давления. В 1956-1965 гг. в энергетике было намечено преимущественное строительство ТЭС, работающих на дешевом угле, газе и мазуте, что обеспечивало наиболее быстрые темпы ввода мощностей с хорошими техническими показателями. 

К концу 1985 г. установленная мощность электростанций СНГ достигла 315 млн. кВт. Производство энергии составило 1544 млрд. кВт-ч. Протяженность воздушных линий электропередач 35 кВ и выше достигла 908,6 тыс. км.

В 1960-70 гг. введены в эксплуатацию Ташкентская ГРЭС, мощностью 1950 МВт и Навоийская ГРЭС, мощностью 1250 МВт. В низовьях Амударьи была построена Тахиаташская ГРЭС. Следующей в развитии теплоэнергетики Узбекистана явилось сооружение в Средней Азии крупнейшей Сырдарьинской ГРЭС, на которой установлено десять энергоблоков мощностью по 300 МВт.

В России 1962-1965 гг. введена в эксплуатацию промышленная электропередача постоянного тока 800 кВ (±400 кВ) Волжская ГЭС – Донбасс. Создана опытно промышленная электропередача переменного тока напряжением 1150 кВ и электропередача постоянного тока напряжением 1500 кВ. трассы ЛЭП сверхвысокого напряжения будут передавать электроэнергию от Экибастуза. Линия постоянного тока в центр европейской части СНГ, а переменного – на Урал. Выработка электроэнергии в 1985г составила 1544 млрд. кВт-ч, а общая мощность электростанций достигла 315 млн. кВт. Доля АЭС в общей выработке электроэнергии в 1985г составила 10,8%. На сегодняшний день бывшего союза около 20 АЭС, а мощность каждого энергоблока 1 млн. кВт. Основу энергетического хозяйства бывшего союза составляют ТЭС, на долю которых приходится примерно 85% всей вырабатываемой в государствах СНГ электроэнергии.

Из общего количества топлива 62% расходуется на КЭС, и 38% ТЭЦ.

27 июня 1954г в союзе начала работать первая в мире АЭС мощностью 5 МВт.

Суммарная мощность ГЭС на конец 1985г составила 61,7 ГВт, 19% от общей мощности электростанций.

{/spoilers}