ТЕМА 4. 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. 2.2). В поршневом способе для преобразова­ния используется потенциальная энергия рабочего тела, получаемая при его нагревании. В роторном способе используется кинетическая энергия движущихся с боль­шой скоростью частиц рабочего тела.

Таблица 2.2

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.

Рис. 2.3. Схема преобразования энергии на тепловых станциях

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. 2.3 схемати­чески показаны стадии преобразования пер­вичной энергии органи­ческого топлива в элек­трическую.

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. С помощью насо­сов высокого давления производится сжатие, при кото­ром конденсат нагнетается в парогенератор.

Схема тепловой станции, более подробно показана на рис. 2.4 и 2.5. Работа стан­ции происходит следующим образом. Из бункера 1 (рис. 2.4) 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 парв 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), накачиваемой на­сосом 12 и вновь выбрасываемой в водоем. Продукты сгорания угля проходят через очистительные сооружения (не показанные на рис. 2.4), 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.

На рис. 2.5 показана общая схема получения теплоты и преобразования ее в электрическую энергию.

Рис. 2.5. Схема технологического процесса конденсационной тепловой электростанции

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 значений. 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.

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. 2.7). Вода через водоподогреватель 3 поступает в трубы 1, 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.

Прямоточные парогенераторы стали применяться в нашей стра­не в 30-е годы по инициативе Л. Карамзина, который разрабо­тал ряд оригинальных конструк­ций котлов.

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.

Рис. 2.8. Схема работы активной турбины

Если перед входом в сопло пар имел некоторую на­чальную скорость с₀ и начальное давление р₁ (рис. 2.8), то после выхода из сопла в результате расширения пара происходит увеличение его скорости до значения С1 и уменьшение давления до значения р2. Температура пара также при этом значительно понижается.

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. 2.8). Абсолютная скорость движения пара умень­шается от С1 до С2 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 или ступени происхо­дит расширение пара, проходящего через каналы рабо­чих лопаток. В зависимости от показателей расширения пара в каналах турбины характе­ризуют ступенями реактивности. 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.

Рис. 2.9. Схема работы реактивной турбины

Изменение параметров пара в реактивной ступени турбины по­казано на рис. 2.9. В соплах тур­бины происходит частичное рас­ширение пара до промежуточного давления р1'. Дальнейшее расши­рение пара до давления р₂ проис­ходит в каналах между лопатка­ми. Абсолютная скорость пара в

сопле увеличивается до значения с1', а в каналах между лопатками уменьшается из-за вращения лопаток до зна­чения с₂.

Общий вид лопаток мощной паровой турбины пока­зан на рис. 2.10.

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

Появление реактивной силы можно показать на сле­дующем примере. Пусть в бак, установленный на тележке (рис. 2.11), подведен пар под давлением, который в положении 1 равномерно действует на все стенки ,если же убрать пробку, то равновесие бака сразу 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 //).

ъ

Рис. 2.11. Схема опыта, поясняющего возникновение реак­тивной силы

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 или 1000 МВт 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.

. 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% этой энергии превращается в электрическую (рис. 2.12). Наибольшие потери теплоты происходят в конденсаторе. С охлаждающей водой конденсатора уносится 55% теп­лоты.