Електричні станції та принци їх роботи

15

Тема: Електричні станції та принци їх роботи

Вступ

Природа пронизана рухом. Нас оточують круговороти води, кисню, вуглекислоти, взагалі, речовини. Ми існуємо у чотиривимірному „часі - просторі” і всі зміни відбуваються у цих вимірах. Найпростішою формою руху є механічне переміщення, а характеристикою руху є швидкість, що рівна похідній від радіус-вектора матеріальної точки і у такий спосіб поєднує між собою процеси у часі і просторі. Загалом, рух ми розуміємо як будь - які фізичні процеси, наприклад, з участю тепла, взаємодії заряджених тіл, хімічні та ядерні перетворення, біологічні процеси (життя є біологічна форма руху) і т.п.

1. Енергія як характеристика руху

Якісною та кількісною характеристикою руху є енергія, яку розуміють як загальну і спільну міру різних форм рухів матерії.

Відомі такі форми енергії: механічна (кінетична та потенціальна), теплова (кінетична енергія руху атомів та молекул), електромагнітна (енергія руху заряджених тіл), енергія хімічних зв'язків (одна з форм електромагнітної енергії), енергія зв'язку нуклонів у ядрах - ядерна енергія.

Одиницею енергії у системі СІ є ДЖОУЛЬ (Дж). Для одного удару серця людини необхідна енергія у один Джоуль. Використовується позасистемна, але широко вживана у енергетиці, одиниця енергії кіловат - година (кВт•год)

1 кВт•год = 3.6•106 Дж = 3.6•103 кДж = 3.6 МДж.

Існують дві принципово різні форми руху матерії - упорядкована, наприклад, механічна, електромагнітна та неупорядкована - теплова.

Друге начало термодинаміки стверджує, що енергія упорядкованої форми руху кількісно повністю перетворюється у енергію неупорядкованої, але зворотно неупорядкована ні. Щоб перетворити неупорядковану енергію в упорядковану необхідно виконати додаткову роботу (впорядкування).

Сучасні технологічне та посттехнологічне суспільства не можуть обходитися без упорядкованої енергії за допомогою якої створюються всі матеріальні та структурні перетворення, забезпечується еволюція людського суспільства. Впорядковану енергію можна отримувати з інших форм впорядкованої енергії, або з невпорядкованої - теплової. В останньому випадку на одиницю невпорядкованої енергії можна отримати лише частину впорядкованої. Слід пам'ятати, що будь які процеси перетворення енергії супроводжуються втратами - розсіюванням енергії у навколишньому середовищі, переходом її у форму недоступну для подальшого використання. Кажуть, що енергія втрачає свою якість. Кількісно процес втрати якості енергії характеризується зростанням ентропії (мірою хаосу, невпорядкованості). Чим нижча якість енергії, тим вища ентропія, що зв'язана з цією енергією.

Рівень споживання і раціональне використання енергії є головною характеристикою ступеня розвитку суспільства. Чим вище організоване суспільство, тим більші шанси воно має на подальший розвиток і його функціонування супроводжується меншим ростом ентропії, тобто непродуктивним розсіюванням енергії. Останнє якісно характеризують затрати енергії на одиницю продукції, що виробляється даною спільнотою. Нижче у табл. 1.1 Наводяться дані про споживання енергії у розвинених країнах та Україні. Висновки робіть самі...

Таблиця 1.1

Споживання електроенергії

З таблиці випливає, що споживання енергії на душу населення на Україні та у розвинених країнах співмірне, проте, про раціональне її використання і мови не може бути. Розвинені країни на одиницю затраченої енергії виробляють у десять раз більше продукції (у вартісному еквіваленті). Катастрофічною також є ситуація з викидами у атмосферу (на душу населення) парникового газу СО2. Тут Україна є лідером, але, відповідно до Кіотського протоколу, за викиди СО2 потрібно буде платити, причому вже з 01.02.2005р. Найбільш доступними видами упорядкованої енергії є механічна та електромагнітна і тому величезні ресурси людства концентруються на раціональному виробництві, розподілі та ефективному використанні механічної та електричної енергій. У кожній державі для реалізації цих завдань існують спеціальні структури. У нас її називають паливно - енергетичним комплексом (ПЕК), структура якого показана на рис.1.1.

ПЕК - призначений для управління видобутком енергетичної сировини, виробництвом різних форм енергії (зокрема, електричної та теплової), а також для контролю за розподілом та ефективним використанням енергії.

Основним структурним елементом ПЕК є Єдина енергетична система України (ЄЕСУ). Вона має таку будову, див. рис. 1.2:

центральні органи ЄЕСУ: національна комісія регулювання електроенергії (НКРЕ), національна атомна електрична компанія (НАЕК) „Енергоатом”, центральна диспетчерська служба України (ЦДСУ);

регіональні енергетичні системи (Захід, Центр, Північ і т.д.);

районні енергетичні системи;

споживачі.

Функція ЄЕСУ - здійснювати державне управління, забезпечувати виробіток і розподіл електроенергії та реалізацію державної політики у сфері споживання електроенергії шляхом економічного та технологічного регулювання. Найбільш дошкульною проблемою для електроенергетики України є марнотратне використання енергоресурсів. Порівняно з розвиненими країнами (Франція, Японія) у нас на одиницю створеного продукту затрачається у 10 раз більше енергії, див. табл. 1.1. Це робить продукт неконкурентним, або вимагає при його створенні компенсації у вигляді дешевої робочої сили, що є однією з причин низького рівня зарплати на Україні (іншою причиною є висока норма прибутку власників підприємств та неефективний менеджмент, що призводить до високого росту ентропії на всіх етапах виробництва енергії - від видобутку палива до генерації енергії, її розподілу та споживання ).

Тому основним завданням розвитку енергетики України є раціональна генерація та ефективне використання отриманої енергії при створенні національного продукту.

Враховуючи це, завдання нашого курсу формулюються так:

знайомство з основами технологічного процесу генерації електроенергії;

вивчення способів підвищення ефективності генерації електроенергії на електростанціях (підвищення їх ККД);

знайомство з перспективами розвитку та екологічними проблемами електроенергетики.

2. Класифікація електростанцій

Виробляють електроенергію на електростанціях (енергетичних заводах), використовуючи переважно як проміжний етап, теплову енергію. Такі станції називають тепловими електричними станціями (ТЕС). Отже на ТЕС відбувається перетворення теплової енергії у електричну. Оскільки теплова енергія неупорядкована, а електрична упорядкована, то перетворити у електричну можна лише частину теплової енергії.

Відношення частини теплової енергії, яку перетворили у електричну, Ee, до загальної кількості тепла Q, що брало участь у перетворенні, називається електричним коефіцієнтом корисної дії (ККД) станції

.(1.1)

ККД завжди менший від одиниці. На сучасних ТЕС він ? 0.32 - 0.38.

Електростанції, що призначені лише для виробництва електроенергії оснащуються турбінами з високим вакуумом на виході, який забезпечується конденсацією пари (робочого тіла) у конденсаторі. Такі станції називають конденсаційними електростанціями (КЕС). Теплота конденсації (біля 57% від енергії згоряння палива) розсіюється у навколишньому середовищі, що супроводжується ростом ентропії середовища.

Сучасні ТЕС використовуються також для виробництва тепла (когенерація). Електростанції, призначені для спільного виробництва тепла і електроенергії (когенераційні станції), оснащуються турбінами з проміжними відборами пари, енергія якої використовується для теплопостачання житла та підприємств. На виході з турбін у таких станціях існує значний тиск, тому їх ще називають турбінами з протитиском. Енергетичні заводи, що виробляють тепло і електроенергію, називають тепло - електроцентралями (ТЕЦ).

Теплота спалювання палива на ТЕЦ використовується ефективніше ніж на ТЕС, справді

,

,(1.2)

- тепловий ККД, він вказує, яка частина тепла Q, що поступає на ТЕЦ, перетворюється у корисне тепло, що подають споживачам. Коефіцієнт використання тепла зQ на сучасних ТЕЦ може досягати 87 - ми відсотків.

За призначенням електростанції діляться на:

районні, для забезпечення життєдіяльності регіону;

промислові, для забезпечення енергомістких виробництв, наприклад, металургійних, хімічних, нафтопереробних, машинобудівних;

пікові, для покриття максимумів споживання електричної потужності;

аварійні.

За типом теплового рушія електростанції ділять на:

паротурбінні;

газотурбінні;

парогазові великої та малої одиничної потужності;

дизельні.

На Україні біля 45% електроенергії виробляють на атомних електростанціях (АЕС). Різниця у структурах ТЕС і АЕС полягає у тому, що на перших тепло генерується у котлах внаслідок хімічної реакції згоряння палива,

R(CHm)n + k•O2 > z•CO2 + y•H2O + Qt + зола , (1.3)

k, m, n, y, z - стехіометричні коефіцієнти.

На АЕС тепло генерується у реакторах завдяки енергії розпаду ядер урану

235U92 + 1n0 > 134X45 + 100Y47 +21n0 + Qn + залишок палива. (1.4)

У обох випадках тепло Q виділяється у вигляді кінетичної енергії руху продуктів реакції (Q ? N•сер.кін.енерг.част. ? N•kБ•T, N-кількість частинок, що приймають участь у реакції, kБ - стала Больцмана, Т - температура за шкалою Кельвіна, T oK = 273.15 + t oC).

Кількість тепла Qn, що виділяється у ядерній реакції у 2.9•10 6 раз більша ніж при згорянні звичайного палива.

Паротурбінні схеми ТЕС і АЕС практично одинакові.

Теплові станції, внаслідок значних транспортних затрат на перевіз палива, будують біля джерел палива, а атомні, щоб уникнути втрат при передачі електроенергії, навпаки, біля споживачів.

3. Теплопостачання

Крім виробництва електроенергії, теплоенергетика виконує свою пряму функцію - забезпечення теплом населення та промислових підприємств.

Для постачання теплом великих міських районів, або підприємств, використовують котлові установки - генератори тепла у вигляді пари середніх та низьких параметрів - їх називають теплоцентралями (ТЦ). Структура типової ТЦ показана на рис. 1.3. Як і електростанції ТЦ можуть споживати тверде, у т.ч. тверді органічні відходи, наприклад, брикетовану солому, сміття та ін., рідке та газоподібне палива, у т.ч. біогаз. Основні теплотехнічні схеми ТЦ однакові для всіх видів палива, різниця лише у конструкції топкового та дуттє - тягового агрегатів. Основні проблеми ТЦ - втрати тепла при транспортуванні його споживачам. Тому останнім часом практикуються локальні системи теплопостачання, ТЦ для яких монтують на дахах житлових будинків чи офісів.

Нижче, на рис.1.4 представлені основні типи схем теплопостачання. Найбільш поширеними є схеми - закритого та відкритого теплопостачання. У схемі закритого теплопостачання теплоносій (пара або вода) використовується лише за прямим призначенням, а у схемі з відкритим теплопостачанням теплоносій (воду) ще використовують для потреб гарячого водопостачання, тому до такої води ставлять високі санітарно - гігієнічні вимоги (як до питної). Це у свою чергу значно підвищує ціну відпущеного тепла, ускладнює способи боротьби з корозією та відкладеннями солей твердості у таких системах.

15

4. Графіки електричного навантаження електростанцій

На даний час окрім гідроакумуляційних електростанцій (ГАЕС) не існує потужних та ємних акумуляторів електроенергії. Тому електростанції працюють у режимі негайного споживання виробленої енергії. У регіональній енергетичній системі енергетичні потреби забезпечуються паралельною роботою кількох ТЕС, АЕС чи ТЕЦ. Споживання електроенергії (навантаження у розподільній сітці) складається з виробничого, транспортного (електротяга поїздів, міський транспорт) та витрат на освітлення і побутові потреби. Навантаження нерівномірно розподілене протягом доби, тижня та року.

Залежність навантаження від часу відображається графіками електричного навантаження. Типові графіки показані на рис. 1.5 - 1.7. Вони мають характерні максимуми та мінімуми. Добові максимуми навантаження припадають на період з 8 до 18 години. Біля 12 - 13 годин існує невеликий мінімум, див. рис. 1.5 та 1.6, що зв'язаний з перервою на обід. Мінімум навантаження триває з 23 до 7-ми годин, тобто у нічний час. Вибір способів зниження потужності електростанцій у нічний час та у вихідні дні є однією з проблем раціональної генерації електроенергії.

Кількісно нерівномірність використання електроенергії описується коефіцієнтом використання максимуму. Ця величина рівна відношенню загальної кількості, виробленої станцією чи енергетичною системою енергії, до максимально можливого її виробітку

, (1.5)

Е(ф) - загальна кількість електроенергії, що вироблена за час ф у кВт•год; Nemax - максимальна потужність навантаження, що досягнена протягом часу ф, кВт.

Чим більше мmax , тим повніше (рівномірніше) використовується обладнання станції (системи), тим вища її економічна ефективність. На рис. 1.7 мmax рівний відношенню площі під кривою до площі рисунка, тому коефіцієнт використання максимуму ще називають коефіцієнтом заповнення

Раціональне регулювання виробленої потужності у енергетичній системі досягається використанням трьох типів електростанцій, див. рис.1.8:

базових, таких, що працюють максимальний час на номінальній потужності ( не менше 5000 год. на рік) і забезпечують регіон сталою кількістю енергії; такі станції повинні мати мінімальні затрати палива на одиницю виробленої енергії; ними є найновіші блоки високих параметрів та одиничних потужностей: 500, 800 та 1300 МВт, а також АЕС;

пікові, такі, що працюють короткі проміжки часу (менше 1500 год. на рік) і використовуються для покриття максимумів споживання електроенергії; такими можуть бути застарілі станції, або блоки, що працюють на газі, чи рідкому паливі; часто для цього використовують ГЕС, спеціальні станції, наприклад ГАЕС, чи парогазові установки, або станції аварійного резерву;

напівпікові станції, їх завдання покривати триваліші максимуми навантаження, зокрема такі, що виникають у кінці кварталу чи року; у ролі таких станцій використовують не найновіші ТЕС, ГЕС у повноводдя. Середній час роботи напівпікових станцій у межах 3000 - 4000 годин на рік.

Однією з основних характеристик електростанції є її встановлена потужність. Ця величина рівна сумі номінальних потужностей агрегатів, якими споряджена станція.

Номінальна потужність - це така, з якою турбогенератор може працювати тривалий час у режимах та за умов, що вказані у його паспорті.

Інтенсивність роботи станції характеризують коефіцієнтом використання встановленої потужності муст.

Ця величина рівна відношенню кількості енергії, що вироблена за рік, до тієї кількості, що була б виробленою за цей же період, якщо б станція постійно працювала з встановленою потужністю

, (1.6)

Роботу станції також характеризують числом годин використання встановленої потужності

.(1.7)

Між виразами (1.2) та (1.3) існує очевидний зв'язок. Число годин використання встановленої потужності залежить від режиму роботи станції. Якщо станція базова, то фвст = 5000-7000 годин, а якщо пікова, то 1000 -1500 годин, див. рис.1.7.

Аналогічні графіки навантаження існують для ТЦ, щодо відпуску тепла споживачам. Наприклад, на рис. 1.9 показано річний графік тривалості сумарного теплового навантаження теплосітки. Кожна точка на кривій відповідає тривалості використання заданої величини навантаження. При побудові річного графіка тривалості загального теплового навантаження приймають, що навантаження гарячого водопостачання складає влітку 0.2 від максимального, а взимку 0.25. Тривалість опалювального сезону для України 3000 - 4000 год.

Графіки електричного навантаження потрібні при плануванні часової динаміки електричного навантаження у системі, для розробки системи зонних тарифів оплати електроенергії та інших заходів щодо вирівнювання графіка добового навантаження, розподілі навантаження між станціями чи блоками, для розрахунків складу робочого та резервного обладнання, визначення необхідної встановленої потужності та резерву, числа та одиничної потужності агрегатів, раціонального планування ремонтів та для вирішення інших задач. Зокрема, структура резерву потужностей у енергосистемах України така: ремонтний резерв 5, аварійний -7, загальногосподарський - 1%.

5. Задачі

1. Відомо, що енергоємність українських виробів у 8 раз вища від європейських. При цьому ціна на ринку товарів однакової якості майже однакова. Прийнявши, що накладні видатки на Україні у два рази більші ніж у Європі, а ціна робочої сили у 8 раз нижча, розрахуйте норму прибутку українських капіталістів щодо європейських.

2. Уважно подивіться на табл. 1.1 і спробуйте пояснити, чому викиди СО2 на Україні більші ніж у розвинених країнах? Взявши до уваги, що приріст національного продукту у нас 8% на рік, а у „них” 4%, розрахуйте час протягом якого Україна дожене розвинені країни щодо генерації СО2, якщо сьогодні вона генерує половину французької кількості СО2.

3. ТЕС потужністю 4х800 МВт працює на вугіллі. Прийнявши, що теплотворна здатність вугілля Q = 27 МДж/кг, розрахуйте денну потребу у вугіллі для ТЕС. Знайдіть цю ж потребу у ядерному паливі для АЕС такої ж потужності. Інші параметри, що необхідні для розрахунку, знайдіть у довідниках.

4. Встановіть аналітично зв'язок між коефіцієнтами використання максимуму та встановленої потужності станції.

5. Намалюйте річні графіки тривалості електричних навантажень для базової, напівпікової та пікової станцій за таких умов: мвст для базової станції рівне 0.85, для напівпікової - 0.55, а для пікової 0.25. Для розрахунків використайте рис. 1.8.

6. Уважно вивчіть графіки на рис.1.5 - 1.7. Використовуючи інформацію, що є на цих графіках, сформулюйте принципи розрахунку зонних тарифів на електроенергію. Запропонуйте ці тарифи і поясніть їх мотивацію. Що потрібно знати для кількісної оцінки зонних тарифів?

7. Розробіть ваші варіанти заходів вирівнювання графіків добового та річного навантаження станції чи системи. Графік зміни якої величини вам потрібен для цього? Яка установа може надати необхідну інформацію? Як це практично зробити?

8. На підставі рис. 1.8 розрахуйте відсоток необхідного резерву потужностей заданої (на рис. 1.8) системи. Якими енергетичними потужностями ви забезпечите цей резерв?

9. Яким чином, на вашу думку, впливає на графік денного навантаження енергосистеми перехід на зимовий та літній час?

10. Уважно вивчіть рис. 1.9. Використовуючи інформацію з нього, розрахуйте динамічні параметри (швидкість виходу на номінальну потужність) устаткування, яке необхідне для ТЦ, що обслуговує цей міський район .

11. Розрахуйте відсоток резервної потужності ТЦ для міського району, що відповідає рис. 1.9. Дайте обґрунтування вашим оцінкам.

12. Визначте помісячній резерв теплової потужності, що необхідний для забезпечення роботи ТЦ з графіком навантаження на рис.1.10 та річний на рис.1.11. Поясніть, ваші міркуваннями щодо вибору .