Источники электроэнергии

Аналоговая энергетика

Традиционный подход предусматривает наличие небольшого количества электростанций большой мощности. Какие-либо средства накопления электроэнергии в таких энергосистемах либо отсутствуют, либо есть в единичных экземплярах и решают только частные задачи (как, скажем, гидроаккумулирующая станция в Сергиевом Посаде, призванная сглаживать пики энергопотребления Москвы).

Построение энергосистемы на основе аналоговых принципов подразумевает переключение потоков электроэнергии из централизованной диспетчерской. Это может быть как ручное управление (например, на основе текущих данных о работе крупнейших потребителей электроэнергии в регионе), так и переключение в автоматическом режиме по заданной программе, а также на основе анализа текущей ситуации. Для управления автоматикой может использоваться вычислительная техника, тем не менее, такая энергосистема все равно будет аналоговой из-за лежащих в ее основе принципов поддержания баланса мощности.

В аналоговой энергетике для подстройки баланса мощности широко используется зависимость параметров электродвигателя от частоты тока в сети

Переключение потоков энергии в системе (например, переключение части поставляемой мощности от одних потребителей другим, экспорт энергии в соседний регион или импорт из него и т. д.) регулируют баланс очень приблизительно. Более тонкая подстройка происходит за счет изменения частоты генерации в небольших пределах.

Наиболее мощными потребителями электроэнергии, как правило, являются электродвигатели в промышленности и объектах инфраструктуры. Снижение частоты тока в сети приводит к снижению числа оборотов электродвигателей и, соответственно, уменьшению потребляемой ими мощности. Повышение частоты ведет к увеличению энергопотребления, чем компенсируется недостаточная нагруженность генераторов. В том случае, если электродвигатель установлен, например, в подъемнике или токарном станке, то зависимость между частотой и мощностью, как правило, линейная. Если же речь идет о вентиляторах или насосах, где электродвигатель нагружен на устройство с лопастями, прокачивающее воздух или жидкость, то зависимость мощности от частоты имеет третий, а иногда и более высокий порядок. Отклонение частоты в ту или иную сторону от номинала приводит к снижению КПД генераторов на электростанциях. Конструкция генераторов рассчитывается таким образом, чтобы падение выработки электроэнергии при снижении частоты в сети было меньше, чем падение энергопотребления. В автономных системах энергоснабжения допускается отклонение частоты генерации на 5 Гц в большую или меньшую сторону относительно номинального значения 50 Гц.

Поскольку до недавнего времени передача электроэнергии осуществлялась главным образом на переменном токе, актуальной задачей была работа электростанций и потребителей в пределах большого числа регионов на единой частоте. Речь идет не о том, что поддерживается единый стандарт 50 Гц в определенных пределах, а об абсолютно точном равенстве частоты во всех элементах энергосистемы. Это позволяет соседним странам и соседним регионам внутри страны свободно обмениваться электроэнергией. Территория, на которой обеспечивается единство частоты всех присоединенных к энергосистеме генераторов, называется синхронной зоной. Задача создания таких зон впервые в мире была решена советскими учеными. К 1978 году сложилась так называемая Первая синхронная зона, охватывающая сейчас все регионы России, кроме расположенных на Дальнем Востоке (там часть энергосистем являются автономными, а другая часть объединена во Вторую синхронную зону), а также ряд республик бывшего СССР. Согласно действующим нормам, на протяжении недели отклонение частоты в сети от номинального значения 50 Гц не должно превышать 0,4 Гц. Также допускаются кратковременные изменения частоты не более, чем на 0,8 Гц от номинального значения. Тем не менее, такого небольшого изменения частоты оказывается вполне достаточно для точной регулировки баланса мощности в гигантской энергосистеме. Безусловно, это был настоящий триумф аналоговых технологий!

Синхронизация работы генераторов аналоговыми методами осуществляется весьма сложным способом. Выбираются одна или несколько электростанций, которые объявляются частотными, остальные электростанции синхронизируют свою работу с ними. Детальное описание процесса синхронизации выходит за рамки статьи.

Энергосистемы

Энергосистемы — совокупность энергетических ресурсов всех видов, методов и средств их получения, преобразования, распределения и использования, обеспечивающих снабжение потребителей всеми видами энергии.

Что входит в энергосистему

В энергосистемы входят:

  • электроэнергетическая система;
  • система нефте- и газоснабжения;
  • система угольной промышленности;
  • ядерная энергетика;
  • нетрадиционная энергетика.

Обычно все эти системы объединяются в масштабах страны в единую энергетическую систему, в масштабах нескольких районов — в объединённые энергосистемы. Объединение отдельных энергоснабжающих систем в единую систему также называют межотраслевым топливно-энергетическим комплексом, оно обусловлено прежде всего взаимозаменяемостью различных видов энергии и энергоресурсов

Часто под энергосистемой в более узком смысле понимают совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, которые соединёны между собой и связаны общими режимами непрерывных производственных процессов преобразования, передачи и распределения электрической и тепловой энергии, что позволяет осуществлять централизованное управление такой системой.

В современном мире снабжение потребителей электроэнергией производится от электростанций, которые могут находиться вблизи потребителей или могут быть удалены от них на значительные расстояния. В обоих случаях передача электроэнергии осуществляется по линиям электропередачи. Однако в случае удалённости потребителей от электростанции передачу приходится осуществлять на повышенном напряжении, а между ними сооружать повышающие и понижающие подстанции. Через эти подстанции с помощью электрических линий электростанции связывают друг с другом для параллельной работы на общую нагрузку, также через тепловые пункты с помощью теплопроводов, только на гораздо меньших расстояниях связывают между собой ТЭЦ и котельные.

Совокупность всех этих элементов называют энергосистемой, при таком объединении возникают существенные технико-экономические преимущества:

  • существенное снижение стоимости электро- и теплоэнергии;
  • значительное повышение надёжности электро- и теплоснабжения потребителей;
  • повышение экономичности работы различных типов электростанций;
  • снижение необходимой резервной мощности электростанций.

Р = U x I

где: Р – мощность; U – напряжение; I – сила тока.

Электрический ток и правила арифметики

Пока ничего сложного, продолжаем упражнять логику дальше. В наших проводах «журчит» ток не постоянный, а переменный. Он у нас меняется по синусоидальной формуле, но нагляднее, конечно, припомнить не формулу, а график – картинки в учебнике запоминаются легче:

График напряжения переменного тока

Напряжение меняется не только по величине, оно даже знак меняет – то больше нуля, то меньше. Но и сила тока ведет себя ровно так же:

График силы переменного тока

Величина меняется, знак меняется. Как там правила умножения-то выглядят? «Минус» на «минус» дают «плюс»; «плюс» на «плюс» – конечно, «плюс»; «минус» на «плюс» – вообще минус. И как, спрашивается, в таких антисанитарных условиях вычислять мощность? Удивительно, но приходится искать какие-то достаточно изощренные варианты.

Первый, который приходит в голову – попробовать уменьшить временной отрезок до минимума, на который только способны наши измерительные приборы. Если промежуток времени доведен до мгновения, то за него сила тока и напряжение не успевают измениться, формула «успевает сработать». Математически понятно, хотя с точки зрения физики – так себе. Но понятие «мгновенная мощность» существует и используется. Определение совершенно понятно: мгновенная мощность – это произведение мгновенной силы тока на мгновенное напряжение. Практической пользы – просто никакой, сами понимаете. Но эта «игра ума» все таки пользу приносит, сейчас расскажем.

Мощность бывает разная

Активная мощность. Если вычислить среднее значение мгновенной мощности за какой-то реально значимый период времени, то мы ее и получим. Она, собственно говоря, и есть самая полезная, а, значит и самая важная для нас мощность электрического тока. Активная мощность характеризует необратимый, безвозвратный расход энергии тока, она характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии – например, тепловую, электромагнитную. Это ток, который уже никогда не вернется в источник, который превратится в полезную энергию, благодаря которой работают все механизмы, благодаря которой горят лампочки в квартирах и жужжат всевозможные электрические моторы. Ну и, чего греха таить – это еще и та энергия, которая уходит на нагрев проводов. Что сделать для того, чтобы активная мощность была всегда положительной, нам подсказывают графики силы тока и напряжения. Нужно добиться того, что эти две величины колебались синхронно. Ток «с минусом» — и напряжение должно быть «с минусом», тогда их произведение – мощность – будет выше нуля, аналогично случаю, когда сила тока и напряжение одновременно выше нуля. Энергетики высказываются по этому поводу высказываются чуть более замысловато:

«Нужно добиться того, чтобы косинус сдвига фаз был равен единице»

Физики – не медики, но тоже горазды использовать терминологию, основная цель которой – взрыв мозга всех, кто не погружен в тайны их великой науки… Вот оно надо им тот косинус вспоминать всуе? Ну, что с ними поделать, прямо как дети малые. Испортили такую хорошую формулу, она для активного переменного тока пишется:

Энергетическое топливо

Так как большинство из традиционных электростанций и источников теплоснабжения выделяют энергию из невозобновляемых ресурсов, вопросы добычи, переработки и доставки топлива чрезвычайно важны в энергетике. В традиционной энергетике используются два принципиально отличных друг от друга видов топлива.

Органическое топливо

В зависимости от агрегатного состояния органическое топливо делится на газообразное, жидкое и твёрдое, каждое из них в свою очередь делится на естественное и искусственное. Доля такового топлива в мировом энергобалансе составляла в 2000 году около 65%, из которых 39% приходились на уголь, 16% на природный газ, 9% на жидкое топливо(2000г). В 2010 году по данным BP доля ископаемого органического топлива 87%, в том числе: нефть 33,6%, уголь 29,6% газ 23,8%. Tо же по данным «Renewable21» 80,6%, не считая традиционной биомассы 8,5%.

Газообразное

Естественным топливом является природный газ, искусственным:

  • Генераторный газ;
  • Коксовый газ;
  • Доменный газ;
  • Продукты перегонки нефти;
  • Газ подземной газификации;
  • Синтез-газ.

Жидкое

Естественным топливом является нефть, искусственным называют продукты его перегонки:

  • Бензин;
  • Керосин;
  • Соляровое масло;
  • Мазут.

Твёрдое

Естественным топливом являются:

Ископаемое топливо:

  • Торф;
  • Бурый уголь;
  • Каменный уголь;
  • Антрацит;
  • Горючий сланец;

Растительное топливо:

  • Дрова;
  • Древесные отходы;
  • Топливные брикеты;
  • Топливные гранулы.

Искусственным твёрдым топливом являются:

  • Древесный уголь;
  • Кокс и полукокс;
  • Углебрикеты;
  • Отходы углеобогащения.

Ядерное топливо

В использовании ядерного топлива вместо органического состоит главное и принципиальное отличие АЭС от ТЭС.

Ядерное топливо получают из природного урана, который добывают:

  • В шахтах (Франция, Нигер, ЮАР);
  • В открытых карьерах (Австралия, Намибия);
  • Способом подземного выщелачивания (США, Канада, Россия).

Для использования на АЭС требуется обогащение урана, поэтому его после добычи отправляют на обогатительный завод, после переработки на котором 90% побочного обеднённого урана направляется на хранение, а 10% обогащается до нескольких процентов (3—5% для энергетических реакторов). Обогащённый диоксид урана направляется на специальный завод, где из него изготавливают цилиндрические таблетки, которые помещают в герметичные циркониевые трубки длиной почти 4 м, ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы). По нескольку сотен ТВЭЛов для удобства использования объединяют в ТВС, тепловыделяющие сборки.

Источник — http://www.gigavat.com/elektrostanciya.php

Электрогенераторы.

Электромашинный генератор приводится во вращение т.н. первичным двигателем, например турбиной. Вращающийся вал первичного двигателя связан соединительной муфтой с валом электрогенератора, который обычно несет на себе магнитные полюса и обмотки возбуждения. Магнитное поле тока, создаваемого в обмотке возбуждения небольшим вспомогательным генератором или полупроводниковым устройством (возбудителем), пересекает проводники обмотки статора (неподвижной станины генератора), благодаря чему в этой обмотке наводится переменный ток, который снимается с выходных зажимов генератора. Большие трехфазные генераторы вырабатывают три отдельных, но согласованных между собой тока в трех отдельных системах проводников, напряжение на которых достигает 25 кВ. Проводники присоединены к трехфазному повышающему трансформатору, с выхода которого электроэнергия передается по трехфазным же высоковольтным ЛЭП в центры потребления.

Мощные современные турбогенераторы имеют замкнутую систему вентиляции с водородом в качестве охлаждающего газа. Водород не только отводит тепло, но и уменьшает аэродинамические потери. Рабочее давление водорода составляет от 0,1 до 0,2 МПа. Для более интенсивного охлаждения генератора водород может также подаваться под давлением в полые проводники статора. В некоторых моделях генераторов обмотки статора охлаждаются водой. См. также ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ.

В целях повышения эффективности охлаждения и уменьшения размеров генератора ведутся исследования возможности создания генератора, охлаждаемого жидким гелием. См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Парогенераторы.

Парогенератор паротурбинной электростанции, работающей на ископаемом топливе, представляет собой котельный агрегат с топкой, в которой сжигается топливо, испарительными поверхностями, в трубах которых вода превращается в пар, пароперегревателем, повышающим температуру пара перед подачей в турбину до значений, достигающих 600° C, промежуточными (вторичными) пароперегревателями для повторного перегрева пара, частично отработавшего в турбине, экономайзером, в котором входная питательная вода нагревается отходящим топочным газом, и воздухоподогревателем, в котором топочный газ отдает свое остаточное тепло воздуху, подводимому к топке.

Для подачи в топку воздуха, необходимого для горения, применяются вентиляторы, создающие в ней искусственную, или принудительную, тягу. В одних парогенераторах тяга создается вытяжными вентиляторами (дымососами), в других – приточными (напорными), а чаще всего и теми и другими, что обеспечивает т.н. уравновешенную тягу с нейтральным давлением в топке.

При сгорании топлива негорючие компоненты, содержание которых может достигать 12–15% полного объема битуминозного и 20–50% бурого угля, оседают на подовине топочной камеры в виде шлака или сухой золы. Остальное проходит через топку в виде пыли, от которой полагается очищать отходящие газы, прежде чем выпускать их в атмосферу. Пылезолоочистка осуществляется циклонами и электрофильтрами, в которых частицы пыли заряжаются и осаждаются на коллекторных проволоках или пластинах, имеющих заряд противоположного знака.

Нормативами для новых электростанций ограничивается выброс в атмосферу не только твердых частиц, но и диоксида серы. Поэтому непосредственно перед дымовой трубой в газоходах предусматриваются химические скрубберы, часто устанавливаемые после электрофильтров. В скрубберах (мокрых или сухих) с помощью различных химических процессов из отходящих газов удаляют серу.

Из-за высокой требуемой степени пылезолоочистки в настоящее время применяют еще и тканевые рукавные фильтры с встряхиванием и обратной продувкой, содержащие сотни больших тканевых рукавов – фильтровальных элементов.

Теплоснабжение

Жизнь современного человека связана с широким использованием не только электрической, но и тепловой энергии. Для того, чтобы человек чувствовал себя комфортно дома, на работе, в любом общественном месте, все помещения должны отапливаться и снабжаться горячей водой для бытовых целей. Так как это напрямую связано со здоровьем человека, в развитых государствах пригодные температурные условия в различного рода помещениях регламентируются санитарными правилами и стандартами. Такие условия могут быть реализованы в большинстве стран мира только при постоянном подводе к объекту отопления (теплоприёмнику) определённого количества тепла, которое зависит от температуры наружного воздуха, для чего чаще всего используется горячая вода с конечной температурой у потребителей около 80-90°C. Также для различных технологических процессов промышленных предприятий может требоваться так называемый производственный пар с давлением 1—3 МПа.

В общем случае снабжение любого объекта теплом обеспечивается системой, состоящей из:

  • источника тепла, например котельной;
  • тепловой сети, например из трубопроводов горячей воды или пара;
  • теплоприёмника, например батареи водяного отопления.

Централизованное теплоснабжение

Характерной чертой централизованного теплоснабжения является наличие разветвлённой тепловой сети, от которой питаются многочисленные потребители (заводы, здания, жилые помещения и пр.).

Для централизованного теплоснабжения используются два вида источников:

  • Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые также могут вырабатывать и электроэнергию;
  • Котельные, которые делятся на:
    • Водогрейные;
    • Паровые.

Децентрализованное теплоснабжение

Систему теплоснабжения называют децентрализованной, если источник теплоты и теплоприёмник практически совмещены, то есть тепловая сеть или очень маленькая, или отсутствует. Такое теплоснабжение может быть индивидуальным, когда в каждом помещении используются отдельные отопительные приборы, например электрические, или местным, например обогрев здания с помощью собственной малой котельной. Обычно теплопроизводительность таких котельных не превышает 1 Гкал/ч (1,163 МВт). Мощность тепловых источников индивидуального теплоснабжения обычно совсем невелика и определяется потребностями их владельцев.

Виды децентрализованного отопления:

  • Малыми котельными;
  • Электрическое, которое делится на:
    • Прямое;
    • Аккумуляционное;
  • Теплонасосное;
  • Печное.

Тепловые сети

Тепловая сеть — это сложное инженерно-строительное сооружение, служащее для транспорта тепла с помощью теплоносителя, воды или пара, от источника, ТЭЦ или котельной, к тепловым потребителям.

От коллекторов прямой сетевой воды с помощью магистральных теплопроводов горячая вода подаётся в населённые пункты. Магистральные теплопроводы имеют ответвления, к которым присоединяется разводка к тепловым пунктам, в которых находится теплообменное оборудование с регуляторами, обеспечивающими снабжение потребителей тепла и горячей воды. Тепловые магистрали соседних ТЭЦ и котельных для повышения надёжности теплоснабжения соединяют перемычками с запорной арматурой, которые позволяют обеспечить бесперебойное теплоснабжение даже при авариях и ремонтах отдельных участков тепловых сетей и источников теплоснабжения. Таким образом, тепловая сеть любого города является сложнейшим комплексом теплопроводов, источников тепла и его потребителей.

Газотурбинные установки.

ГТУ довольно широко применяются на малых электростанциях, принадлежащих муниципалитетам или промышленным предприятиям, а также в качестве «пиковых» (резервных) блоков – на крупных электростанциях. В камерах сгорания ГТУ сжигается мазут или природный газ, и высокотемпературный газ высокого давления воздействует на рабочие колеса турбины примерно так же, как и пар в паровой турбине. Вращающийся ротор газовой турбины приводит во вращение электрогенератор, а также воздушный компрессор, который подводит к камере сгорания воздух, необходимый для горения. Примерно 2/3 энергии поглощается компрессором; горячие выхлопные газы после турбины выводятся в дымовую трубу. По этой причине КПД газотурбинных установок не очень высок, но зато малы и капитальные затраты в сравнении с паровыми турбинами той же мощности. Если ГТУ используется на протяжении лишь нескольких часов в году в периоды пиковой нагрузки, то высокие эксплуатационные расходы компенсируются низкими капитальными, так что применение ГТУ для обеспечения до 10% полной выходной мощности электростанции оказывается экономически целесообразным.

В комбинированных парогазотурбинных энергетических установках (ПГУ) высокотемпературные выхлопные газы газовой турбины направляются не в дымовую трубу, а в котел-утилизатор, который вырабатывает пар для паровой турбины. КПД такой установки выше, чем у лучшей паровой турбины, взятой отдельно (около 36%).

Электростанция — что это такое?

Электрическая станция — совокупность установок, оборудования и аппаратуры, используемых непосредственно для производства электрической энергии, а также необходимые для этого сооружения и здания, расположенные на определённой территории.

Существует множество типов электростанций. Отличия заключаются в технических особенностях и исполнении, а также в виде используемого источника энергии. Но несмотря на все различия большинство электростанций используют для своей работы энергию вращения вала генератора.

Станции разных типов объединены в Единую энергетическую систему, позволяющую рационально использовать их мощности, снабжать всех потребителей.

Основное оборудование электростанций

К основному оборудованию электростанций можно отнести:

  • генераторы;
  • турбины;
  • котлы;
  • трансформаторы;
  • распределительные устройства;
  • двигатели;
  • выключатели;
  • разъединители;
  • линии электропередач;
  • средства автоматики и релейной защиты

КПД электростанции.

Термический КПД электростанции, работающей на угле, можно приближенно характеризовать массой угля в килограммах, которая сжигается для получения одного киловатт-часа электроэнергии. Этот показатель (удельный расход топлива) неуклонно снижался от 15,4 кг/кВтЧч в 1920-х до 3,95 кг/кВтЧч в начале 1960-х, но к 1990-м годам постепенно повысился до 4,6 кг/кВтЧч. Повышение в значительной мере объясняется введением пылезолоуловителей и газоочистителей, съедающих до 10% выходной мощности электростанции, а также переходом на экологически более чистый уголь (с низким содержанием серы), на который многие электростанции не были рассчитаны.

В процентном выражении термический КПД современной ТЭС не превышает 36%, в основном из-за потерь тепла, уносимого отходящими газами – продуктами горения.

У АЭС, работающих при более низких температурах и давлениях, несколько меньший полный КПД – около 32%.

Газотурбинные установки с котлом-утилизатором (парогенератором, использующим тепло выхлопных газов) и дополнительной паровой турбиной могут иметь КПД более 40%.

Термический КПД паротурбинной электростанции тем больше, чем выше рабочие температуры и давления пара. Если в начале 20 в. эти параметры составляли 1,37 МПа и 260° C, то в настоящее время обычны давления свыше 34 МПа и температуры свыше 590° C (АЭС работают при более низких температурах и давлениях, чем самые крупные ТЭС, поскольку нормативами ограничивается максимально допустимая температура активной зоны реактора).

На современных паротурбинных электростанциях пар, частично отработавший в турбине, отбирается в ее промежуточной точке для повторного нагревания (промежуточного перегрева) до исходной температуры, причем могут быть предусмотрены две или более ступеней промперегрева. Пар из других точек турбины отводится для предварительного нагрева питательной воды, подводимой к парогенератору. Такие меры намного повышают термический КПД.

Атомные электростанции.

На АЭС электроэнергия вырабатывается так же, как и на обычных ТЭС, сжигающих ископаемое топливо, – посредством электромашинных генераторов, приводимых во вращение паровыми турбинами. Но пар здесь получается за счет деления изотопов урана или плутония в ходе управляемой цепной реакции, протекающей в ядерном реакторе. Теплоноситель, циркулирующий через охлаждающий тракт активной зоны реактора, отводит выделяющуюся теплоту реакции и непосредственно либо через теплообменники используется для получения пара, который подается на турбины.

Капитальные расходы на строительство АЭС крайне велики по сравнению с расходами на электростанции, сжигающие ископаемое топливо, той же мощности: в США в среднем около 3000 долл./кВт, тогда как для ТЭС на угле – 600 долл./кВт. Но АЭС потребляет очень малые количества ядерного топлива, а это может оказаться весьма существенным для стран, которым иначе пришлось бы импортировать обычное топливо. См. также ТЕПЛООБМЕННИК; ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ; АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА; СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ДВИЖИТЕЛИ.

Выводы

Цифровизация может сделать в наши дни с электроэнергетикой то же самое, что она сделала в свое время с телекоммуникационной отраслью. Совсем недавно, связь не только в России, но и в западных странах была вотчиной государственных или полугосударственных монополий. Тарифы были высокие, при переезде менялся номер телефона, возможности для пользовательских настроек сервисов были ограничены. В электроэнергетике также появится реальная конкуренция, выбор поставщика электроэнергии не будет привязан к определенному месту, а условия поставок будет выбирать клиент под свои нужды.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: