|
Тепловые электрические станции. Структура ТЭС, основные элементы. Парогенератор. Паровая турбина. Конденсатор. Тепловая электростанция (ТЭС) - электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. ........Первые ТЭС появились в конце 19 века (в 1882 - в Нью-Йорке, 1883 - в С. Петербурге, 1884 - в Берлине) и получили преимущественное распространение. В настоящее время ТЭС - основной вид электрических станций. Доля вырабатываемой ими электроэнергии составляет: в России примерно 70% , в мире около 76%. ........Среди ТЭС преобладают тепловые паротурбинные электростанции (ТПЭС), на которых тепловая энергия используется в парогенераторе для получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор паровой турбины, соединённый с ротором электрического генератора (обычно синхронного генератора). Генератор совместно с турбиной и возбудителем называется турбогенератором. В России на ТПЭС производится ~99% электроэнергии, вырабатываемой ТЭС. В качестве топлива на таких ТЭС используют уголь (преимущественно), мазут, природный газ, лигнит, торф, сланцы. ТПЭС, имеющие в качестве привода электрогенераторов конденсаци-онные турбины и не использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называются кон-денсационными электростанциями (КЭС). В России КЭС исторически называется Государственная районная электрическая станция, или ГРЭС. На ГРЭС вырабатывается около 65% электроэнергии, производимой на ТЭС. Их КПД достигает 40 %. Самая крупная в мире Сургутская ГРЭС-2; её мощность 4,8 ГВт; мощность Рефтинской ГРЭС 3,8 ГВт. ТПЭС, оснащённые теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ); ими вырабатывается соответственно около 35 % электроэнергии, производимой на ТЭС. Благодаря более полному использованию тепловой энергии КПД ТЭЦ повышается до 60 - 65 %. Самые мощные ТЭЦ в России ТЭЦ-23 и ТЭЦ-25 Мосэнерго имеют мощность по 1410 МВт. Промышленные газовые турбины появились значительно позже паровых турбин, так как для их изготовления требовались особые жаропрочные конструкционные материалы. На основе газовых турбин были созданы компактные и высокоманевренные газотурбинные установки (ГТУ). В камере сгорания ГТУ сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания с температурой 750 - 900° С поступают в газовую турбину, вращающую ротор электрогенератора. КПД таких ТЭС обычно составляет 26 - 28%, мощность - до нескольких сотен МВт. ГТУ не отличаются экономичностью из-за высокой температуры уходящих газов. ТЭС с ГТУ применяются основном как резервные источники электроэнергии для покрытия пиков электрической нагрузки или для снабжения электричеством небольших населённых пунктов. Они позволяют электростанции работать при резкопеременной нагрузке; могут часто останавливаться, обеспечивают быстрый пуск, высокую скорость набора мощности и достаточно экономичную работу в широком диапазоне нагрузки. Как правило, ГТУ уступают паротурбинным ТЭС по удельному расходу топлива и себестоимости электроэнергии. Стоимость строительно - монтажных работ на ТЭС с ГТУ уменьшается примерно в два раза, так как не нужно строить котельный цех и насосную. Самая мощная ТЭС с ГТУ ГРЭС-3 им. Классона (Московская обл.) имеет мощность 600 МВт. Отработанные газы ГТУ имеют достаточно высокую температуру, вследствие чего ГТУ имеют невысокий КПД. В парогазовой установке (ПГУ), состоящей из паротурбинного и газотурбинного агрегатов, горячие газы ГТУ используются для нагревания воды в парогенераторе. Это электростанции комбинированного типа. КПД ТЭС с ПГУ достигает 42 - 45%. ПГУ в настоящее время самый экономичный двигатель, используемый для получения электроэнергии. К тому же это самый экологически чистый двигатель, что объясняется высоким КПД. Появились ПГУ чуть более 20 лет назад, однако, сейчас это самый динамичный сектор энергетики. Самые мощные энергоблоки с ПГУ в России: на Южной ТЭЦ С. Петербурга - 300 МВт и на Невинномысской ГРЭС - 170 МВт. ТЭС с ГТУ и ПГУ также могут отпускать тепло внешним потребите-лям, то есть работать как ТЭЦ. По технологической схеме паропроводов ТЭС делятся на блочные ТЭС и на ТЭС с поперечными связями. Блочные ТЭС состоят из отдельных, как правило, однотипных энергетических установок — энергоблоков. В энергоблоке каждый котёл подаёт пар только для своей турбины, из которой он возвращается после конденсации только в свой котёл. По блочной схеме строят все мощные ГРЭС и ТЭЦ, которые имеют так называемый промежуточный перегрев пара. Работа котлов и турбин на ТЭС с поперечными связями обеспечивается по-другому: все котлы ТЭС подают пар в один общий паропровод (коллектор) и от него питаются все паровые турбины ТЭС. По такой схеме строятся КЭС без промежуточного перегрева и почти все ТЭЦ на докритические начальные параметры пара. По уровню начального давления различают ТЭС докритического давления и сверхкритического давления (СКД). Критическое давление — это 22,1 МПа (225,6 ат). В российской теплоэнергетике начальные параметры стандартизованы: ТЭС и ТЭЦ строятся на докритическое давление 8,8 и 12,8 МПа (90 и 130 ат), и на СКД — 23,5 МПа (240 ат). ТЭС на сверхкритические параметры по техническим причинам выполняются с промежуточным перегревом и по блочной схеме. Эффективность работы ТЭС оценивается коэффициентом полезного действия (КПД) , который определяется отношением количества энергии, отпущенной за некоторое время к затраченной теплоте, содержащейся в со-жжённом топливе. Наряду с КПД для оценки работы ТЭС используется также другой показатель - удельный расход условного топлива (условное топливо это топливо, имеющее теплоту сгорания = 7000 ккал/кг=29,33 МДж/кг). Между КПД и условным расходом топлива имеется связь . ........2.2. Структура ТЭС
Основные элементы ТЭС (рис. 2.1):
котельная установка, преобразующая энергию химических связей топлива и производящая водяной пар с высокими температурой и давлением;
турбинная (паротурбинная) установка,преобразующая тепловую энергию пара в механическую энергию вращения ротора турбоагрегата;
электрогенератор, обеспечивающий преобразование кинетической энергии вращения ротора в электрическую энергию.
........Основная потеря энергии на ТЭС происходит из-за передачи теплоты пара охлаждающей воде в конденсаторе; с теплом пара теряется более 50 % теплоты.
........Основным элементом котельной установки является парогенератор, представляющий собой П-образную конструкцию с газоходами прямоугольного сечения. Большую часть котла занимает топка; её стены облицованы экранами из труб, по которым подводится питательная вода. В парогенераторе производится сжигание топлива, при этом вода превращается в пар высокого давления и температуры. Для полного сгорания топлива в топку котла нагнетается по-догретый воздух; для выработки 1 кВт ч электроэнергии требуется около 5 м3 воздуха. ........При горении топлива энергия его химических связей превращается в тепловую и лучистую энергию факела. В результате химической реакции сгорания при которой углерод топлива С превращается в оксиды СО и СО2, сера S - в оксиды SO2 и SO3 и т.д., и образуются продукты сгорания топлива (дымовые газы). Охлаждённые до температуры 130 - 160 О С дымовые газы через дымовую трубу покидают ТЭС, уносят около 10 - 15% теплоты (рис.2.2). ........В энергетике получили широкое распространение барабанные (рис.2.3,а) и прямоточные кот-лы (рис.2.3,б). В экранах барабанных котлов осуществляется многократная циркуляция питательной воды; отделение пара от воды происходит в барабане. В прямоточных котлах вода проходит по трубам экрана только один раз, превращаясь в сухой насыщенный пар (пар в котором нет капелек воды).
........В последнее время для повышения эффективности работы парогенераторов производят сжигание угля привнутри-цикловой газификациии вциркулирующем кипящем слое; при этом КПД увеличивается на 2,5%.
........Турби?на (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) — это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора. ........Попытки создать механизмы, похожие на паровые турбины, делались давно. Известно описание паровой турбины, сделанное Героном Александрийским в 1-м веке до н. э., так называемая «турбина Герона» . Однако только в конце XIX века, когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня Густаф Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленности паровые турбины. Для изготовления промышленной турбины требовалась значительно более высокая культура производства, чем для паровой машины. ........В 1883 году Лаваль создал первую работающую паровую турбину. Его турбина представляла собой колесо, на лопатки которого подавался пар. Затем он дополнил сопла коническими расширителями; что значительно повысило КПД турбины и превратило её в универсальный двигатель. Пар, разогретый до высокой температуры, поступал из котла по паровой трубе к соплам и выходил наружу. В соплах пар расширялся до атмосферного давления. Благодаря увеличению объёма пара получалось значительное увеличение скорости вращения. Таким образом, заключённая в паре энергия передавалась лопастям турбины. Турбина Лаваля была намного экономичнее старых паровых двигателей. ........В 1884 году Парсонс получил патент на многоступенчатую реактивную турбину, которую он создал специально для приведения в действие электрогенератора. В 1885 году он сконструировал многоступенчатую реактивную турбину (для повышения эффективности использования энергии пара), получившую в дальнейшем широкое применение на тепловых электростанциях. ........Паровая турбина состоит из двух основных частей: ротор с лопатками - подвижная часть турбины; статор с соплами - неподвижная часть. Неподвижную часть вы-полняют разъёмной в горизонтальной плоскости для возможности выемки или монтажа ротора (рис.2.4.)
........По направлению движения потока пара различают аксиальные паровые турбины, у которых поток пара движется вдоль оси турбины, и радиальные, направление потока пара в которых перпендикулярно, а рабочие лопатки расположены параллельно оси вращения. В России и странах СНГ используются только аксиальные паровые турбины. ........По способу действия пара турбины делятся на: активные, реактивные и комбинированные. В активной турбине используется кинетическая энергия пара, в реактивной - кинетическая и потенциальная. ........Современные технологии позволяют поддерживать частоту вращения с точностью до трёх оборотов в минуту. Паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. часов работы (до капитального ремонта). Паровая турбина является одним из самых дорогих элементов ТЭС.
........Для снижения эрозии лопаток турбины (влажным паром) из ЦВД относительно холодный пар возвращается обратно в котёл, в так называемый промежуточный пароперегреватель; в нём температура пара повышается до исходной (540О С). Вновь нагретый пар подаётся по паропроводам 6 в цилиндр среднего давления (ЦСД) 10. После расширения пара в ЦСД до давления 0,2 - 0,3 МПа (2 - 3 ат) пар с помощью выхлопных труб подаётся в ресиверные трубы 7, из которых направляется в цилиндр низкого давления (ЦНД) 9. Скорость течения пара в элементах турбины 50-500 м/с. Лопатка последней ступени турбины имеет длину 960 мм и массу 12 кг. ........ КПД тепловых машин и паровой идеальной турбины, в частности, определяется выражением: , где - теплота, полученная рабочим телом от нагревателя, - теплота, отданная холодильнику. Предельное (максимальное) значение КПД , где - температура нагревателя, - температура холодильника, т.е. температуры пара на входе и выходе турбины соответственно, измеряемые градусах Кельвина (К). Для реальных тепловых двигателей . ........Для повышения КПД турбины понижать нецелесообразно ; это связано с дополнительным расходом энергии. Поэтому для увеличения КПД можно увеличить . Однако для современного развития технологий здесь уже достигнут предел. ........Современные паровые турбины делятся на: конденсационные и теплофикационные. Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование). ........Тепловые электростанции, на которых установлены конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт таких электростанций - электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии используется на собственные нужды электростанции и, иногда, для снабжения теплом близлежащего населённого пункта. Обычно это посёлок энергетиков. Доказано, что чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее, и тем ниже стоимость 1 кВт ус-тановленной мощности. Поэтому на конденсационных электростанциях устанавливаются турбогенераторы повышенной мощности. ........Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. Но основной конечный продукт таких турбин - тепло. Тепловые электростанции, на которых установлены теплофикационные паровые турбины, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Теплофикационные паровые турбины делятся на: турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара и с отбором и противодавлением. ........У турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей (варка, сушка, отопление). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной турбиной или электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии. У турбин с отбором и противодавлением часть пара отводится из 1-й или 2-й промежуточных ступеней, а весь отработавший пар направляется из выпускного патрубка в отопительную систему или к сетевым подогревателям. ........Турбины являются самыми сложными элементами ТЭС. Сложность создания турбин определяется не только высокими технологическими требованиями к изготовлению, материалами и т.п., но главным образом, большими затратами на разработку конструкции турбины. В настоящее время число стран выпускающих мощные паровые турбины не превышает десяти. Наиболее сложным элементом является ЦНД. Основными производителями турбин в России является Ленинградский металлический завод (г. С. Петербург) и турбомоторный завод (г. Екатеринбург). ........Низкое значение КПД паровых турбин и обусловливает эффективность его первоочередного повышения. Поэтому именно паротурбинной установке уделяется основное внимание. ........Основными потенциальными методами повышения экономичности паровых тур-бин являются: • аэродинамическое совершенствование паровой турбины; • совершенствование термодинамического цикла, главным образом, путём повышения параметров пара, поступающего из котла, и снижения давления пара, отработавшего в турбине; • совершенствование и оптимизация тепловой схемы и её оборудо-вания. Аэродинамическое совершенствование турбин за рубежом в последние 20 лет обеспечивалось использованием трёхмерного компьютерного моделирования турбин. Прежде всего, необходимо отметить разработку саблевидных лопаток. Саблевидными лопатками называются изогнутые лопатки, напоминающие по внешнему виду саблю (в зарубежной литературе используются термины «банановая» и «трёхмерная»). ........Фирма Siemens использует «трёхмерные» лопатки для ЦВД и ЦСД (рис. 2.6), где лопатки имеют малую длину, но зато относительно большую зону высоких потерь в корневой и периферийных зонах. По оценкам фирмы Siemens использование пространственных лопаток в ЦВД и ЦСД позволяет увеличить их КПД на 1—2 % по сравнению с цилиндрами, созданными в 80-е годы прошлого века. ........ ........
........На рис. 2.7 показано три последовательных модификации рабочих лопаток для ЦВД и первых ступеней ЦНД паровых турбин для АЭС фирмы GEC-Alsthom: обычная («радиальная») лопатка постоянного профиля (рис. 2.7, а), используемая в наших турби-нах; саблевидная лопатка (рис. 2.7, б) и, наконец, новая лопатка с прямой радиальной выходной кромкой (рис. 2.7, в). Новая лопатка обеспечивает КПД на 2 % больший, чем исходная (рис. 2.7, а).
........Отработанный в турбине пар (давление на выходе ЦНД составляет 3 - 5 кПа, что в 25 - 30 раз меньше атмосферного) поступает в конденсатор. Конденсатор представляет собой теплообменник, по трубам которого непрерывно циркулирует охлаждающая вода, подаваемая циркуляционными насосами из водохранилища. На выходе из турбины с помощью конденсатора поддерживается глубокий вакуум. На рис.2.8 показан двухходовой конденсатор мощной паровой турбины. Рисунок 2.8 ........Он состоит из стального сварного корпуса 8, по краям которого в трубной доске закреплены конденсаторные трубки 14. Конденсат собирается в конденсаторе и постоянно откачивается конденсатными насосами. ........Для подвода и отвода охлаждающей воды служит передняя водяная камера 4. Вода подаётся снизу в правую часть камеры 4 и через отверстия в трубной доске попадает в охлаждающие трубки, по которым движется до задней (поворотной) камеры 9. Пар поступает в конденсатор сверху, встречается с холодной поверхностью и конденсируется на них. Поскольку конденсация идёт при низкой температуре, которой соответствует низкое давление конденсации, то в конденсаторе создаётся глубокое разряжение (в 25-30 раз меньше атмосферного давления). ........Для того чтобы конденсатор обеспечивал низкое давление за турбиной, и, соответственно, конденсацию пара требуется большое количество холодной воды. Для выработки 1 кВт ч электроэнергии требуется приблизительно 0,12 м3 воды; один энергоблок НчГРЭС за 1с использует 10 м3 воды. Поэтому ТЭС строят либо вблизи природных источников воды, либо строят искусственные. В случае невозможности использования большого количества воды для конденсации пара, вместо использования водохранилища, вода может охлаждаться в специальных охладительных башнях - градирнях, которые благодаря своим размерам обычно являются самой заметной частью электростанции (рис.2.9). ........Из конденсатора с помощью питательного насоса конденсат возвращается в парогенератор.
Тепловые электрические станции. Компоновка современных ТЭС. Газотурбинная установка (ГТУ). Парогазовая установка (ПГУ).
3.1. Технологический процесс получения электроэнергии на ТЭС
........Технологическая схема ТЭС, работающей на природном газе, показана на рис.3.1.
........От газораспределительного пункта (ГРП) 1 газ поступает в горелки 2, расположенные в топке котла. Для полного сгорания топлива специальным дутьевым вентилятором 28 в топку котла непрерывно подаётся горячий воздух, нагретый в воздухоподогревателе 25. Для повышения температуры воздуха используется рециркуляция: часть дымовых газов уходящих из котла специальными вентиляторами рециркуляции 29 подаётся к основному воздуху и смешивается с ним. Стены топки облицованы экранами 19 - трубами, к которым подаётся питательная вода из экономайзера (экономайзер – теплообменник, в котором вода на-гревается, горячим газом) 24. Пространство за топкой котла заполнено трубами, в которых движется пар или вода; они нагреваются горячими дымовыми газами, движущимися к дымовой трубе 26, и постепенно охлаждаются. ........Сухой насыщенный пар из топки поступает в основной пароперегреватель, состоящий из потолочного 20, ширмового 21 и конвективного элементов. В основном пароперегревателе повышается температура пара и, следовательно, его потенциальная энергия. Из конвективного пароперегревателя пар поступает в ЦВД 17 турбины (для турбин СКД — давление пара 240 ат, температура 540ОС). На выходе ЦВД давление пара 30-35 ат, температура 300-340О С. ........Если бы пар продолжал расширяться в турбине дальше до давления в конденсаторе, то он стал бы очень влажным, что приводило бы к быстрому износу деталей в ЦНД из-за эрозии. Поэтому из ЦВД относительно холодный пар возвращается в промежуточный пароперегреватель 23, где он снова нагревается до исходной температуры (540О С). Полученный пар направляется в ЦСД 16 и после расширения в ЦСД до давления 2-3ат пар поступает в ЦНД 15. ........Расширение пара обеспечивает превращение его потенциальной энергии в кинетическую энергию вращения ротора (находится на одном валу с ротором турбины) электрогенератора. Электрогенератор состоит из статора, в котором размещены обмотки трёх фаз, и ротора, представляющего собой вращающийся электромагнит; его питание осуществляется постоянным током от специального возбудителя. Электрогенератор преобразует кинетическую энергию вращающегося ротора в электрическую энергию - в трёх фазных обмотках статора наводятся ЭДС. ........Частота вращения ротора турбогенератора связана с частотой электрического тока выражением (об/мин), где - число пар полюсов (число постоянных магнитов); в двухполюсных генераторах ( ) 3000 об/мин, в четырёхполюсных ( ) - 1500 об/мин. Частота электрического тока является одним из главных показателей качества отпускаемой электроэнергии. ........Пар, покидающий ЦНД турбины, поступает в конденсатор 12, по трубкам которого непрерывно циркулирует охлаждающая вода с помощью циркуляционного насоса 9. Охлаждённая вода собирается внизу в бассейне и перетекает в аванкамеру, а оттуда циркуляционным насосом 9 она подаётся в конденсатор 12. ........Пар, поступающий из турбины в межтрубное пространство конденсатора, конденсируется и стекает вниз; образующийся при этом конденсат конденсатным насосом 6 подаётся через группу регенеративных подогревателей низкого давления (ПНД) 3 в деаэратор 8. В ПНД температура конденсата повышается за счёт теплоты кон-денсации пара, отбираемого из турбины, что позволяет уменьшить расход топлива в котле и повысить экономичность электростанции. ........В деаэраторе 8 происходит удаление из конденсата растворённых в нём газов, ухудшающих работу котла. Из деаэратора пита-тельная вода питательным насосом 7 подаётся в группу подогревателей высокого давления (ПВД). ........Регенеративный подогрев конденсата в ПНД и ПВД - это основной способ повышения КПД ТЭС. Пар, который расширился в турбине от входа до трубопровода отбора, выработал определённую мощность, поступив в регенеративный подогреватель, передал своё тепло конденсации питательной воде, а не охлаждающей, повысив её температуру и тем самым сэкономив расход топлива в котле. ........Температура питательной воды за ПВД, т.е. перед поступлением в котёл составляет в зависимости от начальных параметров пара 240 - 280О С. Таким образом, замыкается технологический пароводяной цикл преобразования энергии химических связей топлива в механическую энергию вращения ротора турбогенера-тора. ........Газообразные продукты сгорания топлива, отдав свою основную теплоту питательной воде, поступают на трубы экономайзера 24 и в воздухоподогреватель 25, в которых они охлаждаются до температуры 140 — 160О С и направляются с помощью дымососа 27 к дымовой трубе 26. Дымовая труба создаёт разряжение в топке и газоходах котла; кроме того она рассеивает вредные продукты сгорания в верхних слоях атмосферы, не допуская высокой концентрации их в нижних слоях. ........Если на ТЭС используется твёрдое топливо, то она дополнительно снабжается пылеприготовительной установкой и топливоподачей. Поступающий на ТЭС уголь в специальных мельницах размалывается до пылевидного состояния. В мельницу непрерывно специальным дутьевым вентилятором подаётся воздух, нагретый воздухоподогревателем. Горячий воздух смешивается с угольной пылью и через горелки подаётся в топку котла. ........Пылеугольная ТЭС снабжается специальными электрофильтрами, в которых происходит улавливание сухой летучей золы. ........Вследствие больших расходов на собственные нужды и худшей работы котла технические показатели пылеугольной ТЭС оказываются ниже, чем газомазутной; более низким является и КПД. ........Для изображения оборудования электростанции во всей его взаимосвязи по пару, конденсату и питательной воде используют тепловые схемы — графическое изображение отдельных элементов и трубопроводов с помощью условных обозначений. На рис.3.2 приведена тепловая схема ТЭС, изображённой на рис.3.1.
........Основным строительным со-оружением ТЭС является главный корпус, поперечный разрез по которому показан на рис.3.3. Он состоит из трёх отделений: турбинного, деаэраторного и котельного.
........В турбинном отделении на одном валу установлены: паровая турбина, электрогенератор и возбудитель (эту совокупность называют турбоагрегатом). ........Помещение, в котором размещается турбина, называется машинным залом (машзалом). Общий вид машзала типичной ТЭС показан на рис.3.4. ........Турбоагрегаты закрыты металлическими кожухами (кожух необходим, прежде всего, для обеспечения постоянного температурного режима изоляции турбины). ........Если мощность турбогенераторов не превышает 500 МВт, то они располагаются поперёк машзала; если мощность 800 МВт и выше, то вдоль машзала. ........Общий вид турбоагрегата мощностью 800 МВт показан на рис.3.5. ........На переднем плане виден возбудитель, далее электрогенератор, а на заднем плане — паровая турбина, закрытая металлическим кожухом. ........Под полом машзала находится конденсационное помещение, в котором на нулевой отметке расположен конденсатор. В конденсационном помещении также размещаются конденсатные насосы, насосы маслоснабжения, питательный насос и др. ........Котельное отделение находится в правой части главного корпуса. Здесь размещаются парогенераторы. Рядом с котельным отделением на открытом воздухе располагаются воздухоподогреватели, дымососы и дымовая труба, а также при необходимости градирня. ........Деаэраторное отделение находится между турбинным и котельным отделениями. На деаэраторной этажерке размещены деаэраторы. Конденсат, подлежащий деаэрации, и пар для его нагрева поступает в деаэраторы из турбинного отделения. Из деаэраторов питательная вода с помощью питательного насоса поступает в ПВД, а затем в парогенератор.
........В деаэраторном помещении на высотной отметке машзала расположены щиты управления парогенераторами и турбинами со всеми необходимыми приборами и автоматикой. Здесь находятся операторы, управляющие работой ТЭС. 3.3. Газотурбинные установки (ГТУ) электростанций ........Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих её работу. ГТУ, соединённую с электрическим генератором, называют газотурбинным агрегатом. ........Принципиальная схема ГТУ показана на рис. 3.6. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора, который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, состоящей из вращающихся и неподвижных решёток. Ротор компрессора приводится во вращение газовой турбиной. Поток сжатого воздуха подаётся в одну, две (как на рис. 3.6) или более камер сгорания. При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток направляется к горелочным устройствам, куда также подаётся топливо (газ или жидкое топливо). При сжигании топлива образуются продукты сгорания топлива высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить газы (их обычно называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой.
........ Рабочие газы с давлением рс подаются в проточную часть газовой турбины, принцип действия которой ничем не отличается от принципа действия паровой турбины (отличие состоит только в том, что газовая турбина работает на продуктах сгорания топлива, а не на паре). В газовой турбине рабочие газы расширяются практически до атмосферного давления pd, поступают в выходной диффузор 14, и из него - либо сразу в дымовую трубу, либо предварительно в какой-нибудь теплообменник, использующий теплоту уходящих газов ГТУ. ........ Вследствие расширения газов приводится во вращение ротор газовой турбине; т.е. происходит преобразование энергии газов в механическую энергию. Весьма значительная часть (примерно половина) энергии тратится на привод компрессора, а оставшаяся часть - на привод электрогенератора. Это и есть полезная мощность ГТУ, которая ука-зывается при её маркировке.
Тепловая схема ГТУ приведена на рис.3.7.
........На рис. 3.8 показано устройство ГТУ V94.3 фирмы Siemens. Атмосферный воздух от комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ) поступает в шахту 4, а из неё - к проточной части 16 воздушного компрессора. В компрессоре происходит сжатие воздуха. Степень сжатия в типичных компрессорах со-ставляет 13 - 17, и таким образом давление в тракте ГТУ не пре-вышает 1,3 - 1,7 МПа (13 - 17 ат). Давление пара в паровой турбине больше, чем давление газов в ГТУ в 10 - 15 раз. Малое давление рабочей среды обусловливает малую толщину стенок корпусов и лёгкость их прогрева. Именно это делает ГТУ очень маневренной, т.е. способной к быстрым пускам и остановкам. Если для пуска паровой турбины в зависимости от её начального температурного состояния требуется от 1 ч до нескольких часов, то ГТУ может быть введена в работу за 10 - 15 мин.
........Для ПГУ-450Т используется ГТУ V94.2 производства предприятия Интертурбо — совместного предприятия фирмы Siemens и АО ЛМЗ. ........На рис. 3.9 показан продольный разрез ГТУ V94.2, (верхняя часть чертежа) с закрытой нижней частью.
........Газовая турбина является наиболее сложным элементом ГТУ, что обусловлено в первую очередь очень высокой температурой рабочих газов, протекающих через её проточную часть: температура газов перед турбиной 1350 °С в настоящее время считается «стандартной», и ведущие фирмы, в первую очередь General Electric, работают над освоением начальной температуры 1500 °С. Напомним, что «стандартная» начальная температура для паровых турбин составляет 540 °С, а в перспективе - температура 600—620 °С. Температура газов за ГТУ достаточно высока, и значительное количество теплоты, полученной при сжигании топлива, в буквальном смысле уходит в дымовую трубу. Поэтому при автономной работе ГТУ её КПД неве-лик: для типичных ГТУ он составляет 35 - 36 %, т.е. меньше, чем КПД паровой турбины. ........Стремление повысить начальную температуру связано, прежде всего, с выигрышем в экономичности, который она даёт; повышение начальной температуры с 1100 до 1450 °С даёт увеличение КПД с 32 до 40 %, т.е. приводит к экономии топлива в 25 %. Ещё одним недостатком ГТУ является невозможность использования в них низкосорт-ных топлив. Она может хорошо работать только на газе или на хорошем жидком топливе, например дизельном. Паросиловые энергоблоки могут работать на любом топливе. ........Газовая турбина как паровая выполняется многоступенчатой, обычно она имеет 3 - 4 ступени. 3.4. Парогазовые установки (ПГУ) электростанций. ........Парогазовыми называются энергетические установки, в которых теплота уходящих газов ГТУ прямо или косвенно используется для выработки электроэнергии в паротурбинном цикле. ........На рис. 3.10 показана принципиальная схема простейшей парогазовой установки, так называемого утилизационного типа. Уходящие газы ГТУ поступают в котёл-утилизатор — теплообменник противоточного типа, в котором за счёт тепла горячих газов получают пар высоких параметров, направляемый в паровую турбину. ........Котёл-утилизатор представляет собой шахту прямоугольного сечения, в которой размещены поверхности нагрева, образованные сребрёнными трубами, внутрь которых подаётся рабочее тело паротурбинной установки (вода или пар). В простейшем случае поверхности нагрева котла-утилизатора состоят из трёх элементов: экономайзера 3, испарителя 2 и пароперегревателя 1. Центральным элементом является испаритель, состоящий из барабана 4 (длинного цилиндра, заполняемого наполовину водой), нескольких опускных труб 7 и достаточно плотно установленных вертикальных труб собственно испарителя 8. Испаритель работает на принципе естественной конвекции. Испарительные трубы находятся в зоне более высоких температур, чем опускные. Поэтому в них вода нагревается, частично испаряется и поэтому становится легче и поднимается вверх в барабан. Освобождающееся место заполняется более холодной водой по опускным трубам из барабана. Насыщенный пар собирается в верхней части барабана и направляется в трубы пароперегревателя 1. Расход пара из барабана 4 компенсируется подводом воды из экономайзера 3. При этом поступающая вода, прежде чем испариться полностью, многократно пройдет через испарительные трубы. Поэтому описанный котёл-утилизатор называется котлом с естественной циркуляцией. ........В экономайзере происходит нагрев поступающей питательной воды практически до температуры кипе-ния. Из барабана сухой насыщенный пар поступает в пароперегреватель, где перегревается сверх температуры насыщения. Температура получаемого перегретого пара t0 всегда, конечно, меньше, чем температура газов ?Г, поступающих из газовой турбины (обычно на 25 - 30 °С). ........Под схемой котла-утилизатора на рис. 3.10 показано изменение температур газов и рабочего тела при их движении навстречу друг другу. Температура газов плавно уменьшается от значения ?Г на входе до значения ?ух температуры уходящих газов. Движу-щаяся навстречу питательная вода повышает в экономайзере свою температуру до температуры кипения (точка а). С этой температурой (на грани кипе-ния) вода поступает в испаритель. В нём происходит испарение воды. При этом её температура не изменяется (процесс a - b). В точке b рабочее тело находится в виде сухого насыщенного пара. Далее в пароперегревателе происходит его перегрев до значения t0. ........Образующийся на выходе из пароперегревателя пар направляется в паровую турбину, где, расширяясь, совершает работу. Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор, конденсируется и с помощью питательного насоса 6, повышающего давление питательной воды, направляется снова в котёл-утилизатор. ........Таким образом, принципиальное отличие паросиловой установки (ПСУ) ПГУ от обычной ПСУ ТЭС состоит только в том, что топливо в котле-утилизаторе не сжигается, а необходимая для работы ПСУ ПГУ теплота берётся от уходящих газов ГТУ. Общий вид котла – утилизатора приведен на рис.3.11.
........Электростанция с ПГУ показана на рис. 3.12, на котором изображена ТЭС с тремя энергоблоками. Каждый энергоблок состоит из двух рядом стоящих ГТУ 4 типа V94.2 фирмы Siemens, каждая из которых свои уходящие газы высокой температуры направляет в свой котёл-утилизатор 8. Пар, гене-рируемый этими котлами, направляется в одну паровую турбину 10 с электрогенератором 9 и конденсатором, расположенным в конденсационном помещении под турбиной. Каждый такой энергоблок имеет суммарную мощность 450 МВт (каждая ГТУ и паровая турбина имеют мощность примерно 150 МВт). Между выходным диффузором 5 и котлом-утилизатором 8 установлена байпасная (обводная) дымовая труба 12 и газоплотный шибер 6.
........Основные преимущества ПГУ. ........1. Парогазовая установка — в настоящее время самый экономичный двигатель, используемый для получения электроэнергии. ........2. Парогазовая установка — самый экологически чистый двигатель. В первую очередь это объясняется высоким КПД — ведь вся та теплота, содержащаяся в топливе, которую не удалось преобразовать в электроэнергию, выбрасывается в окружающую среду и происходит её тепловое загрязнение. Поэтому уменьшение тепловых выбросов от ПГУ по сравнению с паросиловой соответствует уменьшению расхода топлива на производство электроэнергии. ........3. Парогазовая установка — очень маневренный двигатель, с которым в маневренности может сравниться только автономная ГТУ. Потенциально высокая маневренность ПТУ обеспечивается наличием в её схеме ГТУ, изменение нагрузки которой происходит в течение нескольких минут. ........4. При одинаковой мощности паросиловой и парогазовой ТЭС потребление охлаждающей воды ПГУ примерно втрое меньше. Это определяется тем, что мощность паросило-вой части ПГУ составляет 1/3 от общей мощности, а ГТУ охлаждающей воды практически не требует. ........5. ПГУ имеет более низкую стоимость установлен-ной единицы мощности, что связано с меньшим объёмом строительной части, с отсутствием сложного энергетического котла, дорогой дымовой трубы, системы регенеративного подогрева питательной воды, использованием более простых паровой турбины и системы технического водоснабжения. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........Главным недостатком всех тепловых электростанций является то, что все виды применяемого топлива являются невосполнимыми природными ресурсами, которые постепенно заканчиваются. Кроме того, ТЭС потребляют значительное количество топлива (ежедневно одна ГРЭС мощностью 2000 МВт сжигает за сутки два железнодорожных состава угля) и являются самыми экологически «грязными» источниками электроэнергии, особенно если они работают на высокозольных сернистых топливах. Именно поэтому в настоящее время, наряду с использованием атомных и гидравлических электростанций, ведутся разработки электрических станций, использующих восполняемые или другие альтернативные источники энергии. Однако, несмотря ни на что ТЭС являются основными производителями электроэнергии в большинстве стран мира и останутся таковыми, как минимум в ближайшие 50 лет. |
Рисунок 2.1
Тепловой баланс ТЭС показан на рис. 2.2.
Рисунок 2.2
Рисунок 2.3
Рисунок 2.4
Достаточно полное использование энергии пара в турбине может быть достигнуто только при работе пара в ряде последовательно расположенных турбинах, которые называются ступенями или цилин-драми. В многоцилиндровых турбинах можно снизить скорость вращения рабочих дисков. На рис.2.5 показана трёхцилиндровая турбина (без кожуха). К первому цилиндру — цилиндру высокого давления (ЦВД) 4 пар подводится по паропроводам 3 непосредственно из котла и поэтому он имеет высокие параметры: для котлов СКД — давление 23, 5 МПа, температура 540О С. На выходе ЦВД давление пара составляет 3-3,5 МПа (30 - 35 ат), а температура - 300О
Рисунок 2.5
Рисунок 2.6
Рисунок 3.1
Рисунок 3.2.
3.2. Компоновка современных ТЭС.
Рисунок 3.3
Рисунок 3.4
Рисунок 3.5
Рисунок 3.6
Рисунок 3.7
Рисунок 3.8
Рисунок 3.9
Рисунок 3.11
Рисунок 3.12
