8.3 Тепловые электростанции

Конденсационные электростанции (КЭС) — тепловые паротурбинные электростанции, предназначенные для выработки электрической энергии.

В состав любой ТЭС входит следующее основное технологическое оборудование: парогенератор (паровой котел), паровая турбина (тепловой двигатель), электрический генератор, конденсатор и питательный насос (Рис. 8.1.)

Парогенератор предназначен для получения водяного перегретого пара высокого давления и температуры за счет сжигания топлива в его топке (угля, газа, мазута). Полученный пар по паропроводу подается в паровую турбину, в которой тепловая энергия (потенциальная) пара преобразуется в механическую (кинетическую) энергию вращения ротора турбины и соосно с ним связанного ротора электрогенератора. Электрогенератор на основе электромагнитной индукции вырабатывает электрическую энергию. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор, где превращается в воду, которая питательным насосом подается обратно в паровой котел и цикл повторяется. Для охлаждения пара в конденсаторе используется охлаждающая вода, забираемая насосами из внешнего водоема.

Рисунок 8.1. Принципиальная схема конденсационной электростанции.

Совершенство КЭС (ТЭС) определяется ее коэффициент полезного действия (КПД) технологического оборудования станции. КПД станции без учета расходов энергии на собственные нужды равен:

η = [ Э_выр / (G ▪ Q^r )] ▪ 100% ,

где: Э_выр ─ количество выработанной генератором электроэнергии, МДж; G ─ расход топлива за это же время, кг; Q^r ─ теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Коэффициент полезного действия (КПД) современных крупных блочных КЭС не превышает обычно 35—40%.

Процесс производства электроэнергии на всех видах ТЭС можно разделить на три цикла (рисунок 8.2.):

▪ химический цикл, протекающий в парогенераторе. Здесь происходит преобразование химической энергии, содержащейся в топливе, в процессе горения в топке парового котла, в тепловую энергию перегретого пара;

▪ механический цикл, протекает в паровой турбине. Перегретый пар подается в паровую турбину, где и происходит преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины;

▪ электрический цикл, протекающий в электрическом генераторе. Механическая энергия вращения ротора турбины передается на ротор электрического генератора, который и вырабатывает электрическую энергию.

Топливо

→

Tenлomа

→

Механическая энергия

→

Электрическая энергия

Рисунок 8.2. Схема преобразования топлива в электроэнергию

Паровой котел. Это сложное техническое сооружение, предназначенное для получения (генерации) пара заданных по давлению и температуре параметров из поступающей в него питательной воды.

Паровая турбина. Паровой турбиной называют тепловой двигатель, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию вращения ротора турбины, а затем в механическую работу на валу.

Конденсатор. Экономичность работы паровой турбины в большой степени зависит от конечного давления пара, с понижением которого увеличивается используемый тепловой перепад и возрастает КПД турбоустановки и, как следствие, всей электростанции. Снижение давления пара после выхода его из турбины осуществляется с помощью устройства, называемого конденсатором, в котором поддерживается низкое абсолютное давление в пределах 3 – 4 кПа за счет охлаждения его водой из внешнего водоема.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). К теплоэлектроцентралям относятся электростанции, которые вырабатывают и отпускают потребителям не только электрическую, но и тепловую энергию. В качестве теплоносителя тепловой энергии может быть как пар, так и горячая вода. Пар отбирают из промежуточных отборов турбины, где пар уже частично был использованный в первых ступенях расширения для выработки электроэнергии, а горячую воду с температурой 100—150°С получают в подогревателе-теплообменнике, нагревая в нем сетевую воду отобранным из турбины паром.

Технологическая схема ТЭЦ (рисунок 8.3) отличается от схемы КЭС лишь наличием промежуточного отбора пара из турбины на теплофикацию.

Рисунок 8.3. Принципиальная схема ТЭЦ, снабжающей потребителей горячей водой

Пар высокого давления из парового котла поступает по паропроводу в паровую турбину, где он расширяется, снижая давление, до давления в конденсаторе и его тепловая энергия преобразуется в механическую работу вращения ротора турбины и соединенного с ним ротора электрогенератора. Часть пара после нескольких ступеней расширения отбирается из турбины и направляется по паропроводу к подогревателю-теплообменнику. Место отбора пара, а значит, и его параметры устанавливаются с учетом требований потребителя [34].

Таким образом, в конденсатор на ТЭЦ поступает значительно меньшее количество пара, чем на КЭС, что и приводит к снижению потерь теплоты в конденсаторе, и, как следствие, повышению экономических показателей работы ТЭЦ.

Общий КПД ТЭЦ, который характеризует степень использования теплоты, расходуемой на производство обоих видов энергии одновременно для ТЭЦ, снабженных турбинами с промежуточным отбором пара, составляет около 60%, а для ТЭЦ, использующих турбины с противодавлением,— 75%.