Тепловые конденсационные электрические станции (КЭС)

Тепловые конденсационные электрические станции (КЭС) преобразовывают энергию органического топлива вначале в механическую, а затем в электрическую.

Все тепловые двигатели подразделяются:

по виду используемого рабочего тела – пар или газ;

по способу преобразования тепловой энергии в механическую – поршневой или роторный.

В поршневом способе преобразования используется потенциальная энергия рабочего тела, получаемая при его нагревании.

В роторном способе используется кинетическая энергия движущихся с большой скоростью частиц рабочего тела.

Паровая машина была единственным двигателем, используемым в промышленности и на транспорте в XVIII и XIX вв.. В настоящее время она практически не используется, а широко применявшиеся в прошлом паровозы и пароходы почти полностью сняты с производства.

В наше время наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания (ДВС), используемые на автомобильном транспорте. В стационарной энергетике ДВС находят ограниченное применение.

На современных ТЭС устанавливают паровые турбины.

В качестве тепловых двигателей на электрических станциях используется так же газовые турбины.

Для повышения эффективности работы тепловых двигателей стремятся максимально увеличить температуру рабочего тела и его давление до величин, приемлемых по условиям механической прочности конструкционных материалов.

КПД тепловой машины характеризуется

K = (Q₁ – Q₂ ) ∙ Q₁;

Для идеальной машины справедливо равенство:

(Q₁ - Q₂) ∙ Q₁ = (T₁ - T₂) ∙ T₁ = 1 -

В современных паровых установках, составляющих основу энергетики, используется пар при температуре 600^оС и давление 30 МПа (300 кг/см²). Для охлаждения рабочего тела (пара) обычно применяют холодную воду, которая понижает его температуру до 30÷40 при этом давление пара резко падает.

Рис.1 Схема преобразования энергии на тепловых станциях.

На рис. 1 схематично показаны стадии преобразования первичной энергии органического топлива в электрическую.

Основные процессы теплового цикла паровых установок происходят в следующих элементах: в парогенераторах – подвод тепла, в турбинах – расширение пара, в конденсаторах – охлаждение. С помощью насосов высокого давления производится сжатие, при котором конденсат нагнетается в парогенератор.

Схема тепловой конденсационной станции показана на рис.2.

Рис.2 Схема тепловой конденсационной электрической станции: 1-бункер, 2-дробильная установка, 3-топка, 3'-воздуходувка, 4-трубопровод, 5-змеевик, 5'-барабан котла, 6-труба, 7-первая ступень турбины, 8-вторая ступень турбины, 9-ротор генератора, 10-выводы, 11-водоём, 12-насов, 13-конденсатор, 14-насос.

Станция работает следующим образом. Из бункера 1 уголь поступает в дробильную установку 2, где он превращается в пыль. Угольная пыль вместе с воздухом из воздуходувки 3' подаётся в топку 3 парогенератора. Тепло, получаемое при сжигании угля, используется для преобразования воды в пар и подогрева пара уходящими газами в дымовую трубу. Пар при высоком давлении поступает паровую в турбину сначала в первую ступень турбины и далее во вторую ступень. В турбине энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора генератора 9, вырабатывающего электрическую энергию. Отработанный пар в турбине поступает в конденсатор 13, превращается в воду, которая насосом 12 подаётся в парогенератор (котёл) и затем цикл повторяется. Охлаждение пара в конденсаторе производится с помощью воды, забираемой из водоёма и вновь возвращается в водоём. Продукты сгорания угля проходят через очистительные установки, где выделяется зола, твёрдые частицы несгоревшего угля и прочие примеси, а оставшиеся газы через трубу 6 выбрасываются в атмосферу.

Электрическая энергия, получаемая от статора генератора, отдаётся в электрическую систему.

Рассмотрим несколько подробнее основные элементы тепловой конденсационной станции.

Пар получают в парогенераторе. Современный парогенератор представляет собой сложное техническое сооружение больших размеров, высота которого соизмерима с высотой пятиэтажного дома. В топке парогенератора сжигается превращённый в мелкую пыль уголь, газ или распылённая нефть при t =1500-2000 . Для наиболее полного сжигания топлива с помощью вентиляторов в больших количествах подаётся подогретый воздух. Появляющееся в процессе сгорания топлива тепло нагревает воду, превращает её в пар и увеличивает его t и ρ до расчётных величин. Использованные 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 количестве меньшем, чем в питьевой воде. Очистка воды производится в специальных устройствах – питателях.

По конструктивному выполнению парогенераторы подразделяются на барабанные и прямоточные (трубки экрана топки d = 32÷40 мм ∑ L_тр ≈ 50 км). Прямоточные котлы получили широкое распространение, т.к. они дешевле барабанных. Кроме того у барабанных ПГ при высоких давлениях нарушается естественная циркуляция воды и пара. Прямоточные котлы требуют чувствительного и точного регулирования подачи воды, и предъявляют очень высокие требования к её качеству.

Турбины.

Турбина активная – между её рабочими лопатками расширение пара не происходит, следовательно, давление пара не меняется.

Турбина реактивная – в ней происходит расширение пара, проходящего через каналы рабочих лопаток, в зависимости от показателей расширение пара в каналах турбины характеризуют степенями реактивности.

В настоящее время турбины выполняют многоступенчатыми, причём в одной и той же турбине могут быть как активные, так и реактивные (с различной степенью реактивности) ступени.

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

Рис. 3 Возникновение реактивной силы.

Конденсаторы. Пар, выходящий из турбины, направляют для охлаждения и конденсации в специальные устройства, называемые конденсаторами. Конденсатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого имеется большое число латунных трубок. По трубкам протекает охлаждающая вода, поступающая в конденсатор, обычно при t =10÷15 , а выходящая из него при t =20÷25 . Пар обтекает трубки сверху вниз, конденсируется и снизу удаляется (1000 МВт расход 40 м³/с, 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 подаётся в конденсатор, а в другую сторону пруда сбрасывается нагретая в конденсате вода.

В замкнутых циклах водоснабжения для охлаждения воды, нагретой в конденсаторе, сооружают градирни, представляющие собой устройства высотой 50 м. Вода вытекает струйками из отверстий лотков, разбрызгивается и, стекая вниз, охлаждается. Внизу расположен бассейн, в котором вода собирается и затем насосами подаётся в конденсатор.

Тепловой баланс КЭС.

Рис. 4 Тепловой баланс конденсационной электрической станции.