Электрические станции

Типы станций, доля выработки на них электроэнергии, используемые энергоресурсы. Источниками электрической энергии в ЭЭС служат электростанции трех типов: тепловые электростанции (ТЭС), атомные электростанции (АЭС) и гидравлические электростанции (ГЭС). На этих станциях происходит преобразование энергии органических топлив (ТЭС), ядерных топлив (АЭС) или напора воды (ГЭС) в электрическую энергию.

Большая часть электроэнергии вырабатывается на тепловых станциях. В России эта часть достигает 70%, в мире - 90%. Тепловые электростанции используют энергию в основном нефти, газа, угля. Большинство ТЭС России, особенно в ее европейской части, используют природный газ, а в качестве резервного топлива — мазут. Подобные ТЭС называют газомазутными. В азиатской части страны на ТЭС используют уголь, который предварительно размалывается в специальных мельницах до пылевидного состояния. Такие ТЭС называют пылеугольными.

На АЭС в России вырабатывается до 15% электроэнергии (во Франции — более 70%, в Германии и Японии — около30%, в США — более 20%). Ядерное горючее получают из природного урана (из 1000 кг природного урана получают 100 кг обогащенного урана). Из обогащенного урана изготовляют тепловыделяющие элементы (твэл), которые используются в качестве топлива на АЭС. Почти все АЭС в России расположены в европейской ее части, где мало органических топлив (здесь АЭС дают 30 % электроэнергии).

На ГЭС в качестве энергоресурса используется не топливо, а возобновляемый ресурс — механическую энергию воды. Для получения мощного потока воды возводятся специальные сооружения — плотины, которые дают перепад уровней воды и обеспечивают большой напор воды, необходимый для вращения ко-леса турбины. Гидравлическая турбина соединена валом с ротором электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию. Обычно стараются с максимальной эффективностью использовать богатые гидроресурсами места, устанавливая целые каскады ГЭС — Волжский, Камский, Ангарский, Енисейский.

Принцип действия электростанций, особенности конструкций их энергоагрегатов, структурные электрические схемы станций. В основе принципа действия всех трех типов станций лежит преобразование первичной энергии (органических и ядерных топлив, механической энергии воды) в электроэнергию. Общим должен быть результат — все эти различные по используемому энергоресурсу станции должны вырабатывать напряжение вполне определённого уровня (действующего значения) при частоте 50 Гц. Подобное преобразование энергии на каждой электростанции осуществляется с использованием специальных агрегатов — электрических генераторов. Причем в качестве такого генератора всегда выбирается синхронный генератор, с помощью которого только и возможно обеспечить полную синхронность частот напряжений, генерируемых сотнями таких генераторов в ЭЭС. Но конструкции таких генераторов для различных типов станций отличаются друг от друга.

На ТЭС и АЭС органические и ядерные топлива сжигаются в специальных котлах. Выделяемая теплота греет воду, движущуюся внутри ряда труб, и в результате образуется пар, который движется к паровой турбине. За турбиной с помощью специального аппарата - конденсатора - поддерживается очень низкое давление и из-за перепада давлений на входе и выходе пар движется в турбине с очень большой скоростью, вращая ее вал. Вал турбины связан с ротором электрогенератора, вращение которого и позволяет синхронному генератору вырабатывать электроэнергию. При этом ротор генератора выполняется в неявнополюсном исполнении, а сам генератор называют турбогенератором. КПД ТЭС может достигать 40%, КПД АЭС несколько ниже, но оценить его сложно из-за неполного сгорания ядерного топлива.

На ГЭС используются синхронные машины, называемые гидрогенераторами, роторы у которых явнополюсные. Гидрогенераторы имеют частоту вращения роторов в десятки раз меньшую, чем турбогенераторы. Поскольку масса машины возрастает с уменьшением частоты ее вращения, то массы гидрогенераторов в несколько раз превышают массы турбогенераторов аналогичной мощности. Диаметры роторов турбогенераторов не превышают 1,1... 1,25 м при длине роторов до 8 м. Роторы гидрогенераторов достигают 15... 20 м в диаметре при длине до 5 м, что затрудняет установку их в горизонтальном (как у турбогенераторов) положении.

На электростанциях электроэнергия вырабатывается на так называемом генераторном напряжении, уровень которого несколько ниже требуемого уровня напряжения для эффективной его передачи на большие расстояния. Поэтому в состав станций помимо генераторов входят трансформаторы, повышающие это напряжение, выключатели, позволяющие отключать и подключать эти генераторы и трансформаторы в сеть, а также распределительные устройства, служащие для распределения электроэнергии. Выбор структурных электрических схем станций зависит от числа и мощности генераторов, типов используемых трансформаторов, требуемых уровней выдаваемого станцией напряжения и т.д. На рис.1 показан пример структурной схемы для станции с тремя энергоблоками, каждый из которых состоит из генератора, трансформатора, выключателя (изображается в виде квадрата). Отдельными стрелками показан отбор мощностей на генераторном напряжении для собственных нужд электростанций (освещения, работы вентиляторов, насосов и т.д.).