Курс лекций по дисциплине Общая энергетика для специальностей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ СПО ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине
Общая энергетика
для специальностей

	140203-"Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем"
	140206-"Электрические станции, сети и системы"
	140208-"Монтаж и эксплуатация линий электропередачи"

Разработал преподаватель Горах И.С.

Рассмотрено и утверждено цикловой комиссией

теплотехнических дисциплин

Председатель В.Б. Хомяков

Протокол №1 от 6 сентября 2011 г.

2011

Рецензент:

1. Козак А.А., ведущий инженер службы режимов и наладки

ПТО КГУП «Примтеплоэнерго»

2. Хомяков В.Б., преподаватель ФГОУ СПО ДВЭТ.

Курс лекций составлен в соответствии с рабочей программой по курсу «Тепловые электрические станции», утверждённой 16 сентября 2008 г.

Рецензия
На «Курс лекций по дисциплине «Общая энергетика» для специальностей 140206 «Электрические станции, сети и системы», 140203 « Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем » преподавателя ГОУ СПО ДВЭТ Гораха И.С.

Большой объём материала, который необходимо усвоить студентам, изложен компактно, грамотно. Исходя из этих положений, в разделах курса положен тот минимум сведений, которые требуются для успешного освоения принципов работы электростанции и её основного и вспомогательного оборудования, определены тенденции и перспективы развития энергетики в целом.

Считаем положительным аспектом то, что после каждой лекции приведены контрольные вопросы для закрепления пройденного материала, а в конце данного курса имеется алгоритм, по которому можно найти правильные ответы.

В данном томе освещены специфические вопросы нетрадиционных видов энергии, экологии, проблемы энергетики на данном этапе т.д.

Очень важно, что в данном курсе лекций имеются иллюстрации, дающие некоторое представление о пройденном материале.

Всё это характеризует Гораха И. С. как специалиста, владеющего профессиональными знаниями, богатой производственной практикой.

Рецензия
На «Курс лекций по дисциплине «Общая энергетика» для специальностей 140206 «Электрические станции, сети и системы», 140203 « Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем », 140208 «Монтаж и эксплуатация линий электропередачи» преподавателя ФГОУ СПО ДВЭТ Гораха И.С.

Курс лекций составлен в соответствии с Государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников специальностей 140206, 140203, 140208.

Курс лекций включает следующие разделы:

Тепловые электрические станции (ТЭС).
Альтернативные источники получения электрической энергии.

Введение содержит краткое описание значения данной дисциплины, связь предмета с другими дисциплинами, историю развития энергетики, как отрасли, определяющей экономику страны, ее важную роль для всех направлений производства.

Раздел 1 посвящен основным вопросам производства тепловой и электрической энергии на теплоэлектростанциях, основам расчетов преобразования химической энергии топлива в тепловую и электроэнергию, рассмотрены вопросы проектирования и компоновки тепловых электрических станций блочного типа.

Раздел 2 посвящен наиболее перспективным направлениям и разработкам в получении электрической энергии другими методами.

Содержание дисциплины полностью соответствует тематическому плану и раскрывает содержание каждой темы.

В целом курс лекций по содержанию и оформлению соответствует требованиям профессиональной подготовки специалистов по данной специальности.

Изучение каждой темы заканчивается тестовыми вопросами, при помощи которых каждый обучающийся может проверить свои знания по предмету изучения.

Рецензент _________________ В.Б Хомяков, преподаватель ФГОУ СПО ДВЭТ

Содержание

Стр.

1. Введение.	6
Раздел 1. Тепловые электрические станции (ТЭС).	9
Тема 1.1. Типы электрических станций.	9
Тема 1.2.Технологическая схема ТЭС.	13
Тема 1.3. Органическое топливо.	28
Тема 1.4. Элементы теории термодинамики.	34
Тема 1.5. Основное тепловое оборудование ТЭС.	59
Тема 1.6. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).	78
Тема 1.7. Компоновка главного корпуса и генеральный план ТЭС.	84
Тема 1.8. Газотурбинные, парогазовые и атомные электростанции.	95
Раздел 2. Альтернативные источники получения электрической энергии.	105
Тема 2.1. Нетрадиционные способы получения электрической энергии.	105
Тема 2.2. Энергетическое производство и окружающая среда.	116

Введение

Курс «Общая энергетика» является дисциплиной общепрофессионального цикла. Мы будем изучать технологию производства электрической и тепловой энергии на электрических станциях различного типа (тепловых, атомных, газовых и парогазовых).

Данный курс базируется на таких дисциплинах, как «Теоретические основы теплотехники», «Гидравлика и насосы», «Химия», «Физика» и другие.

С ростом городов, посёлков требуется потребление всё больше и больше электрической и тепловой энергии. Как Вы знаете, источниками электрической и тепловой энергии являются электрические станции, преобразующие различные виды первичной энергии, заключённой в природных энергетических ресурсах. К ним прежде всего относится органическое топливо ― твёрдое (уголь, торф, сланцы), жидкое (нефть) и газообразное (природный газ).

В настоящее время используется энергия рек, атомная энергия, в гораздо меньших масштабах используется ветровая, солнечная энергия, тепло геотермальных источников, энергия приливов и отливов и т.д. Однако подавляющая часть электрической и тепловой энергии получается от ископаемого топлива. Более 75% производимой во всём мире электроэнергии приходится на долю тепловых электрических станций, использующих органическое топливо ― уголь, нефть, природный газ.

Электрическая, а за последние 40 лет тепловая энергия, являются основными по потреблению промышленностью и бытовыми потребителями.

По производству электроэнергии Российская Федерация занимает первое место в мире. На её территории построены тепловые электростанции с такими мощными энергетическими блоками, как энергоблоки 300, 500, 800, 1200 МВт, проектируется энергоблок единичной мощностью 1500 МВт. В Приморском крае установлен и вырабатывает электроэнергию энергоблок мощностью 200 МВт. Он установлен на Приморской ГРЭС.

Россия экспортирует электроэнергию в другие страны: Китай, Монголию, Литву, Болгарию, Грузию и т.д. К сожалению с распадом СССР потребление электроэнергии и тепла несколько уменьшилось. Это связано с закрытием многих промышленных предприятий, но постепенно экономика нашей страны улучшается, и наблюдается некоторый рост потребления тепловой и электрической энергии.

22 декабря по указанию В.И.Ленина Государственной комиссией по электрификации России был принят «План электрификации России», он называется ГОЭЛРО. С тех пор все энергетики нашей страны ежегодно отмечают праздник «День энергетика» 22 декабря. Вы поступили в Дальневосточный энергетический техникум, поэтому День энергетика теперь ― и ваш праздник.

Основными путями технического прогресса в энергетике являются:

1. Увеличение мощности электростанций, а также увеличение мощности устанавливаемых основных и вспомогательных агрегатов. К ним относятся: парогенераторы, турбины, электрогенераторы, трансформаторы, различного типа подогреватели воды и пара, конденсаторы и т.д.

2. Объединение электростанций различного типа в крупные энергетические системы.

3. Повышение коэффициентов полезного действия (сокращённо КПД) основного и вспомогательного оборудования.

4. Механизация и автоматизация всех основных и вспомогательных процессов.

5. В гидроэнергетике должны сооружаться в основном мощные гидротурбины.

Повышение КПД основного и вспомогательного оборудования достигается за счёт усовершенствования машин и механизмов, а также за счёт повышения давления и температуры пара за котлом.

Исторические условия возникновения и развития энергетической техники

Так как под энергией понимают способность тел совершать работу, то физической основой энергетической техники является движение, переходящее из одной формы в другую.

Под энергетической техникой понимают совокупность средств производства, преобразования, передачи и распределения между потребителями различных форм энергии.

Фундаментальной теоретической основой энергетической техники является закон сохранения и превращения энергии.

В период первобытно-общинного строя единственным источником энергии являлись мускульные усилия человека. Освоение огня затем дало человеку источник тепловой энергии. Это было величайшим завоеванием человечества.

Лишь на поздних стадиях, уже на подступах к веку металла, начинается использование прирученных и одомашненных животных: слонов, лошадей, верблюдов, волов.

Биоэнергетика ― энергетика мускульных усилий господствовала многие тысячелетия. Она сохраняла свои позиции и в эпоху рабовладельческого общества, в котором труд раба ценился не выше, чем работа животных. Лишь когда концентрация мускульных усилий не в состоянии была решить техническую задачу (подъём больших тяжестей на высоту), стали применять изобретения древних механиков: блок, рычаг, наклонную плоскость и т.д.

Применение в рабовладельческий период (например, в I веке до нашей эры в Александрии) водяных колёс для орошения земель, а затем применение ветродвигателей (ветровые мельницы), не вызвало ещё сколько-нибудь серьёзных изменений в общем уровне энергетической техники.

Только в ХI веке, в эпоху феодального средневековья, в Европе начинают распространяться водяные и ветряные мельницы. Водяное колесо дало мощный толчок развитию металлургии, так как, во-первых, удалось повысить температуру в доменных печах, мехи которых приводились в движение от водяного колеса; во-вторых, расширились возможности откачки воды из шахт с помощью насосов, которые также приводились в движение от водяных колёс. Начиная с ХIII века, водяное колесо становится устройством, характеризующим технический уровень энергетической техники вплоть до промышленного переворота в конце ХVIII столетия.

Капиталистический способ производства вызвал к жизни новую энергетическую технику, основой которой стала паровая машина. Изобретение универсального парового двигателя явилось вторым этапом промышленного переворота ХVIII века. На смену ранней гидроэнергетике пришла теплоэнергетика.

Развитие энергетической техники протекало во взаимосвязи с развитием машин и характеризовалось непрерывным нарастанием единичных мощностей энергетических установок. В ХVIII веке в Англии была введена Уаттом единица измерения мощности «лошадиная сила», которая отражала реальные возможности одного из самых распространённых биологических «двигателей» прошлого ― конного привода. Единица мощности была определена исходя из работы, совершённой насосом, приводившимся в действие конной тягой, который откачивал воду из шахты в течение рабочего дня. Лучшие водяные и ветряные колёса средневековья достигали мощности 40÷60 лошадиных сил (1 л.с. = 0,736 кВт).

Электрификация ― это стержень современной энергетической техники. Тепловая энергия играет огромную роль в развитии энергетической техники. В энергетическом балансе тепловая энергия составляет огромную долю (97,6%) всей энергии, получаемой человеком от природы при сжигании различных видов топлива. Сюда же можно отнести часть тепловой энергии, которая получается в атомных реакторах.

Итак, качественные ступени развития энергетики можно представить в следующем виде:

1. Биоэнергетика ― использование в качестве источника механической работы биологической энергии человека и животных.

2. Механическая энергетика ― использование механической энергии потоков воды и воздуха.

3. Теплоэнергетика ― использование в качестве источника механической работы теплоты, выделяющейся при сжигании топлива.

4. Современная комплексная энергетика ― преимущественное использование в качестве первичной энергии тепловой и гидравлической, а в качестве вторичной ― электрической энергии.

5. Атомная энергетика ― использование энергии ядерных реакций.

6. Термоядерная энергетика ― использование реакции синтеза лёгких ядер с образованием более тяжёлых.

7. Использование нетрадиционных видов энергии: солнечной, приливов и отливов, МГД-генераторов и т.д.

Энергетические ресурсы и топливно-энергетический баланс.

Энергетические ресурсы ― это различное ископаемое топливо: твёрдое (уголь, торф, горючие сланцы), жидкое (нефть, мазут), газообразное (природный газ, доменный газ), водные ресурсы (реки), а также нетрадиционные виды энергии: солнечная, ветровая, геотермальная и т.д.). Ископаемое топливо является невозобновляемыми ресурсами, а такие виды энергии, как солнечная, ветровая, а также энергия рек являются возобновляемыми ресурсами.

Топливно-энергетический баланс ― это обобщающая характеристика объёмов добычи, переработки, транспорта, преобразования и распределения первичных, переработанных и преобразованных видов топлива и энергии, начиная от стадии добычи топливно-энергетических ресурсов и кончая стадией подачи всех видов топлив и энергии к энергопотребляющим установкам. Все эти этапы анализируются и прогнозируются.

Задачей составления и анализа отчётных топливно-энергетических балансов в первую очередь является получение ясной и исчерпывающей характеристики состояния топливно-энергетического хозяйства.

Анализ топливно-энергетического баланса позволяет выявить потери топливно-энергетических ресурсов, связанные с добычей топлива, а также распределением тепловой и электрической энергий в виде пара и горячей воды. Например, потери при использовании природных ресурсов составляет около 60%, остальное приходится на энергопотребляющие установки, использующие подведённое тепло, электроэнергию и топливо.

Таким образом, позволяя широко использовать природные энергетические ресурсы, широко механизировать и автоматизировать производство, электрификация непрерывно увеличивает производительность труда в энергетике.

Постепенно невозобновляемые природные ресурсы себя исчерпывают, поэтому инженеры и учёные всех развитых стран, в том числе и России, ищут новые неисчерпаемые энергетические ресурсы. На Камчатке, например, работают несколько геотермальных электростанций, в Крыму работает электростанция на солнечной энергии и таких примеров можно привести множество.

Раздел 1. Тепловые электрические станции

Тема 1.1. Типы электрических станций

1.1.1. Классификация электрических станций

Электрическая электростанция предназначена для выработки электрической и тепловой энергий для снабжения ею промышленного, сельскохозяйственного производства, коммунального хозяйства, транспорта и т.д. Тепловые электростанции (сокращённо ТЭС), предназначенные только для призводства электроэнергии, называются конденсационными (сокращённо КЭС). Эти электростанции, работающие на органическом топливе (угле, мазуте, газе), обычно стоятся вблизи мест добычи топлива. Например, Приморская ГРЭС ― вблизи от Лучегорского угольного разреза, Хоронорская ГРЭС в Читинской области ― вблизи Хоронорского месторождения углей, Нерюнгринская ГРЭС ― вблизи Нерюнгринского месторождения углей и т.д. ГРЭС расшифровывается как Государственная районная электрическая станция.

Электростанции, предназначенные для выработки электроэнергии, отпуска пара и горячей воды потребителям, называются теплоэлектроцентралями (сокращённо ТЭЦ). Выработка электроэнергии и тепла с паром и горячей водой называется комбинированной выработкой энергии. Обычно ТЭЦ строят вблизи потребителей тепла: промышленных предприятий или для снабжения теплом и горячей водой жилых массивов, городов, посёлков и т.п.

На атомных электростанциях (сокращённо АЭС), также как и на электростанциях, работающих на органическом топливе (угле, мазуте или газе), осуществляется процесс превращения энергии, содержащейся в рабочей среде (паре), в электрическую. Различие между процессами, происходящими на АЭС и ТЭС, состоит в том, что на атомных электростанциях используется энергия, выделяющаяся при распаде ядер тяжёлых элементов (урана, плутония и других), применяющихся в качестве топлива, а на тепловых электростанциях ― при сгорании органического топлива. Тепловые схемы АЭС разнообразны, хотя её паротурбинная часть остаётся практически такой же, как и на обычной электростанции.

Электростанции, использующие энергию воды, называются гидроэлектростанциями (сокращённо ГЭС).

Электростанции местного значения располагаются в непосредственной близости от потребителя и снабжают энергией только близлежащий район или город. Тепловые электростанции местного значения работают на местном или привозном топливе в зависимости от места их расположения по отношению к топливным базам. Например, Анадырская ТЭЦ является станцией местного значения, она снабжает электро- и теплоэнергией узкий район ― г. Анадырь и близлежащие населённые пункты, и работает на местном угле. Камчатские ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 снабжают электроэнергией г. Петропавловск-Камчатский, г. Елизово и другие жилые поселения и теплом г. Петропавловск-Камчатский. В качестве топлива используется привозной мазут, который поставляется морским путём.

Как правило, почти все электростанции (атомные, тепловые, ГЭС и другие) объединяются в энергосистемы.

Совместная работа ТЭС, а также включение их в энергосистемы с ГЭС даёт следующие большие преимущества:

1. Возможность наиболее рационального использования энергетических ресурсов путём соответствующего распределения электрических нагрузок ЭС. Причём основную нагрузку всей системы несут районные станции, которые являются базисными и работающие на местных топливах. Местные ЭС, работающие обычно на привозном топливе, вырабатывают меньшее количество электроэнергии, принимая на себя только колебания нагрузки, и называются пиковыми электростанциями.

2. Уменьшение резервной мощности, т.к. резерв может быть общим для всей системы и сосредоточен на одной или двух электростанциях. Поэтому отпадает необходимость в резервных агрегатах на каждой станции. Это удешевляет стоимость строительства электростанции и себестоимость производства тепло- и электроэнергии.

3. Повышение надёжности тепло- и электроэнергии вследствие больших маневренных возможностей в таких энергосистемах. Имеется возможность проведения ремонтов основного и вспомогательного оборудования на какой-либо электростанции.

При выборе строительной площадки для ТЭС необходимо учитывать ряд требований:

―как можно ближе к месторождению топлива;

―недалеко от теплопотребителей;

―наличие водных источников требуемого расхода воды.

Следует заметить, что АЭС могут строиться вблизи крупных промышленных потребителей электрической энергии, и это выгодно отличает эти электростанции от работающих на органическом топливе, расположение которых напрямую зависит от отдаленности топливного месторождения, которое влияет на затраты транспортировки. Атомные электростанции могут быть конденсационными (АКЭС) и теплоэлектроцентралями (АТЭЦ). В последние годы в некоторых странах большое внимание уделяют комбинированным атомным установкам для опреснения морских и солончаковых вод. Вполне очевидно, что такие станции будут строиться в местах, где ощущается недостаток пресной воды.

Основными направлениями развития энергетики РФ являются:

― строительство мощных электростанций, объединяемых в энергосистемы для крупных промышленных районов;

― широкое внедрение теплофикации;

― широкое использование местного топлива и гидроэнергии.

Местное значение могут иметь электростанции, использующие энергию ветра—ветровые электростанции, мощность их обычно мала, несколько МВт; электростанции солнечного излучения (5 МВт в Крыму), приливов и отливов мощностью несколько сотен МВт; энергию подземных горячих источников—геотермальные электростанции. Такие станции работают на Камчатке (Паужетская ГеоЭС, Мутновская ГеоЭС).

Электростанции в отдельных районах объединяются линиями электропередачи высокого напряжения (сокращённо ВЛ) в районные энергосистемы, эти системы между собой ― в объединённые энергосистемы (ОЭС), которые входят в единую энергетическую систему (ЕЭС). В состав энергосистемы входят электростанции, подстанции с повышающими и понижающими трансформаторами, линии электропередач.

К тепловым электростанциям местного значения относятся:

― отопительные, снабжающие теплом и электроэнергией промышленные предприятия города и удовлетворяющие коммунальные и бытовые нужды населения; на таких ТЭС установлены турбоагрегаты типа «Т»;

― промышленно-отопительные, снабжающие теплом и электроэнергией промышленные предприятия города и удовлетворяющие коммунальные и бытовые нужды населения; на таких ТЭС установлены турбоагрегаты типа «Т», «ПТ», «Р»;

― промышленные, снабжающие паром и теплом промышленные предприятия; на таких ТЭС установлены турбоагрегаты типа «П», «Р».

Местные станции, расположенные в районах, охваченных энергосистемами, присоединяются обычно к этим системам. Энергетические системы имеют централизованное диспетчерское управление, распределяющее суммарную электрическую нагрузку между отдельными электростанциями. Таким образом, формируется суточный график электрической нагрузки каждой электростанции, который определяется суточным графиком потребления электроэнергии для энергосистемы. Мощность электростанции должна быть равна потребляемой мощности плюс мощность собственных нужд электростанции. Нарушения этого равенства могут привести к непрерывным колебаниям частоты тока в энергосистеме (50 Гц).

Транспорт электро- и теплоэнергии связан с дополнительными потерями в линиях электропередачи, в тепловых сетях, например, при передачи электроэнергии потребителям по электрическим сетям достигает 89%.

Рассмотрим, какие же требования предъявляются к тепловым электростанциям.

1. Если станция работает изолированно, вне энергосистемы, то она должна иметь мощность, достаточную для покрытия тепловых и электрических нагрузок присоединённых к ней потребителей. При этом должна иметься возможность расширения станции, то есть увеличения её мощности с установкой новых дополнительных турбоустановок и котлов без нарушения её нормальной работы. Если электростанция работает в энергосистеме, то мощность её и возможность расширения устанавливаются, исходя из потребностей всей системы в целом.

2. Тепловая электростанция должна работать безаварийно, для чего она должна иметь надёжное оборудование, резерв в оборудовании, достаточный для производства ремонта и ревизий, а также обслуживающий персонал необходимой квалификации.

3. Надёжность снабжения потребителей электрической и тепловой энергией в необходимом количестве и требуемого качества является обязательным требованием, которое прежде всех других должно предъявляться к любой электростанции. А качество продукции электростанций ― это определённое напряжение и частота электрического тока, давление и температура пара и горячей воды для потребителей.

Тепловая электростанция должна иметь высокую тепловую экономичность, то есть малый расход топлива на единицу отпускаемой тепловой (ГКАЛ) и электрической энергии (КВт) и вместе с тем вырабатывать её с возможно меньшей себестоимостью. Об экономичной работе станции говорит величина, называемая удельным расходом топлива, то есть отношением расхода топлива в граммах на величину вырабатываемой тепловой и электрической энергии. С другой стороны, общая сумма расходов по эксплуатации тем меньше, чем дешевле топливо и чем выше КПД станции.

5. Расход электрической и тепловой энергии на собственные нужды станции должен быть минимальным.

Таким образом, электростанция должна проектироваться для работы на дешёвом топливе, по возможности на местном, а не на привозном, а оборудование станции должны работать с высоким КПД.

Контрольные вопросы.

1. Какие электростанции называются конденсационными?

2. Какие преимущества даёт объединение электростанций в энергосистемы?

3. Какие электростанции называются теплоэлектроцентралями?

4. Какие ТЭС относятся к электростанциям местного значения?

5. Какие электростанции обычно располагаются вблизи месторождения топлива и гидроресурсов?

6. Какие электростанции обычно располагаются вблизи от потребителей тепло- и электроэнергии?

7. Какие требования должны быть учтены при выборе строительной площадки для ТЭС?

1.1.2. Основные элементы паровых электростанций

Всякая паровая электростанция состоит из следующих основных элементов:

1. Котельный цех, в котором установлены котлы и вспомогательные элементы котлоагрегата (дымососы, дутьевые вентиляторы, насосы различного назначения и др.). В зависимости от местных условий вспомогательное оборудование может быть установлено в других помещениях.

2. Турбинный цех, где установлены паровые турбины, генератор, различные теплообменные подогреватели, насосы (сетевые , циркуляционные, конденсатные, питательные и др. на некоторых электростанциях котельный и турбинный цеха имеют общую администрацию, и называются котлотурбинным цехом.

3. Топливно-транспортный цех, состоящий из сооружений топливоснабжения (вагоноопрокидыватель, топливный склад, местные железнодорожные пути и др.), топливоподачи (ленточные транспортёры, бункеры угля и пыли), угле- и пылеразмолочные устройства (мельницы) и другое вспомогательное оборудование.

4. Цех тепловой автоматики и измерений (ЦТАИ), обслуживающий все приборы, предохранительные устройства, осуществляет поверку приборов и т.д.

5. Электроцех обслуживает электрогенераторы, трансформаторы, распределительные устройства, в том числе и собственных нужд, электрические кабели, связь и т.д.

6. Химический цех, в котором установлены Na- и Н-катионитовые фильтры, различного назначения насосы, обессоливающая установка. В составе химцеха имеется химическая лаборатория, где проводят анализы топлива, воды и т.д.

7. Различные служебные и бытовые помещения (мастерские, лаборатории, кладовые, душевые, административные помещения и другие).

1.1.3. Суточные графики потребления энергии

Потребляемая мощность, как тепловая, так и электрическая, изменяется в течение суток в зависимости от характера потребителей. Основную нагрузку даёт промышленное потребление энергии, транспорт, бытовые нужды.

Общая нагрузка электростанции состоит из нагрузок потребителей и расхода тепло- и электроэнергии на собственные нужды, а также на покрытие потерь в тепловых и электрических сетях. Изменение потребной электрической нагрузки и потребного расхода тепла по часам суток выражается диаграммами, которые называются суточными графиками нагрузок; на этих графиках по оси абсцисс откладывается время от 0 до 24 часов, по оси ординат ― потребление мощности в МВт (или кВт), или тепла в Гкал/час (или ккал/час). График электрической нагрузки базисной районной электростанции выглядит примерно, как на рис.1.

КВт

0 4 8 12 16 20 24 Часы суток

Рис.1.

Бытовое потребление тепла (отопление, горячее водоснабжение и вентиляция) имеет значительно отличающиеся суточные графики в зависимости от времени года. Летом потребление тепла для отопления и вентиляции практически отсутствует. Суточные графики потребления не остаются постоянными в течение года, а изменяются в большей или меньшей степени в зависимости от рода потребителей. Промышленные потребители практически имеют почти постоянный суточный график потребления электроэнергии в течение всего года.

Как правило, все тепловые электрические станции работают по заданному диспетчерской службой электрическому и тепловому графикам. Диспетчерская служба в случае необходимости вносит определённые изменения в эти графики.

Тема 1.2. Технологическая схема ТЭС

1.2.1. Тепловая схема ТЭС

Принципиальная тепловая схема электростанции (сокращённо ПТС) определяет основное содержание технологического процесса преобразования тепловой энергии в электрическую. Схема включает в себя основное и вспомогательное оборудование, участвующее в осуществлении этого процесса, и входящее в состав пароводяного тракта электростанции. На чертеже, изображающим принципиальную тепловую схему, показывается теплоэнергетическое оборудование вместе с линиями (трубопроводами) пара, воды, конденсата и других теплоносителей, связывающими это оборудование в единую систему. Принципиальная тепловая схема изображается как одноагрегатная и однолинейная схема, одинаковое оборудование изображается на схеме условно 1 раз.

Тепловая схема современной электростанции определяется как типами основного оборудования (котельные агрегаты с естественной циркуляцией или прямоточные, турбоагрегаты конденсационные с нерегулируемым отборами пара, теплофикационные с нерегулируемыми и регулируемыми отборами пара, с противодавлением); способом отпуска тепла потребителям (горячей водой, паром непосредственно из отборов или противодавления турбин, через паропреобразователи, паром из регулируемых отборов, от котельного агрегата через редукционно-охладительную установку, сокращённо РОУ); системой регенеративного подогрева питательной воды, сильно зависящей от схемы отпуска тепла и способа приготовления добавочной воды.

Рассмотрим работу тепловой электрической станции (рис.2).

В топке парогенератора (2) сжигается поступающее через горелки (1) топливо. Образующиеся при сжигании топлива газы высокой температуры движутся вдоль кипятильных трубок (3) парогенератора, в нижнюю часть которых поступает вода из барабана (4) парогенератора. Вода подаётся питательным насосом (16) в барабан, из которого котловая вода, перемешанная с питательной, направляется по опускным трубам (на рисунке не показаны) в кипятильные трубы. Проходя по кипятильным трубкам снизу вверх, вода частично превращается в пар. Образовавшаяся пароводяная смесь поступает в верхнюю часть барабана (4), где пар отделяется от воды и затем направляется в пароперегреватель (5), где температура пара повышается до 500÷550⁰С и более. Перегрев пара происходит за счёт теплоты дымовых газов, покидающих топку парогенератора. Пар из пароперегревателя по паропроводам (7) поступает в паровую турбину (6), приводя её во вращение с частотой, необходимой для электрогенератора тока (11).

После турбины пар поступает в конденсатор (12). По трубкам циркуляционным насосом (13) прокачивается охлаждающая вода. В конденсаторе пар конденсируется, и его конденсат откачивается конденсатным насосом (14) в питательный бак (15), то есть в деаэратор для удаления из питательной воды агрессивных газов. Деаэрированная питательная вода подаётся питательным насосом в парогенератор, и этот цикл повторяется.

Деаэрированной водой называется вода, из которой удалены кислород и углекислота. Удаление этих компонентов производится в специальном теплообменнике ― деаэраторе.

Рис.2 Упрощённая схема тепловой электростанции:

1―горелки; 2―парогенератор; 3―кипятильные трубки; 4―барабан; 5―пароперегреватель; 6―паровая турбина; 7―паропроводы; 8―паровпуск; 9―рабочие колёса турбины; 10―вал турбины; 11―генератор; 12―конденсатор; 13―циркуляционный насос; 14―конденсатный насос; 15―питательный бак; 16―питательный насос.

1.2.2. Тепловые нагрузки ТЭЦ

Тепловая энергия требуется для технологических нужд промышленности, для отопления и вентиляции производственных, жилых и общественных зданий, кондиционирования воздуха, для горячего водоснабжения (ГВС). Для производственных целей обычно требуется перегретый пар, температура которого на 15÷20⁰С выше температуры насыщения, так как при транспортировке к потребителю часть пара конденсируется и соответственно при этом происходит потеря теплоты. На отопление, вентиляцию от ТЭЦ вода поступает при температуре 95÷180⁰С, в зависимости от расчётного температурного графика.

Таким образом, централизованная система теплоснабжения включает в себя:

теплоисточник (ТЭЦ или котельная), трубопроводы для транспортирования тепла (пара или воды) и установки теплопотребителей, использующие теплоту для промышленных или бытовых нужд.

Централизованное теплоснабжение от ТЭЦ в качестве источника теплоты называется теплофикацией. Тепловая нагрузка электростанции, определяемая расходом теплоты на производственные процессы и бытовые нужды (горячее водоснабжение), практически не зависит от температуры наружного воздуха.

Однако летом эта нагрузка несколько меньше, чем зимой. Ведь летом отопления нет. В то же время промышленная и бытовая тепловые нагрузки резко изменяются в течение суток. Кроме того, среднесуточная нагрузка электростанции при использовании теплоты на бытовые нужды в конце недели, в предпраздничные и праздничные дни значительно выше, чем в другие рабочие дни недели.

При небольших изменениях температуры наружного воздуха отопительная и вентиляционная нагрузки жилых помещений в течение суток сохраняются практически постоянными. В тех же условиях отопительная нагрузка общественных зданий и промышленных предприятий может в течение суток заметно изменяться, в нерабочие дни недели ― значительно понижаться. Вентиляционная нагрузка в нерабочее время вообще выключается. Такое изменение расхода теплоты на отопление и вентиляцию общественных зданий и промышленных предприятий приводит к экономии топлива, расходуемого на эти цели.

Рассмотрим суточный график тепловой нагрузки на рис.3 ( ― зима, ―лето).

Отопительная тепловая нагрузка, расход тепла на вентиляцию и кондиционирование воздуха зависят от температуры наружного воздуха и имеют сезонный характер.

Расход теплоты на отопление и вентиляцию ― наибольший зимой и полностью отсутствует в летние месяцы. На кондиционирование воздуха теплота расходуется только летом, поэтому расширение сферы применения кондиционированного воздуха приведёт к повышению эффективности теплофикации.

На кондиционирование воздуха теплота расходуется

Q, только летом, поэтому расширение сферы применения

ГДж/ч кондиционированного воздуха приведёт к повышению

эффективности теплофикации.

ТЭЦ отпускает тепло на отопление по расчётным

графикам в зависимости от температуры наружного

воздуха. Существуют такие расчётные температурные

0 6 12 18 24 ч графики: 95/70⁰С, 130/70⁰С, 150/70⁰С, 180/70⁰С.

Рис. 3. Первая цифра означает температуру прямой сетевой воды, идущей к потребителю на отопление, вторая цифра ― температуру обратной сетевой воды, идущей от потребителя на ТЭЦ. Использование температурного графика от расчётной температуры наружного воздуха на отопление. Температурный график 180/70⁰С используется редко и в основном на Крайнем Севере, где очень холодно. Например, Владивостокская ТЭЦ-1 работает по температурному графику 150/70⁰С при расчётной температуре наружного воздуха –24⁰С, а ВТЭЦ-2 ― по графику 130/70⁰С и в настоящее время является отопительной котельной на мазуте.

Централизованный отпуск тепла ТЭЦ и частично другими источниками (котельными) на отопление, вентиляцию и бытовые нужды составляет около трети всего теплового потребления.

Максимальный расход тепла на отопление соответствует расчётной температуре наружного воздуха t^р_н, которая принимается равной средней температуре наиболее холодных пятилеток из восьми наиболее холодных зим на пятидесятилетний период.

Температура наружного воздуха зависит от климатических условий местности и в течение года изменяется в широких пределах. Отопительно-вентиляционная нагрузка отключается от потребителей при температуре наружного воздуха +8÷10⁰С, что соответствует продолжительности отопительного сезона около 5000 ч/год при общей продолжительности года 8760 часов.

Приведем несколько примеров продолжительности отопительного сезона некоторых городов при расчётной температуре наружного воздуха для отопления:

г. Анадырь (-40⁰С) 7400 часов г. Благовещенск (-34⁰С) 5088 часов

г. Владивосток (-24⁰С) 4824 часа г. Москва (-26⁰С) 4920 часов

Промышленные предприятия являются круглогодовыми потребителями технологического пара и горячей воды и одновременно сезонными потребителями теплоты с горячей водой для отопления и вентиляции. Пароснабжение таких потребителей должно обеспечиваться с высокой надёжностью, так как перерывы в подаче пара или даже снижение подачи влекут за собой большой материальный ущерб из-за нарушения технологического процесса.

Контрольные вопросы.

1. Из каких основных элементов состоит паровая электростанция?

2. Какая вода называется деаэрированной?

3. Что включает в себя централизованная система теплоснабжения?

4. Что называется теплофикацией?

1.2.3. Отопление и горячее водоснабжение (ГВС)

Как мы уже знаем, отопление действует в холодное время года, и начало отопительного сезона определяется снижением среднесуточной температурой наружного воздуха ниже +8÷10⁰С в течение трёх суток подряд. И наоборот, окончание отопительного сезона определяется той же температурой +8÷10⁰С, но принимается во внимание повышение наружной температуры воздуха.

Согласно санитарно-гигиеническим нормам температура внутри жилых помещений t_в должна поддерживаться на уровне +18÷20⁰С, В школах, детских садах, поликлиниках и больницах ― +20⁰С, в административных зданиях ― +18⁰С, в кинотеатрах ― +14⁰С, в магазинах ― +15⁰С, в учебных институтах и техникумах ― +16⁰С и т.д.

Через отопительные приборы потребителей необходимо передавать столько теплоты, сколько теряет здание с тепловыми потерями Q_ТП, которые зависят от кубатуры здания по наружному обмеру, и от разности внутренней и наружной температур. Отопительные характеристики зданий определяются по материалам типовых серий зданий, применённых для застройки данного района.

Потребление теплоты на горячее водоснабжение (сокращённо ГВС) является круглогодичным, однако средняя нагрузка летом снижается относительно зимней на 15÷25%. График нагрузки ГВС в течение суток подобен суточному графику потребления электроэнергии, который мы рассматривали в прошлом году. Суточные графики нагрузки ГВС различны для рабочих и выходных дней недели. Особенно высокий вечерний пик. Эта нагрузка наблюдается в субботу.

Среднесуточный расход тепла на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий, предприятий коммунального обслуживания определяется по нормам расхода горячей воды.

Норма потребления горячей воды принимается по СНиПу (Строительные Нормы и Правила ― руководящие документы). Например: жилые дома с ваннами, душами, умывальниками и т.д. на одного жителя ―100 л/сутки:

общежития с общими душевыми ― 130 л/сутки;
гостиницы с общими ваннами и душами ― 70 л/сутки;
больницы и санатории на одного пациента (одна койка) ― 180 л/сутки;
школы (один учащийся и преподаватель в смену) ― 8 л/сутки.

1.2.4. Системы теплоснабжения

Схемы тепловых сетей зависят от размещения источников тепла (ТЭЦ или котельных) по отношению к району теплового потребления, характера тепловой нагрузки и вида теплоносителя.

При выборе схемы тепловой сети исходят из условий надёжности и экономичности, стремясь к получению наиболее простой конфигурации сети и наименьшей длины теплопроводов.

Для транспортирования тепла в качестве теплоносителя используется вода или водяной пар.

Водяные тепловые сети применяются для удовлетворения отопительно-вентиляционной нагрузки, нагрузки горячего водоснабжения и промышленной технологической нагрузки низкого потенциала (температура ниже 100⁰С). Паровые сети применяются для удовлетворения промышленной и технологической нагрузок высокого потенциала (температура выше 100⁰С).

В зависимости от числа параллельно проложенных трубопроводов, используемых для транспортирования тепла, водяные системы теплоснабжения делятся а однотрубные, двухтрубные, трёхтрубные и многотрубные. Минимальное число трубопроводов в открытой системе теплоснабжения ― один, в закрытой ― два. Многотрубные системы обычно представляют собой комбинацию закрытых и открытых систем теплоснабжения.

Паровые системы теплоснабжения сооружаются двух типов: с возвратом конденсата и без возврата конденсата. В системах с возвратом конденсата конденсат отводится из тепловых приборов потребителей и может использоваться в абонентских установках для ГВС.

По числу параллельно проложенных паропроводов паровые системы делятся на однотрубные, двухтрубные и многотрубные.

В однотрубных паровых системах пар подаётся во все абонентские установки по одному общему трубопроводу. Однотрубные паровые системы применяются тогда, когда всем потребителям требуется пар одного давления, тепловая нагрузка постоянная в течение круглого года допустимы перерывы в подаче пара потребителю. Двухтрубные паровые системы применяются при недопустимости перерывов в подаче пара.

1.2.5. Подпитка тепловой сети

Протяжённость тепловых сетей в городах, особенно в мегаполисах, достигает несколько сотен километров, к тепловым сетям присоединены тысячи потребителей, поэтому утечки теплоносителя неизбежны. Потери тепла в системах теплоснабжения являются внешними потерями, которые характерны именно для ТЭЦ. Потери тепла иногда достигают нескольких сотен тонн в час. Поэтому на ТЭЦ эти потери должны восполняться, причём не сырой водой, а химически обработанной и деаэрированной.

Для восполнения потерь теплоносителя в сетях предусмотрено множество оборудования, собираются схемы подготовки добавочной воды именно для тепловых сетей. К числу оборудования подпитки теплосети можно отнести: подогреватель исходной сырой воды, различные фильтры химической водоочистки, деаэратор подпитки теплосети, причём применяются либо вакуумные деаэраторы, либо деаэраторы атмосферного типа, подпиточный насос и соответствующие соединительные трубопроводы и арматура.

На некоторых электростанциях дополнительно применяются декарбонизаторы, предназначенные для удаления углекислоты из добавочной воды. Декарбонизатор включается, как правило, перед вакуумным деаэратором, и уже насосом подпиточная вода из декарбонизатора направляется в деаэратор. Включение в схему подпитки теплосети декарбонизатора позволяет вместе с вакуумным деаэратором полностью удалить углекислоту из подпиточной воды. Этот способ основан на экспериментально установленном эффекте перераспределения долей углерода, удаляемых из добавочной воды в декарбонизаторах и вакуумных деаэраторах, при изменении температуры исходной воды перед декарбонизатором.

Таким образом, система подпитки добавочной воды для тепловой сети является важнейшим узлом ТЭЦ, к которой предъявляются жёсткие требования.

1.2.6. Основное и вспомогательное оборудование

теплофикационных установок

Вода, подаваемая в тепловую сеть для нужд потребителей, на ТЭЦ подогревается в сетевых подогревателях турбоустановок, в пиковых подогревателях и в пиковых водогрейных котлах, которые относятся к основному теплофикационному оборудованию ТЭЦ. К вспомогательному теплофикационному оборудованию относятся: подпиточная установка теплосети, сетевые насосы, баки-аккумуляторы, рециркуляционные насосы водогрейных котлов и т.д.

Пиковые водогрейные котлы (ПВК) предназначены для установки на ТЭЦ с целью покрытия пиков теплофикационных нагрузок. Пиковые водогрейные котлы обычно устанавливаются в отдельных помещениях на крупных ТЭЦ или в главном корпусе на небольших ТЭЦ. Топливом этих котлов служит большей частью мазут или газ. Ввиду малого использования в течение года пиковые котлы выполняют простыми по конструкции и недорогими. Здание может выполняться лишь для нижней части котлов, верхняя часть их при этом остаётся на открытом воздухе. До ввода в работу ТЭЦ водогрейные котлы можно использовать для временного централизованного теплоснабжения района. Сетевая вода нагревается последовательно в сетевых подогревателях до 110÷120⁰С, а затем в ПВК до 150⁰С максимально.

Во избежание коррозии металла котла температура на входе в него должна быть не ниже 50÷60⁰С, что достигается рециркуляцией и смешением горячей и холодной воды. Расчётный КПД водогрейных котлов на газе и мазуте достигает 91÷93%. Выпускаются и используются ПВК на угле. У них своя пылеподготовка, дымососы и другое оборудование.

Пароводяные подогреватели теплоподготовительных установок предназначены для подогрева сетевой воды паром от турбин или от котлов через редукционно-охладительные установки (сокращённо РОУ).

Сетевые насосы служат для подачи горячей воды по теплофикационным сетям и в зависимости от места установки применяются в качестве насосов первого подъёма, подающих воду из обратного трубопровода в сетевые подогреватели; второго подъёма для подачи воды после сетевых подогревателей в теплосеть; рециркуляционных, установленных после пиковых водогрейных котлов.

Сетевые насосы должны обладать повышенной надёжностью, так как перебои или неполадки в работе насосов сказываются на режиме работы ТЭЦ и потребителей.

Основной особенностью работы сетевых насосов являются колебания температуры подаваемой воды в широких пределах, что в свою очередь вызывает изменение давления внутри насоса. Сетевые насосы должны надёжно работать в широком диапазоне подач. Обычно сетевые насосы выполняются центробежными, горизонтальными, с приводом от электродвигателя.

Контрольные вопросы.

1. От чего зависят схемы тепловых сетей?

2. С какой целью на ТЭЦ производится подпитка добавочной водой тепловых сетей?

3. Какое теплофикационное оборудование относится к вспомогательному?

4. Что является основной особенностью работы сетевых насосов и для чего они применяются?

1.2.6. Топливный тракт электростанции

Для создания запаса топлива на случай временных перерывов или снижения его подачи с места добычи а также для возможности разгрузки и хранения топлива, прибывающего на станцию, служат топливные склады. Основные склады обычно рассчитываются на запас топлива месячной потребности при максимальной нагрузке станции. Ёмкость склада в каждом отдельном случае согласовывается с организацией, которая запроектировала станцию, и устанавливается в зависимости от климата районов, по которым проходят железнодорожные пути и может достигать иногда 23-х-месячной потребности топлива. Как правило, топливные склады располагаются вблизи станции и бывают открытого типа (на свежем воздухе). Лишь при расположении складов в городах их иногда во избежание запыления окружающей местности обносят со всех сторон высокими плотными заборами.

Вагоноопрокидыватель имеется и на ТЭЦ-2. Этот процесс гораздо быстрее ручной разгрузки и автоматизирован.

Твёрдое топливо (уголь) обычно подаётся вагонами полуоткрытого типа. Если топливо замёрзшее, то его очень трудно разгружать. Поэтому в основном используются вагоноопрокидыватели. Вагоноопрокидыватель имеется и на ТЭЦ-2. Этот процесс гораздо быстрее ручной разгрузки и автоматизирован.

При погрузочно-разгрузочных операциях на складах топлива всегда имеются весовые потери топлива вследствие раструски, пыления и т.д. Величина этих потерь зависит от способа и количества погрузочно-разгрузочных операций, а также от свойств самого топлива. Например, потери для каменного угля потери составляют примерно 11,5%, для бурого угля и торфа ― 1,52,5%.

В целях уменьшения этих потерь следует стремиться к уменьшению числа перегрузок и избегать сбрасывания топлива с большой высоты.

Рис.4 Схема топливоподачи пылеугольной ТЭС:

1―размораживающее устройство; 2―электротележка-толкатель; 3―разгрузочное устройство; 4―конвейеры от разгрузочного устройства;

5―узел пересыпки;

6―конвейеры в дробильный корпус; 7―дробильный корпус; 8―конвейеры в главный корпус;

9―главный корпус;

10―конвейер на склад; 11―конвейер со склада; 12―загрузочный бункер;

13―узел пересыпки;

14―конвейер в узел пересыпки; 15―роторная погрузочная машина-штабелёр; 16―склад топлива.

Твёрдое топливо (уголь) обычно подаётся вагонами полуоткрытого типа. Если топливо замёрзшее, то его очень трудно разгружать. Поэтому в основном используются вагоноопрокидыватели. Вагоноопрокидыватель имеется и на ВТЭЦ-2. Этот процесс гораздо быстрее ручной разгрузки и автоматизирован.

Ухудшение качества топлива, вызывающее необходимость расходования некоторого добавочного его количества, происходит вследствие следующих причин:

1. Измельчение при перегрузочных операциях и увеличения при самом хранении количества мелочи, что всегда имеет место и может увеличить содержание мелочи на 35% в месяц. Это явление особенно резко проявляется при углях типа бурых и торфа.

2. Увеличение влажности, которое при длительном хранении может быть очень значительным. Увеличение количества влаги требует добавочного топлива для её испарения.

3. Уменьшения теплотворной способности вследствие постепенного выделения из топлива летучих веществ и его окисления. Окисление является основной причиной ухудшения качества топлива и происходит за счёт кислорода, поглощаемого из воздуха и отчасти из дождевой воды, насыщенной кислородом. Оно сопровождается увеличением температуры слоя топлива, что в свою очередь содействует дальнейшему окислению.

4. Самовозгорание при некоторых сортах угля. Иногда окисление угля происходит настолько интенсивно, что при образующимся количестве тепла температура угля повышается на столько, что начинается его разложение и выделение газообразных продуктов. При доступе к ним воздуха может произойти их воспламенение, то есть явление самовозгорания угля.

Чтобы не вызвать самовозгорание топлива на открытых складах, с помощью бульдозеров производят послойную укладку угля с толщиной слоёв в 0,51,0 м таким образом, чтобы все пустоты между крупными кусками были заполнены мелочью, после чего каждый слой должен уплотняться при помощи тракторов или бульдозеров, производящих эту операцию гусеницами или прицепным катком.

Склад твёрдого топлива не должен устраиваться в низком месте во избежание его затопления дождями и растаявшим снегом.

Современные мощные парогенераторы потребляют огромное количество топлива. Например, для обеспечения полной нагрузки блока мощность 300 МВт требуется до 100250 т/час в зависимости от его качества, блок 800 МВт ― до 1000 т/час.

В парогенераторах всегда сжигают твёрдое топливо в пылевидном состоянии. Для этого поступающая на электростанцию масса топлива подсушивается и размалывается в тонкий угольный порошок (пыль) размером частиц 50300 микрон. Пыль транспортируется по трубопроводам потоком воздуха и вдувается в топочную камеру через горелочное устройство (горелки). Задача горелочных устройств ― обеспечить наиболее полное перемешивание пылевидного топлива с воздухом в объёме топочной камеры.

Способ сжигания топлива во взвешенном состоянии в объёме топочной камеры называется камерным или факельным сжиганием.

Газ и мазут также сжигаются в камерных топках. Мазут предварительно распыливается с помощью форсунок до мельчайших капель и горит, перемешиваясь с воздухом. Газ не требует какой-либо предварительной механической подготовки. В этом случае вся задача заключается в хорошем перемешивании его с воздухом.

На электростанцию поступает топливо с размером кусков от долей миллиметра до 150200 мм. Превращение кускового топлива в угольную пыль производится в два этапа. Сначала сырое топливо подвергается дроблению в специальном дробильном отделении до размера, не превышающего 1525 мм. Затем дроблёнка поступает в бункеры сырого угля, после чего подвергается размолу в углеразмольных мельницах до окончательного продукта ― угольной пыли с размерами частиц до 500 микрон. Одновременно с размолом топливо подсушивается до необходимой влажности, обеспечивающей хорошую текучесть пыли. В то же время нельзя пересушить пыль во избежание её взрывоопасности.

Размер фракций топлива после дробления оказывает влияние на работу системы пылеприготовления: с увеличением размера фракций дроблёнки снижается производительность пылесистемы и эффективность сушки, растёт износ мелющих органов и расход электроэнергии. С другой стороны при уменьшении размеров фракций дроблёнки происходит потеря сыпучести топлива, налипание его на рабочие органы дробильного и углетранспортного оборудования ввиду влажности топлива. Поэтому максимальный размер кусочков после дробления сильновлажных топлив должен составлять 2025 мм, а для умеренно влажных и сухих ― около 15 мм.

Чтобы не перегружать дробилку, топливо сначала пропускают через вибрационный грохот, представляющий собой наклонную решётку с отверстиями 1920 мм, которая постоянно встряхивается и более крупные фракции угля проваливаются в отверстия и вновь поступают на дробилку.

Затем мелкие фракции угля на ленточных транспортёрах поступают в мельницы, в которых уголь размельчается до состояния пыли (ШБМ ― шаровая барабанная мельница, ММ ― молотковая мельница, валковая мельница и т.д.)

Размол огромного количества топлива, сушка и доставка его к горелочным устройствам парогенераторов требует специальной системы пылеприготовления. Она может быть центральной и индивидуальной. В центральной пылесистеме подготовка пыли производится в отдельном центральном пылезаводе (ЦПЗ), откуда она распределяется по всем работающим парогенераторам станции. Индивидуальная пылесистема размещается у каждого парогенератора и обеспечивает его пылью. В этом случае предусматривается также возможность передачи пыли на другие агрегаты.

Индивидуальные пылесистемы получили более широкое распространение. Воздух для сушки дроблёнки называется первичным. После отделения грубых фракций в сепараторе готовая пыль вместе с увлажнённым после сушки топлива воздухом при температуре от 70 до 90⁰С поступает в горелки.

Оставшаяся часть горячего воздуха, так называемый вторичный воздух, также вводится в горелки.

К основным элементам системы пылеприготовления относятся: мельницы, сепараторы, циклоны, питатели сырого угля и пыли и бункеры. Сепаратор служит для регулирования тонкости пыли, выдаваемый мельницей. Чаще всего применяются центробежные сепараторы. Циклон применяется в схеме с промежуточным бункером пыли для отделения готовой пыли от транспортирующего воздуха. Транспортирующий воздух циркулирует по замкнутому контуру: мельница—сепаратор—циклон—вентилятор—мельница.

1.2.7. Сжигание жидкого топлива на электростанции

Как мы уже знаем, электростанции, работающие на жидком топливе, используют в основном мазут и очень редко сырую нефть. Мазут доставляют на электростанции железнодорожным, водным, трубопроводным транспортом. Трубопроводный транспорт применяется в случаях, когда электростанция расположена вблизи нефтеперерабатывающих заводов или магистральных мазутопроводов. Жидкое топливо по своей природе приспособлено для факельного сжигания в камерных топках парогенераторов. Для этого они требуют достаточно несложной подготовки.

Подготовка мазута перед его сжиганием заключается в отделении влаги, удалении распыливанием.

Отделение воды от мазута происходит в баках-хранилищах за счёт разности плотностей мазута и воды (мазут несколько легче воды). Вода отстаивается в нижней части баков и удаляется дренажными насосами. Отделение мазута от механических примесей происходит в фильтрах. Если на электростанцию мазут подаётся в железнодорожных цистернах, то на станции имеется приёмно-сливное устройство (как на ВТЭЦ-1). Приёмно-сливное устройство предназначено для приёма, разогрева, слива и перекачки мазута в резервуары-хранилища. Для слива мазута из цистерн требуется предварительный разогрев его в цистернах до температуры +60÷70⁰С.

При открытой разгрузке (как на ВТЭЦ-1) разогрев мазута осуществляется прямо в железнодорожных цистернах паром. При закрытой разгрузке разогрев мазута в цистернах осуществляется в тепляке.

Рис.5 Принципиальная схема мазутного хозяйства тепловой электростанции:

1―цистерна; 2―лоток приёмно-сливного устройства; 3―фильтр-сетка; 4―приёмный резервуар; 5―перекачивающий насос (погружного типа); 6―основной резервуар; 7―насос первого подъёма; 8―основной подогреватель мазута; 9―фильтр тонкой очистки мазута; 10―насос второго подъёма; 11―регулирующий клапан подачи мазута к горелкам; 12―насос рециркуляции; 13―фильтр очистки резервуара; 14―подогреватель мазута на рециркуляцию основного резервуара; 15―подогревательмазута на рециркуляцию приёмного резервуара и лотка.

При открытой разгрузке (как на ВТЭЦ-1) разогрев мазута осуществляется прямо в железнодорожных цистернах паром. При закрытой разгрузке разогрев мазута в цистернах осуществляется в тепляке. Продолжительность полного цикла при разогреве цистерн «открытым паром» в зимнее время составляет 10 часов, в том числе время слива ― 8 часов. При разогреве цистерн в тепляке этот цикл составляет 6÷7 часов, в том числе время слива ― 4 часа. Разогрев цистерн в закрытом тепляке осуществляется излучением трубных экранов, обогреваемых паром, и конвенцией циркулирующего подогретого воздуха.

Разогрев цистерн в закрытом тепляке имеет существенные эксплуатационные преимущества перед открытым разогревом мазута:

1. Уменьшается загазованность и загрязнение территории мазутослива;

2. Улучшаются условия работы и сокращается количество обслуживающего персонала;

3. Отсутствует обводнение мазута;

4. Уменьшается время разогрева цистерн и увеличивается оборачиваемость парка цистерн;

5. Сводятся до минимума потери пара.

Для подготовки мазута к сжиганию и подачи его к парогенераторам сооружается мазутонасосная, в которой размещается оборудование для разогрева и подачи мазута в котельный цех. Мазутонасосная для подачи мазута представляет собой одноэтажное здание, включающее в себя: насосное отделение, помещение щита управления, распределительный электрический щит, камеры трансформаторов, вентиляционные установки и бытовые помещения.

1.2.8. Сжигание газа на электростанции

Газ поступает на электростанцию от магистрального газопровода или от газораспределительной станции с давлением 0,7÷1,3 МПа по одной линии подземного трубопровода. Для снижения давления газа у форсунок парогенераторов до 0,13÷0,20 МПа предусматривается его дросселирование в газорегулирующем пункте.

Подготовка газа к его сжиганию в топке парогенератора заключается в фильтровании (отделении взвешенных твёрдых частиц) и поддержании необходимого избыточного давления 10÷20 кПа. Основные операции по очистке газа и регулированию давления производятся в газорегуляторной станции. Для очистки газа от механических примесей применяются фильтры.

Рис.6 Схема газового хозяйства ТЭС:

1―запорная задвижка; 2―расходомер;

3―фильтр;4―регулятор давления; 5―предохранительный клапан; 6―байпасная линия; 7―регулятор расхода газов; 8―импульсный отсечной быстродействующий клапан; 9―пробковый кран.

При эксплуатации газового хозяйства необходим тщательный контроль за утечками газа, так как газовоздушная смесь взрывоопасна. Кроме того, газ может содержать компоненты, вредные для человека, такие как СО, Н₂S.

На газопроводе к каждому парогенератору имеются: запорная задвижка, шайба, регулятор расхода газа, быстродействующий импульсный отсекающий клапан, работающий автоматически в зависимости от падения давления воздуха у горелок до заданного Газопровод покрывается теплоизоляцией.

Контрольные вопросы.

1. Каковы причины ухудшения качества топлива на тепловых электростанциях?

2. Какое оборудование относится к основным элементам системы пылеприготовления?

3. В чём заключается подготовка мазута перед его сжиганием в котле?

4. В чём заключается подготовка газа перед его сжиганием в котле?

1.2.9. Газовоздушный тракт

Газовоздушный тракт является важной составной частью тепловой электрической станции, сооружение которого связано с большими трудностями и большим расходом материалов. Этот тракт в значительной мере определяют размеры ТЭС, и на транспортировку по нему дымовых газов и воздуха тратится большое количество энергии, от его работы зависит надёжность работы ТЭС в целом.

Тепловая электрическая станция, потребляя огромное количество топлива и воздуха, выбрасывает полученные в результате сгорания вредные вещества в окружающую среду. Поэтому в газовоздушном тракте наряду с парогенератором, тягодутьевыми машинами и газовоздухопроводами всё большее значение приобретают газоочистные устройства и дымовые трубы, которые рассеивают дымовые газы в атмосфере.

Принципиальная схема газовоздушного тракта зависит от вида топлива, от принятой по проекту схемы топливоприготовления, от типа топочного устройства котлов, от способа подогрева воздуха и т.д.

Через дымовые трубы электростанции в атмосферу поступают: летучая зола и частицы несгоревшего пылевидного топлива, сернистый и серный ангидрид, окислы азота и газообразные продукты неполного сгорания. При сжигании мазута, кроме перечисленных, ― соединения ванадия, соли натрия, частицы сажи. В золе некоторых видов топлива содержатся также мышьяк, свободная двуокись кремния, свободная окись кальция и другие. При сжигании природного газа выброс окислов азота является единственным, но весьма существенным загрязнителем атмосферы.

Примеси, содержащиеся в дымовых газах, загрязняя атмосферу, оказывают вредное влияние на организм человека, растительный и животный мир. Для защиты населения от вредных выбросов по правилам, предписываемым санитарными нормами, при проектировании электростанций должно предусматриваться отделение их от жилых районов санитарно-защитными зонами, протяжённость которых определяется количеством выбросов золы, окислов серы и азота и розой ветров так, чтобы концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе не превышала предельно допустимой концентрации (ПДК).

Это обеспечивается на электростанциях, сжигающих пылевидное топливо, установкой эффективных золоуловителей и сооружением дымовых труб большой высоты, создающих более благоприятные условия для рассеивания дымовых газов, включая и рассеивание окислов серы и азота. На электростанциях, работающих на жидком топливе, основным мероприятием является сооружение высоких дымовых труб.

Тип золоуловителей и высоту дымовых труб выбирают в соответствии с расчётом рассеивания в атмосфере выбросов из дымовых труб.

На работу золоулавливающих установок оказывают влияние следующие характеристики золы: слипаемость, то есть способность золы слипаться и налипать на стенки золоулавливающих аппаратов и газоходов; сыпучесть; плотность; абразивность; удельное электрическое сопротивление и т.д.

Рассмотрим некоторые типы золоуловителей.

Мокропрутковые золоуловители. Процессу улавливания золы в золоуловителях этой группы способствует укрупнение частиц вследствие увлажнения их тончайшими фракциями воды, подаваемой в запылённый поток газов. Осаждение улавливаемых частиц происходит на плёнку жидкости, стекающей по внутренней стенке аппарата, чем предотвращается вторичный унос уловленной золы, нередко происходящий в сухих золоуловителях.

Для защиты от коррозии и золового износа внутренние поверхности корпуса и входного патрубка облицованы кислотоупорными керамическими плитами.

Рис.7 Мокрый золоуловитель с коагулятором Вентури:

1―вход запылённых газов; 2―выход очищенных газов; 3―сопла для подачи воды в горловину трубы Вентури; 4-6―конфузор, горловина и диффузор коагулятора Вентури; 7―корпус каплеуловителя; 8―подача воды для орошения стенок каплеуловителя; 9―бункер каплеуловителя; 10―гидрозатвор; 11―подача пульпы в канал гидрозолоудаления.

При проходе запылённых дымовых газов через прутковую решётку содержащиеся в них частицы золы осаждаются на смоченных прутках и выносятся водой в нижнюю часть аппарата, где под действием центробежной силы отжимаются к орошаемой стенке цилиндра, осаждаются на ней, а затем уносятся стекающей водой в коническое днище, затем через гидрозатвор образовавшаяся пульпа направляется в канал гидрозолоудаления.

В цилиндрической части аппарата под действием центробежной силы также происходит осаждение на стенках мелких частиц золы, которые не были уловлены на прутковой решётке. Очищенные дымовые газы выходят из аппарата и направляются к дымососу.

Степень очистки мокропруткового золоуловителя зависит от скорости газов во входном патрубке, плотности золы, её фракционного и химического состава и т.д. С увеличением крупности частиц золы степень очистки возрастает.

Положительные стороны мокропруткового золоуловителя такие: высокая эффективность, относительно невысокая стоимость, умеренные габариты, простота обслуживания.

Недостатки следующие: при значительном содержании в топливе окиси калия весьма затрудняется их эксплуатация вследствие образования во входных патрубка, на прутковых решётках твёрдых отложений сульфатов и карбонатов железа; при большой слипаемости золы происходит налипание шлака на прутки (это явление происходит на Приморской ГРЭС, где используются бурые местные угли с большим содержанием глины).

КПД мокропрутковых золоуловителей колеблется от 88 до 94%.

Электрофильтры. Установка электрической очистки дымовых газов включает собственно электрофильтр и агрегат его питания. Электрофильтр представляет собой металлический или железобетонный корпус, внутри которого размещены осадительные и коронирующие (излучающие) электроды, оборудованные механизмами для удаления с них уловленной золы.

Очистка дымовых газов от уноса в электрофильтре основана на создании неравномерного электрического поля высокого напряжения и образовании коронного разряда при атмосферном давлении между электродами, расположенными в корпусе (проще говоря, создаётся что-то похожее на местную молнию). Коронным называется самостоятельный электрический разряд в газе, характерный для системы электродов с резко неоднородным полем.

На излучающие электроды подаётся от агрегата электропитания выпрямленный пульсирующий электрический ток высокого напряжения (до 80 кВ) отрицательного знака, так как отрицательные ионы более подвижны, чем положительные.

Рис.8 Горизонтальный трёхпольный электрофильтр:

1―вход запылённого газа; 2―выход очищенного газа; 3―газораспределительная решётка;

4―защитная решётка для подвода электрического тока высокого напряжения; 5―рама коронирующих электродов; 6―осадительный электрод; 7―механизм встряхивания коронирующих электродов; 8―механизм встряхивания осадительных электродов; 9―корпус электрофильтра; 10―золовой бункер; 11―газоотражательные перегородки бункеров; 12―подъёмная шахта; 13―газораспределительные подъёмные элементы; 14―конфузор за электрофильтром.

Частицы золы, встречая на своём пути ионы, поглощают их, заряжаются и под действием сил поля также двигаются к осадительным электродам, где осаждаются под действием сил электрического поля. Периодически автоматически осадительные электроды встряхиваются, и частицы золы выпадают вниз в специальный бункер, а затем удаляются.

Степень очистки электрофильтров достигает 99÷99,8%.

Достоинствами электрофильтров являются: малый расход электроэнергии и малое аэродинамическое их сопротивление, высокая степень очистки. Недостатки этих аппаратов ― громоздкость, высокая стоимость, снижение степени очистки в эксплуатации при неудовлетворительном отряхивании уловленной пыли с осадительных электродов и т.д.

Дымовые трубы. Одним из основных средств уменьшения загрязнения атмосферы вредными примесями, выбрасываемыми через дымовые трубы тепловых электрических станций, является улучшение рассеивания дымовых газов. Этому способствует уменьшение числа дымовых труб на электростанции как источников выброса и увеличение их высоты, а также скорости газов на выходе из устья трубы, что препятствует отклонению потока дымовых газов вниз. При большой высоте трубы дымовые газы, вынесенные в высокие слои атмосферы, продолжают распространяться в них, вследствие чего резко снижается концентрация вредных примесей в приземном слое воздуха.

Авария или выход из работы дымовых труб для ремонта вызывает существенный экономический ущерб, вследствие чего резко возросли требования к повышению надёжности и долговечности труб большой высоты. В РФ дымовые трубы стандартизированы. Высота дымовых труб выбирается с шагом 30 м из следующего ряда: 120, 150, 180, 210, 240, 300, 330, 360, 390, 420, 450, 500 м. Внутренние диаметры устья дымовых труб D₀ имеют следующие значения: 6,0; 7,2; 8,4; 9,6; 10,8; 12,0; 13,8 м.

Дымовые трубы работают в тяжёлых условиях. Как высотные сооружения, они подвержены мощному воздействию ветровой нагрузки и собственного веса. Кроме того, они являются замыкающим звеном газовоздушного технологического тракта ТЭС и подвергаются воздействию агрессивных нагретых дымовых газов, содержащих влагу, остаточную золу и т.д.

Для надёжной длительной работы современные конструкции дымовых труб состоят из оболочки, воспринимающей ветровые и весовые нагрузки и передающей их на фундамент. Оболочка дымовой трубы ― это монолитный железобетонный ствол (кольцевой) конической формы с уменьшающейся снизу вверх толщиной стенки. Опирается дымовая труба на железобетонный фундамент.

Число труб на тепловой электрической станции должно быть минимальным, но по условиям надёжности работы ― не менее двух. Исключение составляют многоствольные трубы (обычно 3÷4), которые могут устанавливаться по одной на ТЭС.

В железобетонной оболочке дымовой трубы могут устанавливаться несколько отделённых от футеровки металлических стволов, покрытых тепловой изоляцией. Такие трубы называются многоствольными.

Стволы выполняются из обычной или слаболегированной стали 10ХНДП толщиной 10÷12 мм. Стволы разделяют по высоте на участки и подвешиваются к оболочке металлическими тягами. Каждый ствол обслуживает свою группу паровых или водогрейных котлов. Между трубами и оболочкой образуется большое обслуживаемое пространство, где установлены лестницы и площадки. В этом пространстве могут свободно перемещаться люди, осуществляя осмотр или ремонт отключённого ствола.

1.2.10. Тракт шлакозолоудаления

Система удаления и складирования золы и шлака современных крупных электростанций, называемая золоудалением, представляет собой сложный комплекс. Её назначением является удаление шлака, образующегося в топках, и золы, уловленной золоуловителями парогенераторов, транспорт их за пределы территории электростанции и организация их складирования на золошлакоотвалах.

На действующих электростанциях РФ в основном осуществлено гидравлическое золошлакоудаление. Иногда применяются комбинированные системы, например, для сбора золы ― пневматическая, а для удаления шлака и золы за пределы территории электростанции ― гидравлическая.

Рис.9 Пневмогидрозолоудаление на пылеугольной ТЭС:

1―система шлакоудаления котла; 2―шлакодробилка; 3―канал; 4―приёмная ёмкость; 5―мокрый золоуловитель; 6―сухой золоуловитель; 7―аэрожёлоб; 8―промбункер сухой золы; 9―водоструйный смеситель золы; 10―возможная выдача золы потребителю или на склад; 11―металлоуловитель; 12―багерный насос; 13―дренажный электронасос; 14―дренажный водоструйный насос; 15―золошлакоотвал; 16―бассейн осветлённой воды; 17―насос осветлённой воды; 18―фильтр; 19―насос орошающей воды; 20―насос смывной воды; 21―осветлённая вода на промывку пульпопроводов; 22―побудительные сопла; 23―подпитка системы гидрозолоудаления; 24―сбросы сточных вод; 25―напорный бак.

Наиболее универсальной и экономичной является система гидрозолоудаления с багерными насосами, транспортирующими совместно золовую и шлаковую пульпу. Пульпа ― это смесь воды и золы и шлака.

Багерные насосы, которые перекачивают пульпу от котлов до золоотвала, могут размещаться в главном корпусе ТЭС или на некотором удалении от него.

Багерные насосы изготавливаются из износостойких материалов. На всасе багерных насосов устанавливаются приёмные ёмкости для пульпы. Поступление золы и шлака к багерным насосам осуществляется по самотечным золовым и шлаковым каналам, которые в пределах котельного цеха выполняются раздельными. Движение золы и шлака по этим каналам осуществляется под действием потока воды, поступающей из сопл, которые располагаются в торцах каналов, по их длине.

Скорость движения пульпы принимается 1,5÷1,9 м/с в зависимости от вида золошлаков и диаметра пульпопровода.

Площади, выделяемые для организации золошлакоотвалов, должны обеспечивать работу электростанции в течение не менее 25 лет. Максимальная высота золошлакоотвала должна быть 35÷40 м.

Требования, предъявляемые к системе золоудаления, в основном сводятся к следующим:

1. Удобство и безопасность обслуживания.

2. Гигиеничность, то есть невысокая температура в помещениях, в которых находится обслуживающий персонал, и отсутствие в них облаков пыли и паров воды, применяющейся для заливки горячих шлаков и золы.

3. Надёжность действия и небольшие расходы на ремонт.

4. Возможно меньший расход электроэнергии, а при гидравлических способах также и минимальный расход воды.

5. Обеспеченность местами свалки.

Системы золоудаления являются полностью механизированными.

Контрольные вопросы.

1. Чем может быть вызвано ухудшение качества топлива на открытых складах?

2. В чём заключается подготовка мазута перед его сжиганием в котле?

3. В чём заключается подготовка газа перед его сжиганием в котле?

4. От чего зависит принципиальная схема газовоздушного тракта?

5. Для чего служат дымовые трубы?

6. Что такое пульпа?

7. Какие требования предъявляются к системе золоудаления?

следующая страница >>