Курс лекций по дисциплине Общая энергетика для специальностей - umotnas.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Курс лекций для специальностей: 1-25. 01. 08 «Бухгалтерский учет... 7 2542.66kb.
Курс лекций дисциплины «Компьютерные технологии и сапр» для студентов... 4 1794.19kb.
Курс лекций по разделу «История экономических учений» для студентов... 11 5120.12kb.
Курс лекций Минск 2007 (075. 8) Ббк 65. 01 37 4487.72kb.
Курс лекций Красноярск, 2007 Сенашов, В. И 3 992.09kb.
Инструкция инженера-энергетика 1 52.63kb.
Инструкция Инженера-энергетика I. Общие положения Инженер-энергетик... 1 55.79kb.
Учебное пособие представляет полный курс по дисциплине «Общая психокоррекция» 1 36.5kb.
Курс лекций по дисциплине «корпоративное управление» тема введение... 4 1120.82kb.
Курс лекций по политологии тема 1 предмет политологии. Политология... 7 2665.02kb.
Курс лекций по дисциплине «краеведение» лисниченко валерий васильевич 2 928.46kb.
Учебно-методический комплекс для студентов обучающихся по специальностям 12 2726.1kb.
Викторина для любознательных: «Занимательная биология» 1 9.92kb.

Курс лекций по дисциплине Общая энергетика для специальностей - страница №5/6

Тема 1.8. Газотурбинные, парогазовые и атомные

электрические станции

1.8.1. Газотурбинные электростанции

Газотурбинная установка ― это тепловой двигатель, рабочее тело в котором является газом, полученным при сгорании органического топлива.

Газотурбинные электростанции как самостоятельный источник энергоснабжения в крупной энергетике распространения не получил. На Дальнем Востоке имеется только одна газотурбинная электростанция, это ― Якутская ГРЭС.

Мощность газовой турбины значительно меньше мощности паровой турбины и доходит до 200 МВт. Газотурбинные электростанции имеют КПД не выше 35÷40%, то есть ниже, чем у современных паротурбинных электростанций. По капитальным затратам газотурбинные электростанции на газовом топливе проще и дешевле паротурбинных, однако использование сернистого мазута и твёрдого топлива на газотурбинных электростанциях имеет значительные технические трудности и экономически пока не оправдываются.

В зависимости от вида применяемого топлива газотурбинные станции работают по открытому (или разомкнутому) или по закрытому (замкнутому) циклу.

воздух топливо продукты сгорания



камера

сгорания электрогенератор



компрессор газовая турбина

Рис.43.

Рассмотрим простейшую газотурбинную установку (рис.43). Она состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины с электрогенератором.

Принцип работы газотурбинной установки (ГТУ) следующий: атмосферный воздух в компрессоре сжимается и под давлением поступает в камеру сгорания, куда подаётся также газообразное или жидкое топливо. Образовавшиеся продукты сгорания направляются из камеры сгорания в газовую турбину, для которой они служат рабочим телом. Отработавшие в турбине продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Большая часть мощности газовой турбины (до 65%) передаётся электрическому генератору, остальная потребляется воздушным компрессором.

Теперь разберём работу газотурбинной электростанции открытого типа.



Газотурбинная установка открытого типа ― это ГТУ, в которой рабочее тело поступает из атмосферы, однократно проходит через все элементы ГТУ и выбрасывается в атмосферу. ГТУ открытого типа выполняются по простому циклу (мы уже рассмотрели эту схему) и по сложным циклам.

Газотурбинные установки по сложным циклам включают одну или несколько ступеней промежуточного охлаждения воздуха при сжатии в компрессоре. Рассмотрим одну из таких открытых схем ГТУ.



5 1―электрогенератор;

2―компрессор низкого

2 4 6 1 давления;

8 3―воздухоохладитель;

4―компрессор высокого

давления; 5―регенератор;

воздух t0=7000С 6―газовая турбина;

3 7 7―камера сгорания;

Рис.44. 8―пусковой двигатель.

Температура отработавших газов при атмосферном давлении очень высока (380÷4400С). По этой причине велика потеря с физическим теплом уходящих газов. Тепло это можно частично использовать в регенераторе дл подогрева воздуха перед камерой сгорания. Регенератор (поверхностный теплообменник) служит для утилизации теплоты (охлаждения выхлопных газов) путём подогрева воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Коэффициент теплопередачи от газа к воздуху через металлическую стенку невысок, поэтому поверхность нагрева, габариты и стоимость регенератора велики. Разместить регенератор можно на открытом воздухе, около здания электростанции или в пристройке к нему.

Первоначально газотурбинные установки предназначались для покрытия основной нагрузки, и их оборудовали, как правило, регенераторами.

В настоящее время признано, что газотурбинные установки должны служить для покрытия пиковой части нагрузки, регулирования частоты электрического тока, поэтому должны быть простыми и мобильными. На таких ГТУ с невысоким использованием мощности устанавливать регенератор нецелесообразно.

Мощность ГТУ открытого типа ограничена. При двух — трёх последовательно включённых компрессорах начальное давление газа перед турбиной не превышает 1,0÷1,5 МПа. А объём газа велик, что затрудняет повышение мощности такой установки.

На отечественных электростанциях с газовыми турбинами таких типов как ГТ-25-700, ГТУ-50-800, ГТ-100-750-2 принята начальная температура газов 700÷8000С, а на ГТУ-200-1000 ― 10000С.

Компоновка газотурбинных электростанций существенно отличается от компоновок паротурбинных электростанций. Газотурбинные агрегаты обычно устанавливаются поперечно в машинном зале с пролётом 36 м и ячейкой блока в 24 м. Дымовые газы отводятся в дымовую трубу высотой 120 м с тремя металлическими газоотводящими стволами.

1. 8.2. Область применения ГТУ

По назначению ГТУ разделяются на энергетические ― для привода электрогенератора, приводные ― для привода компрессоров газоперекачивающих станций, металлургических и химических производств, насосов пожаротушения и перекачки нефти и т.д., транспортные ― в качестве двигателей в авиации, водном, железнодорожном и автомобильном транспорте.

Нас интересуют только энергетические ГТУ, которые в зависимости от продолжительности работы под нагрузкой в течение года разделяются на базовые, полупиковые, пиковые и ГТУ аварийного резерва.

Важной особенностью энергетических ГТУ является зависимость их показателей от параметров наружного воздуха, и в первую очередь от его температуры. Под её влиянием изменяется расход воздуха через компрессор, соотношение внутренних мощностей компрессора и газовой турбины, и в итоге – электрическая мощность ГТУ и её КПД.

Изменение электрического КПД ГТУ в сторону его уменьшения особенно значительно при температуре наружного воздуха выше +5÷100С. С повышением температуры наружного воздуха до +15÷400С этот КПД уменьшается на 13÷27% в зависимости от температуры газов перед газовой турбиной и вида сжигаемого топлива.



1.8.3. Парогазовые установки электростанции

Сочетание паротурбинной и газотурбинной установок, объединяемых общим технологическим циклом, называется парогазовой электростанцией. Смысл объединения этих установок в единое целое заключается в снижении потерь отработавшего тепла газовых турбин или тепла уходящих газов парогенераторов и, следовательно, в повышении КПД парогазовой электростанции по сравнению с отдельно взятыми паротурбинной или газотурбинной электростанциями.

Практическое применение нашли ПГУ:

1. С низконапорной паропроизводящей установкой (ННППУ).

2. С высоконапорной паропроизводящей установкой (ВНППУ).

3. С подогревом питательной воды паропроизводящей установке теплотой уходящих газов ГТУ.

4. С котлами-утилизаторами без промежуточного перегрева в паросиловой части цикла.

В основном применение в России получили парогазовые установки с высоконапорными парогенераторами и ПГУ со сбросом отработавших газов в топочную камеру парогенераторов.






Рис.45:

топливо 6 1 2 1―паровая турбина;

2―электрогенератор;

3―конденсатор;

4―питательный насос;

5 7 2 3 5―компрессор;

6―высоконапорный

парогенератор;

воздух продукты сгорания 4 7―газовая турбина.

Высоконапорный парогенератор работает на газовом или очищенном жидком топливе с давлением в топочной камере и газоходах 0,45÷0,55 МПа. Дымовые газы, выходящие из парогенератора с высокой температурой и избыточным давлением, направляются в газовую турбину. На одном валу с газовой турбиной находится воздушный компрессор, нагнетающий воздух в топочную камеру парогенератора.



Особенностью такой парогазовой установки заключается в том, что не требуется дымосос для удаления уходящих газов высоконапорного парогенератора. Уходящие газы являются рабочим телом газовой турбины, которая используется для привода электрогенератора, и, кроме того, воздушного компрессора, замещающего дутьевой вентилятор.

Пар из высоконапорного парогенератора направляется к конденсационной паровой турбине, имеющей обычную тепловую схему, то есть с регенеративным подогревом, деаэрацией и т.д.

Благодаря использованию уходящих газов парогенератора в турбине и дополнительному использованию отработавшего тепла газовой турбины в экономайзерах для подогрева питательной воды парогенератора, КПД такой парогазовой электростанции с высоконапорным парогенератором выше, чем КПД паротурбинной, а тем более газотурбинной электростанции, и может достичь 42÷43%.

Применение схемы со сбросом отработавших газов турбины в топочную камеру парогенератора основано на том, что в камере сгорания топливо в газообразном состоянии сжигают с большим избытком воздуха. По этой причине содержание кислорода в отработавших газах турбины достаточное (16÷18%) для сжигания основной массы топлива в парогенераторе.

Парогазовые электростанции со сбросом отработавших газов в топочную камеру парогенератора имеют те преимущества, что при этом используется парогенератор обычной конструкции и возможно использование в нём любого вида топлива (твёрдого, жидкого, газового). В камере сгорания газотурбинной установки сжигают при этом в относительно меньшем количестве газ или жидкое топливо.

Парогазовая установка может состоять из паротурбинного и газотурбинного энергоблоков обычного типа. Примером может служить сочетание серийного паротурбинного энергоблока 300 МВт с газотурбинной установкой ГТ-100-750-2.

Такое объединение двух установок в общий парогазовый энергоблок имеет целью быстрое увеличение мощности паротурбинным блоком на 40÷45 МВт при отключении регенеративных подогревателей высокого давления (ПВД) в периоды пиковых нагрузок и быстрого их роста. Чтобы сохранить нормальный режим работы парогенератора, питательную воду подогревают отработавшими газами газотурбинной установки, например, в двух последовательно включённых дополнительных экономайзерах. При этом температура отработавших газов ГТУ снижается примерно до 1900С, КПД комбинированного парогазового энергоблока достигает примерно 40% при значении КПД паротурбинного энергоблока около 39%.

К парогазовым относятся также установки с парогазовыми турбинами, работающими на парогазовой смеси. В такой установке в камеру сгорания для снижения температуры продуктов сгорания топлива до требуемого значения впрыскивают воду. Испаряясь, вода с газами в виде парогазовой смеси направляется в турбину. Использование воды в камере сгорания позволяет снизить избыток воздуха для горения по сравнению с обычной газотурбинной установкой и, следовательно, несколько повысить КПД установки. Отработавшая парогазовая смесь удаляется в атмосферу непосредственно или через регенератор, в котором подогревается вода перед камерой сгорания.

Все схемы парогазовой установки предполагают частичное или полное использование высококачественного органического топлива (природного газа или жидкого газотурбинного топлива), что тормозит их широкое внедрение. В качестве примера: ПГУ мощностью 250 МВт установлена на Молдавской ГРЭС. За рубежом парогазовые установки получили широкое распространение: США, Англия, Япония, Германия, Франция. Лучшие зарубежные ПГУ работают с КПД нетто 46÷49%, они полностью автоматизированы.

Большое разнообразие существующих схем парогазовых установок и сложные связи между основным оборудованием ПГУ ― газовой турбиной, паровым котлом, паровой турбиной ― вызывают определённые трудности при расчёте энергетических показателей ПГУ. Эти трудности возрастают при комбинированной выработке в ПГУ электрической и тепловой энергии.

Парогазовые установки характеризуются сложным распределением теплоты топлива между видами отпускаемой энергии, что необходимо учитывать при определении энергетических показателей.

Парогазовые установки со сбросом газов газовой турбины в топку парового котла характеризуются тем, что уходящие газы газовой турбины являются высокоподогретыми (до 450÷5500С) окислителем с содержанием кислорода 14÷16%. По этой причине их целесообразно использовать для сжигания основной массы топлива в паровом котле.

Парогазовые установки с котлами-утилизаторами почти нигде не применяется из-за небольшой мощности установки и низкого КПД, так как пар в таком котле можно нагреть лишь до начальных параметров пара: давление ―4,0÷4,4 МПа и температура 400÷4600С.

1.8.2. Атомные электростанции. Общие сведения

В 50-х годах 20-го века тепловые электростанции пополнились новым видом ― атомными электростанциями (АЭС), на которых энергия деления ядра атома, выделяемая в виде тепловой энергии, преобразуется в электрическую. Вещество, выделяющее энергию деления ядра атома, называют условно ядерным горючим (топливом). В настоящее время имеются два класса тепловых электростанций – на органическом и ядерном топливе (горючем).

Ядерным горючим служит большей частью природный уран U-238, обогащённый ураном U-235, содержание которого в природном уране составляет менее 1%. Ядра урана U-235 обладают способностью самопроизвольного деления, сопровождающегося выделением «быстрых» нейтронов и большого количества тепла.

Скорость быстрых нейтронов составляет 10000 км/с. Главная особенность ядерного горючего, используемого на атомных электростанциях, состоит в его высокой « калорийности», что позволяет свести к минимуму транспортные расходы, связанные с доставкой топлива. Из 1 кг урана можно получить столько же теплоты, сколько при сжигании примерно 3000 т каменного угля.



Атомные электростанции имеют большое преимущество перед тепловыми в отношении сохранения чистоты атмосферного воздуха, так как они работают без выброса золы, вредных сернистых газов и окислов азота. Быстрое развитие атомной энергетики стало возможным благодаря большому размаху работ по ядерной физике.

Ядерная энергетика обязана своим появлением в первую очередь природе открытого в 1932 году нейтрона. Нейтроны входят в состав всех ядер, кроме ядра водорода. Связанные нейтроны в ядре существуют бесконечно долго. В свободном виде они недолговечны, так как или распадаются с периодом полураспада 11,7 минут, превращаясь в протон и испуская при этом электрон и нейтрино, или быстро захватываются ядрами атомов. По значению энергии нейтронов их подразделяют на тепловые, промежуточные и быстрые.



Тепловыми называют такие нейтроны, скорость которых равна скорости их теплового движения, устанавливающейся при тепловом равновесии со средой.

Самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов состоит в том, что при присоединении нейтрона к ядру образуется возбуждённое ядро, которое может оказаться столь неустойчивым, что распадается на два осколка, то есть ядра более мелких элементов. При этом испускается два или три новых нейтронов, вызывающих деление следующих ядер. Осколки деления ― это изотопы элементов, расположенных в средней части периодической системы Менделеева.



Устройство, в котором энергия деления ядер атома используется в виде тепловой энергии, называется ядерным реактором. В настоящее время на атомных электростанциях используют преимущественно реакторы на тепловых нейтронах. В этих реакторах первоначальную скорость нейтронов при выделении из ядра атомов снижают, применяя замедлители, которыми служат вещества, с небольшим молекулярным весом: обычная вода Н2О, тяжёлая вода D2О, углерод С в виде графита и другие. Тяжёлую воду добывают из обычной, в которой она содержится в очень небольшом количестве, путём сложного процесса, связанного с большими затратами энергии. Поэтому стоимость тяжёлой воды очень высока.

Недостатком ядерных реакторов на тепловых нейтронах является недостаточно полное использование ядерного топлива. Поэтому более широкое применение на атомных электростанциях получат ядерные реакторы на быстрых нейтронах, так называемые реакторы-размножители, в которых неактивные природные элементы преобразуются в активные изотопы, например, U-238 в плутоний Рu-239, торий Th-232, уран U-233, при одновременном выделении энергии, преобразуемой в электрическую. Недостатком ядерных реакторов на тепловых нейтронах является недостаточно полное использование ядерного топлива.

Рассмотрим схему реакции деления ядер урана.



Медленный нейтрон


2 235U









Осколок деления Деление Осколок деления

Быстрые нейтроны


Замедлитель


Медленные нейтроны




238U 235U




239U




Деление Осколок

Осколок деления Быстрые нейтроны деления




2
Замедлитель
39
Np нептуний






239Pu плутоний 235U Медленные нейтроны

Рис.46.

Естественным и немаловажным представляется вопрос о ресурсах самого ядерного топлива. Достаточны ли его запасы, чтобы обеспечить широкое развитие ядерной энергетики оценочным данным, на всём земном шаре в месторождениях, пригодных для разработки, имеется несколько миллионов тонн урана. Вообще говоря, это не мало, однако нужно учесть, что в получивших ныне широкое распространение АЭС с реакторами на тепловых нейтронах, практически лишь очень небольшая часть урана (около 1%) может быть использована для выработки энергии. Остальные 99% добываемого урана должны уходить в отвал. Поэтому оказывается, что при ориентации только на реакторы на тепловых нейтронах ядерная энергетика по соотношению ресурсов не так уж много может добавить к обычной энергетике ― всего лишь около 11%. Глобального решения надвигающейся проблемы энергетического голода не получается.

Совсем иная картина, иные перспективы появляются в случае применения АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, в которых используется практически весь добываемый уран. Это означает, что потенциальные ресурсы ядерной энергетики с реакторами на быстрых нейтронах примерно в 10 раз выше по сравнению с традиционной тепловой электростанцией на органическом топливе.

Основными элементами реактора на тепловых нейтронах являются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) и замедлитель, которые образуют так называемую активную зону. ТВЭЛ представляет собой заполненную ядерным топливом коррозионноустойчивую защитную трубку, то есть оболочку небольшого диаметра из специальных сплавов. Для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны её окружают отражателем, выполненным из того же материала, что и замедлитель. Рабочим телом на АЭС служит водяной пар, работающий в паровой турбине. На АЭС с реакторами на тепловых нейтронах применяют перегретый или насыщенный пар. Для работы на водяном паре применяются турбины большой мощности (500 МВт и выше), специально сконструированные на пониженное число оборотов ― 1500 об/мин.

На АЭС с реакторами на быстрых нейтронах применяются серийные турбины на перегретом паре с докритическим или сверхкритическим начальным давлением пара. В энергоблоке атомной электростанции обычно работает один ядерный реактор на одну-две турбины.

Массивные ограждения вокруг реакторов необходимы поглощения различных излучений, например, гамма-лучей, вредных для жизни обслуживающего персонала, и представляющие собой жёсткое рентгеновское излучение. Такая защита от излучений называется биологической. Её выполняют из бетона или металла (стали, чугуну, свинца) толщиной 3÷4,5 м.



Ядерные реакторы на тепловых нейтронах выполняют двух основных типов: корпусные, в которых замедлителем служит вода, и канальные, в которых замедлителем является обычно графит, а теплоносителем может быть вода или газ (углекислый или гелий).

Тепловыделяющие элементы состоят из урановых стержней в оболочках, охлаждаемых водой или газом, поддерживающими температуру стержней не выше допустимой: у оболочки +3000С, в центре +20000С. Включение в работу и выключение реактора, изменение его мощности осуществляются специальными регулирующими стержнями из вещества с большим сечением захвата нейтронов, вводимыми в каналы или выводимыми из них. Положение регулирующих стержней в каналах реактора определяет его мощность.



Корпусные реакторы, в которых замедлителем и теплоносителем служит вода, называют водоводяными энергетическими (ВВЭР); канальные, в которых замедлителем является графит, называются уран-графитовыми. Водоводяные реакторы, производящие водяной пар, то есть являющиеся одновременно парогенераторами, называют реакторами кипящего типа.

Вода или другая жидкость, проходящая через реактор, в особенности содержащая твёрдые примеси (продукты коррозии и другие), приобретает радиоактивность, вредную для человека. В связи с этим помещения ядерных реакторов и другие, через которые проходят носители радиоактивных веществ, ограждаются бетонными стенами.

Управление работой ядерных реакторов и прочего оборудования ведётся дистанционно, со щитов, находящихся в специальных изолированных и безопасных помещениях.

Всё оборудование и трубопроводы, через которые проходят радиоактивные вещества, выполняют строго герметичными. Воздух из помещений ядерных реакторов и других отсасывается вентиляционными установками и после очистки и выдержки выбрасывается в верхние слои атмосферы через высокие вентиляционные трубы. При превышении допустимой радиоактивности воздуха в помещениях начинают действовать специальные сигнальные устройства.

Существующие нормы строительства атомных электростанций предусматривают специальные меры защиты, нейтрализующие потенциальную опасность крупных аварий: герметические оболочки реакторного помещения, выбор места строительства атомной электростанции и другие. Доза излучения в районах, прилегающих к атомной электростанции, по сравнению с естественным фоном, не увеличивается. При соблюдении необходимых условий здоровье персонала и населения в районе действия атомной электростанции не подвергается никакой опасности.

1.8.3. Принципиальные тепловые схемы АЭС

В настоящее время строятся АЭС, работающие по различным схемам. В зависимости от типа реактора, вида теплоносителя и по числу замкнутых контуров теплоносителя и рабочего тела различают три типа тепловой схемы АЭС: одноконтурную, двухконтурную и трёхконтурную. Но всё же наибольшее распространение получили двухконтурные АЭС с водяным теплоносителем и одноконтурные с реактором кипящего типа.

Первая отечественная АЭС была построена и пущена в эксплуатацию в июне 1954 года. Эта станция положила начало использованию атомной энергии для производства электроэнергии. На станции необходимо было проверить работу основных элементов и показать возможность в промышленных установках преобразовать энергию деления ядер в электрическую. Параметры установки были низкими, тепловая схема сильно упрощена, а электрическая мощность составляла всего 5 МВт. Электростанция была спроектирована для работы по двухконтурной схеме. Опыт эксплуатации её показал, что двухконтурные АЭС вполне надёжны, а работа их не оказывает вредного влияния на окружающую среду и здоровье обслуживающего персонала.

Работы, проведённые в последующие годы на установках электрической мощностью 210, 365, 440 МВт (на Нововоронежской АЭС), позволили создать серии крупных энергетических блоков, эксплуатирующихся сейчас на ряде отечественных электростанций. Одновременно были разработаны и построены блоки конденсационных АЭС большой мощности, работающие по одноконтурной схеме.



Рассмотрим принципиальную схему одноконтурной АЭС (рис.47).

Одноконтурная схема связана с применением кипящего

реактора, производящего пар для работы в паровой

турбине. Такая схема является наиболее простой и


Ядерный

реактор
дешёвой.

Недостатками её являются усложнение работы ядерного

реактора на двухфазной пароводяной среде и работа

турбин на радиоактивном паре.

Возможна в принципе, одноконтурная схема с газовым

теплоносителем, являющимся одновременно и рабочим

Рис.47. телом, совершающем работу в газовой турбине.

В двухконтурной схеме АЭС теплоносителем в первом контуре, включающем ядерный реактор и другое оборудование, служит вода или газ, циркулирующие в этом контуре под давлением, создаваемым насосом или газодувкой.

В парогенераторе поверхностного типа теплоноситель, нагретый в ядерном реакторе, передаёт тепло воде, превращая её в пар, направляемый в турбину. Таким образом, парогенератор является промежуточным звеном, входящим в первый и второй контуры.

В двухконтурной схеме АЭС ядерный реактор работает большей частью на однофазной среде ― воде, или газе, что повышает надёжность его действия. Турбина работает на чистом практически нерадиоактивном паре. Двухконтурные схемы атомных электростанций получили наибольшее распространение.



Рис.48

Турбина работает на чистом практически

нерадиоактивном паре. Двухконтурные схемы

ПГ атомных электростанций получили наибольшее

распространение.

Рис.48 Использование реакторов-размножителей

Цирк. насос I контура Конд. насос на быстрых нейтронах позволяет воспроизводить

ядерное горючее в количестве, превышающем на 25÷40% затраченное топливо, то есть обеспечивать горючим ввод новых АЭС в соответствии с потребностями энергетики страны. Их достоинством является также высокий КПД и возможность применения обычных турбоустановок.

На одно- и двухконтурных АЭС турбины обычно работают на насыщенном паре. Все атомные электростанции являются блочными: один ядерный реактор на две турбины. На блоках могут устанавливаться сетевые подогревательные установки, служащие для покрытия тепловых нагрузок (на отопление, вентиляцию и бытовые нужды) АЭС и жилого посёлка.

Тепловая нагрузка установки при нагреве воды от 70 до 1300С составляет около 105 ГДж/ч. В нашей стране имеется несколько электростанций с такими блоками. Имеются они и в ряде зарубежных стран: Болгарии, Финляндии, Германии и т.д.

Как я уже говорил, в настоящее время наибольшее распространение имеют крупные промышленные АЭС, работающие на насыщенном паре. Однако уже имеется несколько АЭС, на которых используется перегретый пар.

В России на перегретом паре, получаемым в уран-графитовом реакторе канального типа, работают установки первой и второй очередей Белоярской АЭС имени Курчатова. Перегретый пар из каналов реактора поступает непосредственно на турбину. При такой схеме АЭС на такой электростанции могут применяться серийные турбины, не отличающиеся от тех, которые работают на обычных паротурбинных установках на органическом топливе.

Атомная электростанция с реакторами на быстрых нейтронах построена в городе Шевченко. Она работает по трёхконтурной схеме. Теплоносителем в первом и промежуточном контурах является жидкий натрий.

На Дальнем Востоке ещё в 1974-1976 годах была введена в эксплуатацию Билибинская АТЭЦ электрической мощностью 48 МВт. Теплофикационная нагрузка электростанции составляет 420 ГДж/ч. Билибинская АТЭЦ состоит из четырёх блоков. Мощность блока равна 12 МВт, тепловая мощность реактора 62,5 МВт. Начальное давление пара составляет около 6 МПа. Реактор ― канального типа. Все реакторы размещены в одном зале.

Блок Билибинской АТЭЦ конечно не является прототипом будущих крупных атомных ТЭЦ, но в отдалённых районах России, глее не требуются большие электрические и тепловые мощности, подобные электростанции, возможно, будут строиться.

На крупных атомных ТЭЦ, включая Белоярскую, для того, чтобы устранить возможность попадания радиоактивных веществ в поток горячей воды для тепловых потребителей, все эти электростанции выполняются по трёхконтурной схеме. На таких блоках имеется система обнаружения межконтурной негерметичности. При появлении радиоактивности во втором (промежуточном) контуре дефектная секция в реакторе немедленно отключается.



1.8.4. Сооружения, системы хранения и транспортировки топлива на АЭС

Топливом для АЭС служит уран U-238 c обогащением до 4% изотопом U-235 для реакторов типа ВВЭР или до 2% ― для реакторов типа РБМК. На АЭС это топливо доставляется в виде сложных промышленных изделий ― тепловыделяющих элементов (твэлов) и комбинаций их ― тепловыделяющих сборок (ТВС). Доставляются твэлы в герметичной упаковке по железной дороге в специальных вагонах.

Для АЭС с реакторами типа ВВЭР они поставляются в виде кассет из нескольких десятков твэлов, для реактора канального типа поставляются технологические каналы, включающие несколько твэлов в каждом.

Склад хранения свежего топлива располагается в центральном зале обслуживания реактора или вблизи него. На складе предусматриваются специальные стенды для сборки и ревизии тепловыделяющих сборок. Вместимость склада для хранения свежего топлива выбирается исходя из одновременного размещения одного полного комплекта для загрузки активной зоны реактора с запасом 10%.

Кроме того, в зоне обслуживания реактора выделяется место для размещения топлива, предназначенного для перезарядки реактора в предстоящую кампанию. На АЭС с реакторами типа ВВЭР склады для свежего топлива размещаются в реакторном отделении и обслуживаются мостовым краном и другими подъёмно-транспортными средствами, имеющимся в центральном зале.

На АЭС с канальными реакторами склады свежего топлива размещаются в отдельных зданиях. Сборка и ревизия ТВС производятся в реакторном отделении. В центральном зале для таких АЭС оборудуются специальные места для развески готовых к установке в реактор ТВС. Все устройства на складах свежего топлива, на стендах для развески и хранения ТВС, а также транспортные ёмкости, чехлы и стеллажи выполняются так, чтобы полностью исключить возможность образования локальных критических масс.

Выемка отработавших кассет и сборок, а также загрузка свежих производится перегрузочной машиной либо под защитным слоем воды (для ВВЭР), либо специальных защитных скафандрах (для РБКМ), которые создают необходимую биологическую защиту для обслуживающего персонала. При транспортировании отработавших твэлов их непрерывно охлаждают, чтобы исключить саморазогревание за счёт сильного остаточного излучения.

Перегрузочные машины оснащают специальными оборудованными телевизионными устройствами и приспособлениями для осмотра места установки кассет и контроля за перегрузкой и другими приспособлениями. Работая по заданной программе и автоматически выполняя все необходимые операции, машина может производить перегрузку твэлов без останова реактора.

Хранение отработавшего топлива производится в специальных бассейнах выдержки, которые размещаются в реакторном отделении или в отдельных зданиях. Эти бассейны выполняются с надёжной герметичностью и оборудованы системами надёжного теплоотвода, контроля за уровнем воды, её температурой и радиоактивностью. Вместимость бассейнов выдержки выбирается из условия размещения в одном бассейне не менее двух полных комплектов отработавшего в реакторе топлива. Это обеспечивает длительность хранения отработавшего топлива в течение 3÷4 лет, после чего топливо отправляется на перерабатывающие заводы в контейнерах с водяным охлаждением.

Раздел 2. Альтернативные источники получения

электрической энергии

Тема 2.1. Нетрадиционные способы получения электрической энергии

2.1.1. Электростанции, использующие нетрадиционные виды энергии

Использование любого вида энергии и производство электроэнергии сопровождается образованием многих загрязнителей воды и воздуха: выброс из дымовых труб, сброс тёплой воды в естественные водоисточники, ядерные отходы и т.д. Человек оказывает большое влияние на окружающую его среду. Традиционное производство электрической и тепловой энергии, дающее огромное количество вредных выбросов в атмосферу, ―один из многих видов деятельности человека.

Нетрадиционное получение электроэнергии получается более мягким в смысле воздействия на окружающую среду, чем сжигание ископаемого органического топлива. За последнее время интерес к нетрадиционным источникам энергии стал возрастать более интенсивнее. Так запасы ископаемого топлива понемногу исчерпывают себя. К 2050 году запасы угля, нефти и газа сократятся втрое по сравнению с 1980 годом, а природные виды энергии неисчерпаемы. Повышение цен на нефть, газ послужило главной причиной того, что человечество вновь обратило внимание на водную, ветровую, солнечную и другие виды энергии. Все эти виды энергии относятся к возобновляемым.

Солнечная энергия ― это самый значительный из всех нетрадиционных энергоресурсов. Она является источником ряда других неисчерпаемых источников энергии: ветровой, энергии приливных волн и волн морей и океанов, энергии разности температур слоёв воды в океанах, тепла геотермальных вод и т.д.

Солнечная энергия ― это кинетическая энергия излучения света и тепла, образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Энергия солнечных лучей у поверхности Земли изменяется в зависимости от местоположения данного района, времени суток и состояния атмосферы. Ежегодное количество солнечной энергии у поверхности земли превышает в 25 раз все разведанные запасы угля и в 3÷10 тысяч раз больше ежегодно расходуемой энергии человечеством.

Солнечную энергию можно использовать для производства электроэнергии различными способами: преобразованием её в тепловую энергию и затем в электрическую по обычной схеме ТЭС, непосредственным её преобразованием в электрическую энергию с помощью солнечных батарей. Солнечные электростанции устанавливаются в районах, где интенсивность солнечной радиации достаточно высока и стабильна. Например, в Средней Азии, Крыму, Забайкалье. В этих районах время солнечного освещения составляет 2000÷3000 часов в год.

Впервые солнечная электростанция (СЭС-5) была построена и введена в эксплуатацию на Крымском побережье Азовского моря мощностью 5 МВт. Идею создания солнечной электростанции (СЭС) выдвинул впервые российский инженер Н. В. Линицкий, который предложил использовать схему СЭС с центральным башенным приёмником (солнечной башней). Такое решение характерно для большинства работающих и строящихся СЭС. Крымская СЭС-5 предназначена главным образом для проведения экспериментов, направленных на отработку и усовершенствование систем и режимов эксплуатации крупных СЭС башенного типа. Вместе с тем, СЭС-5 вырабатывает электроэнергию и выдаёт её в Крымскую энергосистему.

В чём же заключается башенный принцип СЭС? Вокруг центрального приёмника, который называется солнечной башней, предусматривается большое поле огромных зеркал (гелиостатов), вращающихся вслед за солнцем и отражающих солнечные лучи на вершину солнечной башни. Являясь отличными рефлекторами, они отражают почти 90% падающего солнечного излучения. Благодаря вогнутой форме зеркала концентрируют пучок света в направлении парогенератора, установленного на вершине солнечной башни. При помощи двух электродвигателей гелиостаты поворачиваются по азимуту и высоте. Ночью, а также в несолнечные часы или при большой скорости ветра гелиостаты устанавливают неподвижно зеркальной поверхностью вниз, к земле, чтобы на них не оседала пыль. Солнечные лучи нагревают поверхность барабанного парогенератора с естественной циркуляцией. Получаемый пар используется для выработки электроэнергии в турбоагрегате. Например, на СЭС-5 в Крыму стоит реконструированная турбина типа ПТ-12-35/10М. Высота башни составляет 70 м, площадь поверхности нагрева парогенератора 154 м2. Расход электроэнергии на собственные нужды СЭС-5 достаточно велик и составляет 15%. КПД по энергии отражённого от зеркал теплового потока равен около 15%, а термический КПД электростанции составляет 32%. Основной недостаток солнечных электростанций с солнечной башней ― это перебои их работы в ночное время, при непогоде и широкого распространения они не получили.

Другой принцип солнечных электростанций ― это применение солнечных прудов. Это более дешёвый способ улавливания солнечной энергии. Искусственный водоём частично заполняется рассолом (очень солёной водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остаётся на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи без помех проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя нижнему остывать. Другими словами, в солнечных прудах используется тот же принцип, что и парниках, только земля и стекло заменены соответственно рассолом и пресной водой. Горячий раствор соли может циркулировать по трубам, отапливая помещения, или использоваться для выработки электроэнергии. Горячим раствором нагревают жидкости с низкой точкой кипения, которые, испаряясь, приводят в движение турбогенераторы низкого давления. Так как солнечный пруд представляет собой высокоэффективный теплоаккумулятор, то с его помощью можно получать энергию непрерывно.

К недостаткам всех перечисленных установок преобразования солнечной энергии относится то, что для них нужны большие площади, причём относительно недалеко от потребителя (в пределах 80 км).Иначе потери при передачи электроэнергии на более дальние расстояния будут недопустимо высоки.

К преимуществам можно отнести следующее:

1. при замене солнечной энергии ископаемого топлива уменьшается загрязнение воздуха и воды.

2. Замена ископаемого топлива означает сокращение добычи нефти.

3. Заменяя атомное топливо, снижается угроза распространения атомного оружия и засорения окружающей среды атомными отходами.

Другим методом производства электрической энергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двухконтурного цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура, имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовавшийся в результате кипения этой жидкости, используется для привода турбины. Отработавший пар конденсируется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл. Такие установки, которые используют фреон в качестве теплоносителя второго контура, в настоящее время разработаны для промышленного освоения в диапазоне температур в пределах 100÷1500С и при единичной электрической мощности 10÷100 КВт. Такие установки могут быть использованы для производства электроэнергии в отдалённых районах.

Теперь рассмотрим горячие системы вулканического происхождения. К этому типу геотермальных ресурсов относится магма. Получение геотермальной энергии непосредственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии магмы, только начинает разрабатываться.

Предварительные технические разработки этого метода предусматривают устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящей через магму.



Рис. 49.

Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания магмы, а затем через неё в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону породы с трещинами пробуривают вторую скважину. Геотермальные системы этого типа могут существовать в тех районах, где в зоне с высокими значениями теплового потока располагаются глубокозалегающий осадочный бассейн. Это ― парижский, Венгерский бассейны. В этих зонах температура воды, поступающая из скважин, может достигать 100÷1500С. Такие станции будут работать лет через 12÷15.

Самыми большими резервуарами накопленной энергии являются огромные пространства беспрерывно перемещающихся водных потоков ― это океаны, покрывающих около 71% всей земной поверхности. Известно, что запасы энергии в мировом океане колоссальны. Так тепловая (внутренняя), соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными на 200С, имеет величину порядка 1023 КДж. Кинетическая энергия океанских течений, приливов и отливов оценивается величиной 1016 КДж. Но пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии. Да и то ценой больших капиталовложений и долгосрочной окупаемостью. Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемых топлив, особенно нефти и газа, использование которых к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды, включая сюда также и тепловое «загрязнение» от ТЭС и АЭС, и грозящее различными катаклизмами, в том числе и климатическими последствиями повышения уровня атмосферной углекислоты.

Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (ПЭС).

Солнце нагревает воздух и вызывает ветры, волнующие поверхность океана. Оно же нагревает воду, накапливающую тепловую энергию. Солнечное и лунное притяжение вызывает приливы и отливы, периодически перемещающие огромные массы воды.

Могущественный древний король Норвегии, Дании и Англии Канют готовился к торжественному и совершенно необходимому ритуалу ― ему предстояло остановить океанские воды, накатывающие на берег. Он облачался в королевские одежды, брал в руки скипетр, садился на трон, который устанавливали на носилки, и приказывал своим подданным нести его на берег. Там он дожидался, пока прилив достигал высшей точки. Только тогда поднимал он свой скипетр и грозно повелевал океанским волнам остановиться и ступать назад. Волны послушно отступали. Неизвестно, верил ли он в свою власть над водами или просто использовал наблюдения за строгой периодичностью приливов и отливов, но для него и его придворных ― людей, живших более 1000 лет назад, происхождение приливов и отливов, видимо, было совершенно загадочным.

Многие века задумывались люди над тем, что заставляет могучие воды океана с точностью хронометра дважды в сутки подниматься и опускаться. В средние века некоторые были убеждены, что приливы происходят из-за того, что ангел небесный опускает ногу в воды океана. Только теория всемирного тяготения, предложенная Ньютоном, смогла правильно истолковать загадочное явление.

Именно притяжение Солнца и Луны создаёт гигантскую приливную волну. Энергия, которую несёт с собой эта волна, колоссальна. Приливная волна Индийского океана катится на 250 километров против течения реки Ганг, а приливная волна Атлантического океана распространяется по могучей Амазонке на 900 километров. В некоторых местах высота её достигает 18÷20 метров.

Трение приливной волны о дно берега затормаживает даже вращение Земли. Разумеется, за время жизни одного поколения это торможение совершенно неощутимо, но за миллионы лет счёт времени пойдёт уже не за секунды. За последние 400 миллионов лет длина земных суток из-за этого торможения увеличилась на целых два часа: с 22 до 24 часов. Именно по торможению вращения Земли удалось подсчитать общий энергетический потенциал прилива. Это 1,7 млрд. кВт, из которых примерно одна треть приходится на долю морского прилива у берегов. Пренебрегать таким источником энергии человек просто не имеет право.

По-настоящему задумались инженеры об использовании силы прилива в ХХ веке, когда появились не только способы превращать приливную энергию в механическую, но и были освоены способы превращения механической энергии в электрическую.

В 1935 году американцы предприняли попытку построить мощную приливную электростанцию в заливе Пассамакводди. В проекте предусматривалось компенсировать основной недостаток приливной энергии ― её цикличность. Ведь прилив будет вращать турбину в одном направлении, а отлив – в другом, а между циклами неизбежна пауза, когда турбина вообще остановится. Эта задача решалась созданием огромного бассейна, в который вода должна была закачиваться во время самого высокого прилива, а затем постепенно использоваться для вращения турбин во время паузы.


Рис. 50 Схема образования приливной волны.

Уже вскоре стало ясно, что строительство электростанции обойдётся баснословно дорого ― почти вчетверо дороже, чем строительство тепловой электростанции. Через полгода после начала строительство было прекращено.

Исследования российских учёных показали, что не цикличность приливов привела к неудаче строительства приливной электростанции. Ничего не поделаешь с тем, что энергия приливов неравномерна. Нужно только правильно поставить задачу и не требовать непрерывной работы приливной электростанции с одной и той же мощностью.

Наши учёные предложили использовать приливную энергию для того, чтобы компенсировать неизбежные перепады в энергопотреблении, весьма значительные в зависимости от времени суток. Если создать связку речной ГЭС с приливной, то в паре они смогут обеспечить равномерное производство энергии. Когда прилив высок, ГЭС сможет уменьшить производство энергии, а сэкономленная в водохранилище вода будет использована в период слабых приливов. А в то время, когда наступит пауза между приливом и отливом, нагрузку возьмёт на себя ГЭС.

С 1967 г. в устье реки Ранс во Франции на приливах высотой до 13 м работает ПЭС мощностью 240 МВт. При строительстве электростанции «Ранс», которая возводилась прямо на месте её будущей работы, почти четвёртая часть средств ушла на устройство перемычки и осушение котлована для машинного зала.

Российский инженер Бернштейн разработал удобный способ постройки блоков ПЭС, буксируемых на плаву в нужные места, и рассчитал процедуру включения ПЭС в энергосети в часы их максимальной нагрузки потребителям. По его идее была построена ПЭС в 1968 г. в Кислой губе недалеко от г. Мурманска.

Летом 1968 года от мыса Притыка вблизи Мурманска отошёл необычный караван. Могучие буксиры тащили за собой понтоны, а на них располагалось здание приливной электростанции. Караван благополучно прошёл почти сто километров по Кольскому заливу и доставил свой груз в губу Кислую, где здание со смонтированными в нём гидроагрегатом и технологическим оборудованием поставили на заранее подготовленное основание.

Этот наплавной метод строительства приливных электростанций во всём мире известен под названием «советский». Преимущества его огромны. Во-первых, строительство электростанций ведётся не в суровых условиях морского побережья, а во вполне благоприятной заводской обстановке где-нибудь в приморском промышленном центре. Готовые блоки по морю переправляются к месту своей будущей работе. Во-вторых, отпадает необходимость в устройстве перемычек, которыми при строительстве от моря отсекается залив, предназначенный выполнять роль бассейна будущей приливной электростанции.

Когда появились первые проекты приливных электростанций, многие специалисты утверждали, что их сооружение является просто дорогостоящим капризом. Но работы инженеров и специалистов многих стран, опыт эксплуатации первых электростанций наглядно показали, что приливная энергетика ― это вполне реальное дело. По некоторым оптимистическим оценкам специалистов, электростанции, использующие энергию приливов, уже скоро смогут дать человечеству заметную часть необходимой энергии.

Российский метод строительства приливных электростанций наплавленным способом привёл к тому, что стоимость одного киловатта мощности даже у экспериментальной Кислогубской приливной электростанции (ПЭС) лишь ненамного превысила стоимость киловатта, полученного привычными способами.

В настоящее время в России разрабатываются проекты гигантских приливных электростанций.

Уже много лет размышляют специалисты над проблемой использования энергии волн, рождённых ветром и морем. Особенно интенсивно такие исследования ведутся в островных




Рис. 51 Буксировка здания приливной электростанции.


странах: в Великобритании и Японии. Число энтузиастов было столь велико, что только в Великобритании к 1980 году было запатентовано около 340 устройств, перерабатывающих энергию волн. Однако из-за огромных недостатков ни одно из этих устройств не получило практического воплощения.

К настоящему времени осталось всего несколько конструкций, усовершенствованием которых занимаются учёные и инженеры.

Одна из таких конструкций, получившая название «нырок», разработана профессором физики Эдинбургского университета Стефаном Солтером. Первая из построенных им моделей напоминала продолговатую каплю, покачивающуюся в воде, словно ныряющая утка, чем и объясняется название устройства. «Нырок» поднимается и опускается вместе с волнами, при этом он приводит в действие насос. Насос качает воду, которая вращает турбину, и генератор производит ток.

В готовом виде волновая электростанция будет состоять из многочисленных стальных и цементных ячеек, каждая размером с дом. В открытом море волны приведут в действие гигантские гидравлические насосы, вода под давлением поступит в электрогенератор, который будет вырабатывать электроэнергию, передаваемую на берег по подводному кабелю.

П
Рис. 52 «Нырок» Солтера.


о расчётам авторов данного проекта, с одного метра цепи, состоящей из таких поплавков, можно будет получать от 30 до 50 кВт электроэнергии. Цепь длиной в 480 километров выработает столько энергии, сколько производят её в настоящее время все электростанции Великобритании.

В восьмидесятых годах прошлого века приступили к испытаниям ещё одной конструкции, предназначенной для использования энергии морских волн. Это устройство представляет собой плот, состоящий из трех шарнирно соединенных между собой понтонов. Понтоны, повторяя движения волнующейся водной поверхности, приводят в движение гидравлические устройства, которые, в свою очередь, соединены через гидросистему с генератором. По оценкам авторов проекта, одиночный плот размером 50 на 100 метров способен произвести 2000 кВт электроэнергии. Предполагается создать цепь таких плотов в бурном море вблизи берегов Шотландии. Цепь длиной 25 километров, по предположениям ученых, сможет развить мощность до 500 тысяч кВт. Это близко к мощности Днепрогэса.

Первыми создателями действующих устройств, преобразующих энергию волн в электрическую, были японские инженеры. Они создали портовые бакены, или буи, которые светили, используя электричество, рожденное энергией волн. Волновая энергия преобразовывалась в электрическую либо посредством длинных вертикальных стержней, приводимых в движение волнами, либо посредством механизмов маятникового типа, раскачиваемых волнами. Сейчас сотни таких бакенов, установленных в разных местах океана, указывают путь кораблям светом, рожденным волновой энергией. Разрабатываются в Японии и проекты крупномасштабных волновых электростанций. В основу их положен принцип использования воздуха, который сжимается подвижными частями электростанции под действием волн, а потом приводит в движение воздушную турбину, вращающую электрогенератор.

Заманчивой кажется и идея использования энергии морского прибоя, особенно сильного в Северной Атлантике. Некоторая часть этой огромной энергии должна вскоре начать использоваться у берегов Норвегии. Прибойная электростанция, по замыслу норвежских инженеров,— это устойчивое бетонное сооружение с открытой в сторону моря камерой, в которую попадают волны прибоя. Под водой у камеры имеется широкое отверстие, выходящее в вертикальную бетонную шахту, в верхней части которой установлена воздушная турбина.

Накатывающаяся вода заполняет камеру, уровень воды в шахте повышается, а когда вода спадает — понижается. Поверхность воды в шахте становится своеобразным поршнем, который движется и прогоняет воздух через турбину. Хотя поток воздуха все время меняет направление, конструкция турбины такова, что направление ее вращения от направления потока воздуха не зависит. Как обычно, турбина вращает электрогенератор. Задача решена — механическая энергия прибоя превратилась в удобную для использования электрическую.

Мощность экспериментального блока — 400 кВт. Если его эксплуатация окажется успешной, ничего не препятствует постройке целой цепи таких блоков, которые смогут производить большие количества энергии.

Все подобного рода экспериментальные установки пока еще очень несовершенны. Неясно, можно ли вообще создать мощную волновую электростанцию? Как она будет себя вести при шторме? Может быть, генераторы не выдержат сильных волн? Абсолютно неясно, существуют ли материалы, способные долгое время выдерживать воздействие морской воды, не подвергаясь коррозии,— ведь необходимость в частой замене проржавевших узлов может оказаться экономически невыгодной. В общем, вопросов пока больше, чем ответов. Остается лишь надеяться, что усилия ученых принесут плоды и огромная энергия морских волн перестанет расходоваться впустую, не внося своего вклада в мировой энергетический баланс.


Рис. 53 Электростанция, использующая энергию воды и ветра.

Есть еще один источник энергии, заключенной в океане, который будоражит воображение изобретателей. Это — энергия морских течений, могучих рек в океане, несущих невообразимые массы воды. Крупнейшие из них — Гольфстрим и Куросио — несут, соответственно, 83 и 55 млн. м3 воды в секунду. С точки зрения энергетики, это означает примерно 3 млрд. неиспользованных кВт! Трудно пройти мимо столь обильного и постоянного источника энергии. Проекты использования энергии морских течений на благо людей не заставили себя ждать.

Существование океанских течений отметил еще Христофор Колумб. В своем плавании к берегам Южной Америки он попал в полосу быстрого западного течения. Тогда великий путешественник сделал в своем дневнике примечательную запись: «Я считаю доказанным, что воды морей, как и небеса, движутся с востока на запад». Но еще много веков причины возникновения устойчивых течений в океане оставались невыясненными. Только в 1835 году Гаспар Густав де Кориолис, знаменитый французский математик и механик, опубликовал работу, в которой вывел уравнения, описывающие влияние вращения Земли на возникновение воздушных и водных течений, и обнаружил существование неизвестных ранее сил, названных кориолисовыми. В честь Кориолиса получил имя разрабатываемый в США проект использования энергии американской части Гольфстрима — Флоридского течения.

Это течение несет в пятьдесят раз больше воды, чем все реки мира. Да и скорость его довольно приличная — свыше 8 километров в час. Ученые подсчитали: если удастся извлечь хотя бы 4% заключенной в течении энергии, мощность станции могла бы составить один-два миллиона киловатт.




Рис. 54 Установка турбины по проекту «Кариолис».

По проекту «Кориолис» у побережья Флориды должны быть установлены десятки гигантских труб, размером с городской квартал с заключенными в них водяными турбинами. Заякоренные на небольшой глубине, они смогут так же непрерывно, как постоянно само течение, вырабатывать электроэнергию, которой, по расчетам авторов проекта, должно хватить для удовлетворения всех нужд штата. Экологически этот способ получения энергии совершенно чист, окружающая среда не загрязняется. Высказывались опасения, что из-за работы турбин в океане могут возникать огромные волны, но исследования показали, что волны не превысят обычных. Конечно, трудности осуществления проекта и технические, и экономические — огромны. Изобретатели, однако, не теряют оптимизма.

Возможно, в недалеком будущем пройдут первые эксперименты на небольших моделях агрегатов. «Мини-Кориолисы» предполагается установить у берегов Австралии, в Торресовом проливе, где скорость морского течения составляет 15 километров в час. Подводные турбины диаметром около шести метров и мощностью 400 кВт послужат хорошей моделью, на которой изобретатели смогут отработать основные узлы будущих турбин-гигантов.

Не только механической энергией — энергией приливов, морских течений и волн — богат океан. Это — самый большой на Земле аккумулятор тепловой энергии. На поверхности океана в тропиках вода нагрета до 20—25°С. В глубине она гораздо холоднее. А если есть разность температур, значит, есть и возможность получения энергии. Поэтому в последние годы появились проекты извлечения из океана и этой энергии.

Собственно, никаких новых научных проблем использование тепла океана не ставит. Более ста лет назад французский физик д'Арсонваль предложил использовать имеющуюся в океане разность температур для получения энергии. Принцип действия морской тепловой электростанции прост: теплая океанская вода направляется в теплообменник, в котором испаряется какая-либо низкокипящая жидкость (д'Арсонваль предложил использовать в качестве такой жидкости аммиак, температура кипения которого всего 33,3°С). Пары аммиака вращают турбину, вырабатывающую электроэнергию, а потом поступают в другой теплообменник, в который подается холодная вода с тысячеметровой глубины, где ее температура все­го 5°С. Пары аммиака конденсируются, аммиак вновь поступает в первый теплообменник. Цикл повторяется.

Казалось бы, все довольно просто, но технические трудности в осуществлении такого проекта оказались немалыми. Совсем не просто изготовить теплообменник для столь небольшой разницы температур, нелегко поднять воду с большой глубины, сложно передать энергию на берег.

Тем не менее еще в 1929 году соотечественник д'Арсонваля Жорж Клод совершил первую попытку извлечь тепловую энергию океана и преобразовать ее в электрическую. Чтобы не задумываться над проблемой передачи энергии на сушу, Клод построил свою электростанцию на берегу залива Матансас на Кубе. Это была станция, работающая в так называемом открытом цикле: нагретая морская вода использовалась для приведения в действие паровой установки, а затем сбрасывалась обратно в океан. Открытый цикл очень усложнял установку — ведь чтобы превратить воду в пар при низкой температуре, нужно создать вакуум (при нормальном давлении, как известно, вода кипит примерно при 100° С, и температура кипения снижается только с падением давления). Изобретателю удалось преодолеть затруднения, и первая электростанция, использующая тепловую энергию океана, вскоре дала ток. Мощность ее составила 22 кВт, но чтобы их получить, приходилось тратить 80 кВт на работу вакуум-насоса и насосов, подающих холодную воду по трубе длиной два с половиной километра. Но цель изобретателя была достигнута: энергию получить удалось! Дальнейшему совершенствованию установки помешала авария — во время шторма была повреждена и унесена в море труба для подачи холодной воды. Эксперимент пришлось прекратить. Впоследствии Клод сделал еще несколько попыток построить энергетические установки, использующие теплую воду тропических морей. Все они завершились неудачей. Только в наши дни, используя достижения науки и техники, возобновились попытки использовать тепловую энергию океана. Специалисты разных стран объединились для разработки и выполнения обширной программы исследований, получившей название «ОТЕК».

Рис.55.

С августа по ноябрь 1979 года вблизи Гавайских островов производилась пробная эксплуатация установки «Мини-ОТЕК» мощностью 50 кВт. В ней в качестве теплоносителя использовался жидкий пропан, а в качестве привода генератора — турбина высокого давления. Эти усовершенствования дали возможность существенно превзойти результат Жоржа Клода. Испытания малютки прошли вполне удовлетворительно, и новая станция, «ОТЕК-1», мощностью уже тысячу киловатт готовится к спуску на воду. Испытания этой станции должны продолжаться три года. Исследователи хотят выяснить, не будут ли портиться теплообменники, которые невозможно предохранить от попадания водорослей и микроскопических обитателей океана ― бактерий.

Огромные запасы энергии также скрыты в текущей воде рек. Люди научились использовать энергию рек раньше всего. Появились гидроэлектростанции сначала небольшой мощности, а затем и значительной. Производство электроэнергии на ГЭС происходит следующим образом: вода из водохранилища поступает вниз через длинный прямой канал, называемый напорным трубопроводом, и направляется горизонтально вращающиеся лопасти турбины.

Вертикальный вал турбины соединён с блоком генератора. КПД ГЭС обычно составляет 60÷70%, то есть 60÷70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию. В поисках альтернативных источников энергии во многих странах немалое внимание уделяют ветроэнергетике. Для того чтобы строительство ветроэлектростанции оказалось экономически оправданным, необходимо, чтобы среднегодовая скорость ветра в данном районе составляла не менее 6 метров в секунду. В нашей стране ветряные электростанции можно строить на побережьях Чёрного, Балтийского и Каспийского морей, в Нижнем Поволжье, на юге Западной Сибири и т.д. Но самый большой ветропотенциал имеют побережья Северного Ледовитого и Тихого океанов, в том числе полуостров Ямал, Таймыр, Камчатка, Чукотка и близлежащие острова.



Рис. 56 Различные типы ветроагрегатов

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока, который затем можно преобразовать в переменный ток. При использовании ветра возникает серьёзная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в период безветрия. Самый простой способ состоит в том, что ветряное колесо может двигать насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока.



Рис.56 Разные типы современных ветроагрегатов.

2.1.2. Гидроэлектростанции.

Огромные запасы энергии также скрыты в текущей воде рек. Люди научились использовать энергию рек раньше всего. Появились гидроэлектростанции сначала небольшой мощности, а затем и значительной. Производство электроэнергии на ГЭС происходит следующим образом: вода из водохранилища поступает вниз через длинный прямой канал, называемый напорным трубопроводом, и направляется горизонтально вращающиеся лопасти турбины. Вертикальный вал турбины соединён с блоком генератора. КПД ГЭС обычно составляет 60÷70%, то есть 60÷70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию.

Сооружение ГЭС обходится дорого, но за то они работают на бесплатном «топливе», которому не грозит никакая инфляция. Гидроэлектростанции являются наиболее экономически выгодным источником энергии, но вместе с тем имеют ряд серьёзных недостатков, связанных с необходимостью транспортировки энергии на большие расстояния (часто потребители электроэнергии расположены вдали от рек). При транспортировке электроэнергии. По линиям электропередачи (ЛЭП) происходят потери до 30% и создаётся экологически опасное электромагнитное излучение. Для проведения ЛЭП вырубаются леса, что также отражается на экологии.

В поисках альтернативных источников энергии во многих странах немалое внимание уделяют ветроэнергетике. Для того чтобы строительство ветроэлектростанции оказалось экономически оправданным, необходимо, чтобы среднегодовая скорость ветра в данном районе составляла не менее 6 метров в секунду. В нашей стране ветряные электростанции можно строить на побережьях Чёрного, Балтийского и Каспийского морей, в Нижнем Поволжье, на юге Западной Сибири и т.д. Но самый большой ветропотенциал имеют побережья Северного Ледовитого и Тихого океанов, в том числе полуостров Ямал, Таймыр, Камчатка, Чукотка и близлежащие острова.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока, который затем можно преобразовать в переменный ток. При использовании ветра возникает серьёзная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в период безветрия.

Самый простой способ состоит в том, что ветряное колесо может двигать насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока.

Наибольшее распространение из установок, подсоединяемых к электросети, в настоящее время получили ветроэнергетические установки с единичной мощностью от 100 до 500 кВт.

<< предыдущая страница   следующая страница >>