Паротурбинные электрические станции (КЭС и ТЭЦ)

На современных тепловых электростанциях большой мощности превращение тепла в работу производится в циклах, использующих в качестве основного рабочего тела водяной пар высоких давлений и температур. Водяной пар производится парогенераторами (паровыми котлами), в топках которых сжигаются различные виды органического топлива: уголь, мазут, газ и др.

Термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью водяного пара был предложен в середине XIX века инженером и физиком У. Ренкиным.

Принципиальная тепловая схема конденсационной электростанции (КЭС), работающей по циклу Ренкина, показана на рис. 4.1, а ее общий вид — на рис. 4.1, б.

В парогенераторе 1 за счет тепла сжигаемого топлива вода, нагнетаемая в парогенератор насосом 5, превращается в водяной пар, который затем поступает в турбину 2, вращающую электрогенератор 3. Тепловая энергия пара преобразуется в турбине в механическую работу, которая, в свою очередь, преобразуется в генераторе в электроэнергию. Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор 4. В конденсаторе пар конденсируется (превращается в воду). Насос 5 нагнетает конденсат в парогенератор, замыкая таким образом цикл.

Рис. 4.1. Принципиальная тепловая схема ТЭС, работающей по циклу Ренкина: а — тепловая схема; б — общий вид.

На рис. 4.2 изображен цикл Ренкина на перегретом паре в ру— и^{-диаграммах,} состоящий из следующих процессов:

• — изобара 4−5-6−1 — процесс нагрева, испарения воды и перегрева пара в парогенераторе за счет подводимой теплоты сгорания топлива
• -адиабата 1−2 — процесс расширения пара в турбине с совершением полезной внешней работы /*;
• — изобара 2−3 — процесс конденсации отработанного пара с отводом тепла q₂ охлаждающей водой;
• — адиабата 3−4 — процесс сжатия конденсата питательным насосом до первоначального давления в парогенераторе с затратой подводимой извне работы /".

Рис. 4.2. Цикл Ренкина на перегретом паре в p, v а- и T_rs «-диаграммах В соответствии со II законом термодинамики полезная работа за цикл равна разности подведенного и отведенного в цикле тепла:

Термический КПД цикла Ренкина определяется, как обычно, по уравнению

Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что его эффективность в большой степени зависит от величин начальных и конечных параметров (давления и температуры) пара.

Исследования показывают, что^{увеличивается} с увеличением начальных параметров пара р, и /, и уменьшением конечных р₂ и /₂.

Конечные параметры пара связаны между собой, так как пар в этой области влажный, и поэтому их уменьшение приводит к уменьшению р₂, т. е. давления в конденсаторе.

Увеличение ограничивается жаропрочностью материалов, увеличение р, — допустимой степенью влажности пара в конце расширения и прочностью материала труб; повышенная влажность (х > 0,8−0,86) приводит к эрозии деталей турбины.

В настоящее время на электростанциях в основном используются параметры пара р, = 23,5 МПа (240 кгс/см²) и /, = 565 °C. На опытных установках применяются параметры р, = 29,4 МПа (300 кгс/см²) и /, = 600−650 °С.

Понижение давления в конденсаторе более чем до р₂= 3,5−4 кПа (0,035−0,040 кгс/см²), чему соответствует температура насыщения /₂= 26,2−28,6°С, ограничивается прежде всего температурой охлаждающей воды /_охл, колеблющейся в зависимости от климатических условий от 0 до 25−30°С. При малой разности t₂ — t_oxn интенсивность теплообмена падает, а размеры конденсатора растут. Кроме того, с понижением р₂ становится все большим удельный объем пара, что тоже ведет к увеличению размера конденсатора, а также и к увеличению последних ступеней турбины. На рис. 4.3 и 4.4 показан графически характер влияния повышения р_] и /, и понижения р₂ на термический КПД.

Рис. 4.3. Влияние повышения начальных давления и температуры пара на экономичность цикла Ренкина.

Рис. 4.4. Влияние понижения давления в конденсаторе на влажность пара в конце расширения (а) и экономичность цикла Ренкина (б).

На рис. 4.5 показана упрощенная технологическая схема энергоблока КЭС. Энергоблок представляет собой как бы отдельную электростанцию со своим основным и вспомогательным оборудованием и центром управления — блочным щитом. Связей между соседними энергоблоками по технологическим линиям обычно не предусматривается.

Построение КЭС по блочному принципу дает определенные техникоэкономические преимущества, которые заключаются в следующем:

облегчается применение пара высоких и сверхвысоких параметров вследствие более простой системы паропроводов, что особенно важно для освоения агрегатов большой мощности;

упрощается и становится более четкой технологическая схема электростанции, вследствие чего увеличивается надежность работы и облегчается эксплуатация;

уменьшается, а в отдельных случаях может вообще отсутствовать резервное тепломеханическое оборудование;

сокращается объем строительных и монтажных работ; уменьшаются капитальные затраты на сооружение электростанции; обеспечивается удобное расширение электростанции, причем новые энергоблоки при необходимости могут отличаться от предыдущих по своим параметрам.

Технологическая схема КЭС состоит из нескольких систем: топливоподачи, топливоприготовления, основного пароводяного контура вместе с парогенератором и турбиной, циркуляционного водоснабжения, водоподготовки; золоулавливания и золоудаления и электрической части станции.

Рис. 4.5. Принципиальная технологическая схема КЭС:

• 1 — склад топлива и система топливоподачи;
• 2 - система топливоприготовления; 3 — котел; 4 — турбина; 5 — конденсатор;
• 6 - циркуляционный насос; 7- конденсатный насос; 8 — питательный насос; 9 — горелки котла; 10 — вентилятор; 11 — дымосос; 12 — воздухоподогреватель; 13- водяной экономайзер; 14 — подогреватель низкого давления; 15 — деаэратор; 16 — подогреватель высокого давления;

СН — собственные нужды Механизмы и установки, обеспечивающие нормальное функционирование вышеназванных систем, входят в так называемую систему собственных нужд станции (энергоблока).

Наибольшие энергетические потери на КЭС имеют место в основном в пароводяном контуре, а именно в конденсаторе, где отработавший пар, содержащий еще большое количество тепла, затраченного при парообразовании, отдает его циркуляционной воде. Тепло с циркуляционной водой уносится в водоемы, т. е. теряется.

Эти потери в основном и определяют КПД электростанции, составляющий даже для самых современных КЭС, не более 40−42%.

Электроэнергия, вырабатываемая электростанцией, выдается на напряжение 110−220 кВ, и лишь часть ее отбирается на собственные нужды через трансформатор собственных нужд, подключенный к выводам генератора.

Наиболее крупные КЭС в настоящее время имеют мощность до 4 млн. кВт; сооружаются электростанции мощностью 4−6,4 млн. кВт с энергоблоками 500 и 800 МВт. Предельная мощность КЭС определяется условиями водоснабжения и влиянием выбросов станции на окружающую среду.

Современные КЭС весьма активно воздействуют на окружающую среду: на атмосферу, гидросферу и литосферу. Влияние на атмосферу сказывается в большом потреблении кислорода воздуха для горения топлива и в выбросе значительного количества продуктов сгорания. Это в первую очередь газообразные окислы углерода, серы, азота, часть из которых имеет высокую химическую активность. Летучая зола, прошедшая через золоуловители, загрязняет воздух. Наименьшее загрязнение атмосферы (для станций одинаковой мощности) отмечается при сжигании газа и наибольшее — при сжигании твердого топлива с низкой теплотворной способностью и высокой зольностью. Необходимо учесть также большие уносы тепла в атмосферу, а также электромагнитные поля, создаваемые электрическими установками высокого и сверхвысокого напряжения.

КЭС загрязняет гидросферу большими массами теплой воды, сбрасываемыми из конденсаторов турбин, а также промышленными стоками, хотя они проходят тщательную очистку.

Для литосферы влияние КЭС сказывается не только в том, что для работы станции извлекаются большие массы топлива, отчуждаются и застраиваются земельные угодья, но и в том, что требуется много места для захоронения больших масс золы и шлаков (при сжигании твердого топлива).

Влияние КЭС на окружающую среду чрезвычайно велико. Например, о масштабах теплового загрязнения воды и воздуха можно судить по тому, что около 20% тепла, которое получается в котле при сгорании всей массы топлива, теряется за пределами станции. Учитывая размеры производства электроэнергии на КЭС, объемы сжигаемого топлива, можно предположить, что они в состоянии влиять на климат больших районов страны. В то же время в современных условиях решается задача утилизации части тепловых выбросов путем отопления теплиц, создания подогреваемых трудовых рыбохозяйств. Золу и шлаки используют в производстве строительных материалов и т. д.