ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ, СЕТЕЙ И СИСТЕМ

Виды, назначение и общая характеристика электрических станций, сетей и систем

Общие положения.

Широкое практическое использование электрической энергии по сравнению с другими видами энергии объясняется прежде всего относительной легкостью ее производства и возможностью передачи на большие расстояния. Преобразование первичной энергии в электрическую осуществляется на электростанциях.

Электростанция представляет собой электроустановку, предназначенную для производства электрической или электрической и тепловой энергии, состоящую из строительной части, оборудования для преобразования различных видов энергии в электрическую или электрическую и тепловую, вспомогательного оборудования и электрических распределительных устройств [19].

Все источники электрической энергии делят на традиционные и нетрадиционные. К традиционным источникам относятся тепловые, атомные и использующие энергию потока воды, к нетрадиционным — ветровые, солнечные и приливные.

Типы электрических станций и их особенности.

В зависимости от используемых энергоресурсов различают следующие типы электростанций:

  • • тепловые (ТЭС), использующие природное топливо (они делятся на конденсационные (КЭС) и теплофикационные (ТЭЦ));
  • • гидравлические (ГЭС) и гидроаккумулирующие (ГАЭС), использующие энергию падающей воды;
  • • атомные (АЭС), использующие энергию ядерного распада;
  • • дизельные (ДЭС);
  • • ТЭС с газотурбинными (ГТУ) и парогазовыми установками (ПГУ);
  • • солнечные электростанции (СЭС);
  • • ветровые электростанции (ВЭС);
  • • геотермальные электростанции (ГеоТЭС);
  • • приливные электростанции (ПЭС), использующие энергию приливов и отливов морей и океанов.

В России производится и потребляется огромное количество электроэнергии. Она почти полностью вырабатывается тремя основными типами электростанций: тепловыми, атомными и гидроэлектростанциями. Примерно 70% мировой электроэнергии вырабатывают на ТЭС (рис. 1.1).

Принципиальная технологическая схема ТЭС

Рис. 1.1. Принципиальная технологическая схема ТЭС:

  • 1 — паровой котел; 2 — турбина; 3 — электрогенератор; 4 — конденсатор;
  • 5 конденсатный насос; 6 — подогреватели низкого давления; 7— деаэратор;
  • 8— питательный насос; 9— подогреватели высокого давления; 10—дренажный

насос

В зависимости от типа первичного двигателя ТЭС подразделяют на паротурбинные (ПТЭС), газотурбинные (ГТЭС), парогазовые (ПГЭС) и дизельные (ДЭС). Паротурбинные электростанции по типу применяемых турбин, в свою очередь, делятся на конденсационные (КЭС), которые вырабатывают только электроэнергию, и теплофикационные (ТЭЦ), вырабатывающие электроэнергию и тепло. Мощные КЭС называются государственными районными электрическими станциями (ГРЭС).

В России около 75% энергии производится на тепловых электростанциях. Теплоэлектростанции строят в районах добычи топлива или в районах потребления энергии. Строительство ТЭС осуществляется быстрыми темпами и обходится дешевле, чем строительство ГЭС и АЭС. Теплоэлектростанции вырабатывают электроэнергию без сезонных колебаний, КПД составляет около 33%, режим работы меняется медленно (для разогрева котла требуется двое-трое суток). Производимая электроэнергия получается дорогой, так как для эксплуатации станции, добычи и транспортировки топлива требуется большое число обслуживающего персонала.

На ТЭЦ используют тепло сгораемого топлива (угля, нефти или газа) для нагрева находящейся в котлах воды и превращения ее в пар, который вращает роторы паровых турбин и соединенные с ними роторы генераторов, механическая энергия которых преобразуется в электрическую.

Для ТЭЦ характерны значительно меньшие удельные расходы топлива, чем для КЭС, но большие удельные капиталовложения, которые снижаются с повышением мощности ТЭЦ. Одним из главных достоинств ТЭС является их высокая маневренность по сравнению с обычными ТЭС: время пуска газотурбинных установок (ГТУ) из холодного состояния составляет 30—40 мин. Недостатком ГТУ является относительно высокий удельный расход топлива.

Конденсационные электрические станции (КЭС) функционируют в автономном режиме; энергия, которая вырабатывается при сжигании топлива в котле, преобразуется в энергию пара. В качестве топливного материала для этого вида станций служит уголь, мазут, торф, газ. Конденсационные электростанции устанавливают вблизи источников воды. Недостаток этого типа электростанций заключается в проведении больших подготовительных работ, которые могут занимать несколько часов, чтобы запустить станцию. Данная категория станций относится к экономичным, так как КПД этих станций составляет 60%.

Гидравлическими или гидроэлектростанциями (ГЭС) называют электростанции, на которых энергия воды, освобождающаяся при изменении ее высотного состояния, преобразуется в электроэнергию. Вода, двигаясь из верхнего бьефа в нижний, вращает рабочее колесо гидротурбины, на одном валу с которым находится ротор генератора. Турбина и генератор вместе образуют гидроагрегат (рис. 1.2).

Водное пространство перед плотиной называется верхним бьефом, а ниже плотины — нижним бьефом. Разность уровней верхнего (УВБ) и нижнего бьефа (УНБ) определяет напор Н. Верхний бьеф образует водохранилище, в котором накапливается вода, используемая по мере необходимости для выработки электроэнергии.

Принципиальная технологическая схема ГЭС

Рис. 1.2. Принципиальная технологическая схема ГЭС:

Т — трансформатор; с. н. — собственные нужды; G — генератор; УВБ, УНБ — уровень верхнего и нижнего бьефа

Гидроэлектростанции (ГЭС) характеризуются следующими технологическими особенностями:

  • 1) использованием непрерывно возобновляемых природных источников энергии рек;
  • 2) полной автоматизацией процессов производства электроэнергии;
  • 3) большой маневренностью, т.е. способностью практически мгновенно изменять режим работы, быстро принимать и сбрасывать нагрузки;
  • 4) высоким КПД (более 90%).

Основным экономическим преимуществом ГЭС является низкая себестоимость электроэнергии. Однако энергетические и технико-экономические показатели ГЭС существенно зависят от природных условий и, по сравнению с ТЭС, эти станции требуют более высоких капиталовложений.

Гидроэлектростанции выгодно строить на полноводных горных реках, таких как Енисей и Ангара. Гидроэлектростанции являются самыми экономичными электростанциями. Энергия на этих станциях вырабатывается при помощи первичных двигателей-гидротурбин, с помощью которых происходит вращение синхронных генераторов. Коэффициент полезного действия гидроэлектростанций достигает 90%. На равнинных реках (например, на Волге, Каме) построены каскады ГЭС. Гидроэлектростанции отличаются экономичностью, простотой управления, длительным сроком эксплуатации (до 100 и более лет), низкой себестоимостью электроэнергии, а процесс производства электроэнергии не сопровождается загрязнением окружающей среды. Однако следует отметить, что строительство станций такого типа получается длительным и дорогим, сопровождается затоплением огромных площадей плодородных земель. Причем в зоне затопления могут оказаться сотни деревень и даже городов. Водохранилища изменяют климат, вода в них быстро загрязняется, а прошедшая через турбину вода становится «мертвой», поскольку в ней погибают микроорганизмы.

Атомные электростанции (АЭС) строят в районах, где потребляется много энергии, а других энергоресурсов не хватает (западная часть страны). Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое служит энергией для АЭС, выделяется в реакторе при распаде радиоактивных элементов и их изотопов и используется для нагрева теплоносителя — воды. Затем, так же как и на обычных тепловых электростанциях, происходит процесс преобразования в электроэнергию. В отличие от тепловых электростанций, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (рис. 1.3).

Принципиальная технологическая схема АЭС

Рис. 1.3. Принципиальная технологическая схема АЭС:

1 — реактор; 2 — парогенератор; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — повышающий трансформатор; 6 — конденсатор турбины; 7— питательный насос; 8— главный циркуляционный насос

В атомной электростанции теплота ядерной реакции используется для получения пара, который поступает в турбину, вращающую электрический генератор. Выработанная электроэнергия поступает на повышающий силовой трансформатор.

Существенное преимущество АЭС состоит в сокращении расхода органического топлива на производство электроэнергии. Так, при расходе 1 кг ядерного топлива вырабатывается около 23 млн кВт • ч электроэнергии. Для сравнения при сжигании 1 кг каменного угля можно получить только 8 кВт • ч электроэнергии. Выработанная АЭС электроэнергия получается дешевой, строительство сопровождается сравнительно небольшими затратами, работа станции не приводит к усилению парникового эффекта, а процесс производства электроэнергии не сопровождается загрязнением окружающей среды. К недостаткам АЭС относится проблема утилизации ядерного отработанного топлива, а также возможные крупные аварии, способные вывести из хозяйственного использования тысячи километров территории.

Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (урана, плутония и др.) значительно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива (нефти, угля, природного газа и др.). Поэтому развитию атомной энергетики уделяется большое внимание.

Известно, что в электроэнергетике цикл производства, распределения и потребления электроэнергии осуществляется одновременно. Поэтому при планировании производства электроэнергии учитывают и режим потребления электроэнергии во времени, т.е. график электрической нагрузки. Суточная неравномерность нагрузки, наличие пиков и резких снижений уровня электропотребления создает технические проблемы для энергопроизводителей, связанные с необходимостью обеспечения соответствия производства и потребления электроэнергии. Для согласования этих процессов используют накопление излишков энергии в период минимального потребления и выдачи ее в период максимального потребления. Аккумулирование энергии находит широкое применение в мировой практике.

Потребность в аккумулировании вызывается не только неравномерностью электропотребления, но и технической сложностью и неэкономичностью быстрого изменения рабочей мощности крупных ТЭС и АЭС при колебаниях нагрузки, а также необходимостью высокой маневренности при аварийных и нештатных ситуациях в энергосистеме.

Аккумулирование энергии для целей электроснабжения практически во всем мире осуществляется системами гидроаккумулирования, которые используются в современных энергообъединениях с помощью ГАЭС — гидроаккумулирующих электростанций, которые выполняют функции пиковых станций и потребителей-регуляторов. Гидротехнические сооружения ГАЭС состоят из двух бассейнов, расположенных на разных уровнях, и соединительного трубопровода.

Электроэнергия, производимая недогруженными электростанциями энергосистемы (обычно ночные часы суток), используется ГАЭС для перекачивания насосами воды из нижнего водоема в верхний. В периоды пиков нагрузки вода из верхнего бассейна по трубопроводу подводится к гидроагрегатам ГАЭС, включенным на работу в турбинном режиме. Произведенная при этом электроэнергия отдается в сеть энергосистемы, а вода накапливается в нижнем водоеме.

Гидроаккумулирующие электростанции не подвержены воздействию колебаний стока, а время пуска и смены режимов работы ГАЭС измеряется несколькими минутами. Гидроаккумулирующие электростанции целесообразно строить вблизи центров потребления электроэнергии, так как сооружение протяженных линий электропередачи для кратковременного использования экономически не целесообразно.

Из жидкотопливных электростанций внимания заслуживают дизельные, бензиновые и газовые электрогенераторы. Электростанции на их основе работают автономно и представляют собой небольшие установки. Они предназначены в основном для электроснабжения отдельных потребителей и энергоузлов, не присоединенных к энергосистемам.

В качестве вывода следует подчеркнуть, что углеводородное сырье (нефть, углеводородный конденсат, природный и нефтяной газ, уголь) является и будет служить в дальнейшем основным источником энергоресурсов в мире. Согласно Основным положениям энергетической стратегии России аналогичные тенденции будут иметь место в энергетическом балансе страны вплоть до 2020 г. (табл. 1.1) [34].

Таблица 1.1

Энергобаланс России в производстве первичных энергоресурсов

Виды энергоресурсов

Годы

2000

2010

2020

Органическое топливо, млн т.у.т.

1 190...1 315

1 330... 1 525

1 480...1 735

Электроэнергия, млрд кВт • ч

288...295

295...335

335...375

Нетрадиционная энергетика млн т.у.т.

4...6

10...17

20...34

Все возрастающие нагрузки на окружающую среду традиционной энергетикой, промышленностью, транспортом, антропогенной деятельностью человечества привели к острой необходимости в интеграции энергетической, экологической и социально-экономической политики.

Одним из перспективных путей решения проблем, возникших в традиционной энергетике, является использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Необходимость перехода на нетрадиционные (возобновляемые) виды энергии диктуется не только причинами, связанными с проблемой истощения запасов топлива. Дело в том, что при сжигании органического топлива в атмосферу выбрасывается огромное количество углекислоты, сажи, золы, которые загрязняют окружающую среду [20]. В этих условиях проблема использования возобновляемых источников энергии с их практической неисчерпаемостью, отсутствием загрязнения окружающей среды при том, что отпадает надобность в добыче, переработке и доставке топлива, удалении отходов или продуктов распада становится актуальной.

К основным причинам перехода на нетрадиционные (их еще называют альтернативные) источники энергии относятся следующие:

  • • экологические, так как добыча органического топлива и его использование для традиционных источников энергии пагубно влияет на окружающую среду и ведет к изменению климата;
  • • экономические, что определяет прежде всего сохранность топливных ресурсов, но ведет к повышению цен на традиционную энергетику;
  • • социальные, связанные с трудностью нахождения районов безопасного строительства АЭС и с большим вредом, наносимым, например, равнинными ГЭС;
  • • эволюционные, связанные с пагубными изменениями на планете при использовании традиционных источников энергии.

Примером нетрадиционных источников энергии могут служить ветроэлектростанции, приливные и солнечные установки.

Ветроэлектростанция превращает энергию ветра в электроэнергию (рис. 1.4). Запасы ветровой энергии на территории нашей страны очень большие, а стоимость производства электроэнергии на этих электростанциях ниже, чем на любых других. Основной недостаток ветроэнергетических установок — небольшая мощность и низкий КПД.

Структурная схема ветроэнергетической установки

Рис. 1.4. Структурная схема ветроэнергетической установки:

1 — ветродвигатель; 2 — рабочая машина; 3— аккумулирующее или резервирующее устройство; 4 — дублирующий двигатель; 5 — системы автоматического управления и регулирования режимов работы. Пунктиром обведены узлы, составляющие ветроагрегат

Ветроэнергетические установки целесообразны в тех местах, где среднегодовые скорости ветра достаточно велики. Расчетная скорость ветра для больших ветроэнергетических установок обычно принимается на уровне 11...15 м/с. Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном месте не менее 5...7 м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается номинальная мощность, не менее 2000, то такое место благоприятно для установки крупной ветроэнергетической установки.

Показанный на рис. 1.4 дублирующий двигатель (обычно это двигатель внутреннего сгорания) используется в периоды безветрия и в тех случаях, когда из-за снижения скорости ветра мощность, развиваемая ветродвигателем, становится ниже номинальной или недостаточной для питания электроэнергией всей присоединенной нагрузки.

Системы автоматического управления и регулирования служат для включения и отключения ветродвигателя (в зависимости от режимов ветра и нагрузки), для контроля за работой главных элементов ветроэнергетической установки, согласования режимов совместной или параллельной работы ветряного и теплового двигателей и др.

Приливные установки используют для производства электроэнергии энергию прилива и отлива Мирового океана, что происходит под действием гравитационных сил Солнца и Луны. В водохранилище во время прилива можно создать запас воды, которая при отливе будет спускаться в море и вращать гидротурбины. Главный недостаток приливных установок — неравномерность выработки электроэнергии во времени и значительная стоимость плотин и водохранилища.

Солнечные установки преобразуют солнечное излучение в электрическую энергию с помощью солнечных батарей, основу которых составляют фотоэлементы. Солнечные батареи могут, например, обеспечить питание бытовых потребителей, электронные устройства др.

Для обеспечения надежного электроснабжения от возобновляемых источников, значительно подверженных воздействию климатических условий, а также времени суток и года, необходимо их объединение между собой, а также с действующими энергосистемами. В настоящее время имеются проблемы для широкого использования альтернативных источников энергии (необходимость создания новой техники и технологии, нехватка специалистов и др.). В перспективе ожидается использование нетрадиционных источников энергии — энергии ветра, приливов, солнца и внутренней энергии земли.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >