Общая энергетика

Вопросы.

Нарисовать принципиальную технологическую схему трёхконтурной АЭС и объяснить назначение всех элементов схемы. Основные особенности АЭС.
Нарисовать схему конденсатора турбины и объяснить назначение и устройство.
Схема снабжения котлов газом. Подготовка к сжиганию газообразного топлива
Влияние ТЭЦ на окружающую среду.
Технологическая схема КЭС. Назначение каждого элемента схемы. Основные особенности КЭС.

Нарисовать принципиальную технологическую схему трёхконтурной АЭС и объяснить назначение всех элементов схемы.

3

Принципиальная технологическая схема трёхконтурной АЭС выглядит следующим образом

Т

ТСН

РУ СН

На схеме обозначены

Ядерный реактор с первичной биологической защитой.
Вторичная биологическая защита.
Турбина.
Генератор.
Конденсатор.
Циркуляционные насосы.
Регенеративный теплообменник.
Резервуар с водой.
Парогенератор.
Промежуточный теплообменник.

Т – повышающий трансформатор.
ТСН – трансформатор собственных нужд.
РУ ВН – распределительное устройство высокого напряжения (110 кВ и выше).
РУ СН – распределительное устройство собственных нужд.
I; II; III – контуры АЭС.
Установка, в которой происходит управляемая цепная ядерная реакция, называется ядерным реактором 1. В него загружается ядерное топливо, например – уран –238. Ядерный реактор служит для нагрева теплоносителя и представляет из себя, в принципе, котёл.
Биологическая защита 2 выполняет функции изолятора реактора от окружающего пространства для того, чтобы в него не проникли мощные потоки нейтронов, альфа-, бета-, гамма- лучи и осколки деления. Биологическая защита предназначена для создания безопасных условий работы обслуживающего персонала.
Турбина 3 предназначена для преобразования энергии пара в механическую энергию вращения ротора электрического генератора. Генератор 4 вырабатывает электрическую энергию, которая поступает на повышающий трансформатор Т, где преобразуется до необходимых величин для дальнейшей передачи в линии электропередач. Часть энергии также передаётся на ТСН – понижающий трансформатор собственных нужд.
Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор. Конденсатор 5 служит для охлаждения пара, который, конденсируясь, затем подаётся циркуляционным насосом 6 через регенеративный обменник 7 в парогенератор 9. В регенеративном обменнике вода охлаждается до исходной величины.
Разогретый в реакторе теплоноситель первого контура (Na) отдаёт тепло в промежуточном теплообменнике 10 теплоносителю второго контура (Na). А тот, в свою очередь, отдаёт тепло рабочему телу(H2O) в парогенераторе.
Циркуляционные насосы служат для движения теплоносителя в контурах схемы, а также для подачи охлаждающей воды в конденсатор из резервуара 8.
Таким образом, принципиально АЭС отличаются от ТЭС только тем, что рабочее тело на них получает тепло в парогенераторе при сжигании ядерного топлива в ядерном реакторе, а не органического топлива в котлах, как это имеет место на ТЭС.
Многоконтурная схема АЭС обеспечивает радиационную безопасность и создаёт удобства для обслуживания оборудования. Выбор числа контуров определяется в зависимости от типа реактора и свойств теплоносителя, характеризующих его пригодность для использования в качестве рабочего тела в турбине.
Особенности АЭС

1. Атомные электрические станции не зависят от месторасположения источника сырья, а потому могут сооружаться в любом географическом месте, в том числе и труднодоступном.
2. Для работы АЭС требуется небольшое количество топлива (100-150 т. в год).
3. Атомные станции не загрязняют атмосферу. Выбросы радиоактивных газов и аэрозолей не превышают величин, разрешённых санитарными нормами.
4. АЭС могут работать по свободному графику нагрузки.
5. Коэффициент полезного действия атомных станций 35-38 %.
2. Нарисовать схему конденсатора турбины и объяснить назначение и устройство.

Конденсатор – устройство, предназначенное для охлаждения и конденсации пара, выходящего из турбины.
Экономичность работы паровой турбины в большой степени зависит от конечного давления пара, с понижением которого увеличивается используемый тепловой перепад и возрастает КПД турбоустановки.
Из трёх параметров пара, определяющих экономичность турбины – начальное давление, начальная температура и конечное давление, последний параметр оказывает наибольшее влияние на коэффициент полезного действия турбины. Снижение давления пара после выхода из турбины производится в конденсаторе, в котором поддерживается давление 0,005 – 0,0035 МПа.
Конденсатор представляет из себя цилиндрический корпус, внутри которого имеется большое количество латунных трубок 2, по которым подаётся через патрубок 1 охлаждающая вода. Вода, поступающая в конденсатор имеет температуру 10 – 20 oС, проходя по трубкам нагревается до температуры 25 – 30 oС и выходит через патрубок 5.
Пар из турбины поступает в конденсатор через патрубок 4, соприкасается с холодными трубками, конденсируется и насосом КН откачивается через патрубок 3
Если воду для охлаждения пара забирают из реки, подают в конденсатор, а затем сбрасывают в реку, то такую систему водоснабжения называют прямоточной.
Если воды в реке не хватает, то сооружают искусственный водоём. С одной стороны пруда вода подаётся в конденсатор, а в другую сторону пруда сбрасывается нагретая в конденсаторе вода.
В замкнутых системах водоснабжения для охлаждения воды, нагретой в конденсаторе, сооружают градирни – специальные устройства, высотой около 50 метров. Вода вытекает струйками из отверстий лотков, разбрызгивается и стекая вниз, охлаждается. Внизу расположен резервуар, где вода собирается и затем циркуляционными насосами ЦН опять подаётся в конденсатор.
3. Схема снабжения котлов газом. Подготовка к сжиганию газообразного топлива.

Природный газ – высокоэффективный вид топлива. Высокая теплота сгорания, практическое отсутствие в нём серы и золы предопределяет его использование прежде всего бытовыми потребителями, отопительными котельными, а также промышленными предприятиями, расположенными вблизи городов и на городских ТЭЦ.
Схема снабжения котлов (парогенератора) газом

На схеме обозначены

1. Трубопровод;
2. Дросселирующий клапан;
3. Газовые магистрали;
4. Клапан;
5. Диафрагма;
6. Горелки;
Поступающий по трубопроводам 1 газ дросселируется с помощью клапанов 2 до давления 0,2 – 0,3 МПа.
В случае резкого сужения сечения трубопровода происходит увеличение скорости за счёт падения давления, как при истечении через сопло. Если затем сечение трубопровода резко увеличить, то в результате трения и завихрения потока скорость гасится и переходит в тепло, а начальное давление не восстанавливается. Этот процесс называется дросселированием.
Дросселирование применяется для регулирования и для снижения давления.
Затем газ поступает в газовые магистрали котельной 3, от которых подводится к парогенератору. На подводящих к котлу трубопроводах помимо отключающей задвижки устанавливают клапан 4, регулирующий подачу газа к котлу и диафрагма 5 для замера расхода газа. В пределах парогенератора имеется разводка газа к каждой горелке 6.
На тепловых электрических станциях устанавливаются котлы большой паропроизводительности, оборудованные камерными топками.
В камерных топках сжигают газообразное топливо без всякой подготовки.
При сжигании газообразного топлива имеют место лишь две стадии – подогрев и сгорание. Первичное смесеобразование газа и воздуха осуществляется с помощью горелок, в которых организуется закручивание потока воздуха. Воспламенение газа происходит на поверхности газовой струи и затем распространяется на весь поток.

Влияние ТЭЦ на окружающую среду.

Из всех, существующих на нынешний день видов электростанций тепловые станции, работающие на органическом топливе, более всего загрязняют атмосферу. Объёмы загрязнения окружающей среды и вид загрязнения зависят от типа и мощности станций.
Результатом работы тепловых станций является загрязнение атмосферы углекислотой, выделяющейся при сжигании топлива, окисью углерода, окислами серы, углеводородами, окислами азота, огромными количествами твёрдых частиц (зола) и другими вредными веществами. Кроме того происходит значительное тепловое загрязнение водоёмов при сбрасывании в них тёплой воды.
Увеличение количества углекислоты в атмосфере Земли ведёт к возникновению так называемого «парникового эффекта». Углекислый газ поглощает длинноволновое излучение нагретой поверхности Земли, нагревается и тем самым способствует сохранению на ней тепла. Увеличение доли углекислого газа в атмосфере может привести к повышению на несколько градусов температуры низких слоёв атмосферы, а это в свою очередь, может привести к таянию ледников Гренландии и Антарктиды и затоплению части суши.
Наряду с увеличением содержания углекислого газа, происходит уменьшение доли кислорода в атмосфере, который расходуется на сжигание топлива на тепловых станциях.
Вредное воздействие на животный и растительный мир оказывает загрязнение атмосферы окисью серы. Наибольшее загрязнение атмосферы серой приходится как раз на долю электростанций и отопительных установок.
Вредное воздействие окиси углерода на человека и животных состоит в том, что она, соединяясь с гемоглобином крови, очень быстро лишает организм кислорода.
Станции, работающие на угле потребляют его в больших количествах и больше всего выбрасывают загрязняющих атмосферу веществ. Выбросы в атмосферу зависят от качества сжигаемого угля.
Сбросы горячей воды в водоёмы и повышение вследствие этого их температуры приводят к нарушению экологического равновесия, установившегося в естественных условиях, что неблагоприятно влияет на флору и фауну. Тепловое загрязнение водоёмов может быть уменьшено с переходом на замкнутые циклы использования воды.
Таким образом мы видим, что влияние ТЭЦ на биосферу огромно и неблагоприятно. Но несмотря на это пока тепловые электростанции и теплоэлектроцентрали остаются преобладающими при производстве электроэнергии и тепла для нужд человека.

Технологическая схема КЭС. Назначение каждого элемента схемы. Основные особенности КЭС.

К – котёл (парогенератор) предназначен для получения пара из питательной воды;
ПН – питательный насос – для подачи питательной воды в котёл;
ДВ – дутьевой вентилятор – для подачи воздуха в топку котла, для поддерживания процесса горения;
Д – дымосос – для удаления дымовых газов из котла;
БН – багерный насос – для удаления золы и шлака из котла;
ПП – пароперегреватель – для получения пара высоких параметров;
Т – паровая турбина;
Г – электрический генератор – для выработки электроэнергии;
Кр – конденсатор для охлаждения пара;
ЦН – циркуляционный насос – для подачи воды в конденсатор;
КН – конденсатный насос – для удаления конденсата из конденсатора;
Да – деаэратор – для удаления газов из конденсата; для восполнения потерь туда же подаётся химически очищенная вода;
Т – повышающий трансформатор;
РУ ВН – распределительное устройство высокого напряжения (110 кВ и выше)
ТСН – трансформатор собственных нужд;
РУ СН – распределительное устройство собственных нужд – для электропитания двигателей и освещения;
Конденсационные электрические станции КЭС – это тепловые паротурбинные электростанции, в которых теплота, выделяющаяся при сжигании органического топлива превращается сначала в механическую энергию, а затем в электрическую.
Характерный признак КЭС – отработанный в турбине пар не используется для нестанционных нужд, а подвергается охлаждению (конденсации) в специальных устройствах – конденсаторах, после чего направляется обратно в котёл. Для работы КЭС требуется большое количество воды. Поэтому строят их вблизи водоёмов. В качестве топлива на конденсационных электрических станциях используется уголь, нефть или природный газ.
Твёрдое топливо (уголь) сначала дробится специальными дробилками, затем подсушивается и размельчается до пылевидного состояния специальными мельницами. Угольная пыль вместе с воздушным потоком подаётся в топку котла дутьевым вентилятором ДВ для лучшего сгорания топлива.
Продукты сгорания топлива (дымовые газы) пройдя золоуловители с помощью дымососа Д выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.
Теплота, получаемая при сжигании топлива, используется для получения пара. Пар из котла (парогенератора) подаётся в пароперегреватель ПП, где его параметры (температура и давление) доводятся до необходимых величин, а затем по паропроводу поступает на рабочие лопатки паровой турбины Т.
Если между рабочими лопатками турбины не происходит расширения пара, то есть давление пара не меняется, то такая турбина называется активной.
У реактивной турбины происходит расширение пара, проходящего через каналы рабочих лопаток. В зависимости от показателей расширения пара турбины характеризуются степенями реактивности. Сейчас турбины выполняют многоступенчатыми, причём в одной турбине могут быть как активные, так и реактивные (с разной степенью реактивности) ступени.
В турбине энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора генератора Г, вырабатывающего электрическую энергию.
Отработавший в турбине пар после своего расширения от начального давления на входе турбины – 30 МПа до конечного на выходе 0,0035 МПа поступает в конденсатор турбины Кр, где превращается в воду – конденсат, который конденсатным насосом КН откачивается и проходит через деаэратор Да. Там из воды удаляются газы и к ней добавляется химически очищенная вода, чтобы восполнить потери. После чего вода вновь подаётся в котёл, и затем цикл превращения воды повторяется.
Система технического водоснабжения КЭС включает в себя источник водоснабжения (водоём), циркуляционные насосы ЦН, которыми охлаждающая вода из водоёма подаётся в конденсатор, а также подводящие и отводящие водоводы.
Основные особенности КЭС

Строится по возможности ближе к месторождениям топлива.
Работает по свободному графику выработки электроэнергии (график выработки не зависит от теплового потребления).
Низкоманёвренные – разворот турбин и набор нагрузки из холодного состояния требует 3-10 часов).
Выработанная электроэнергия отдаётся в электрические сети повышенных напряжений 110 – 750 кВ.
Имеют сравнительно низкий КПД 30 – 40 %, максимум 42 %.

ЛИТЕРАТУРА

Гиршфельд В.Я., Кароль Л.А. «Общий курс электростанций». М. Энергия 1976 г.
Поярков К.М. «Электрические станции, подстанции, линии и сети». М. Высшая школа 1983 г.
Веников В.А., Путятин Е.В. «Введение в специальность» Электроэнергетика. Высшая школа 1988 г.