Общая энергетика

Общая энергетика.

1. Современные способы получения электрической энергии.

1.1. Тепловые конденсационные электрические станции.

Тепловые конденсационные электрические станции преобразовывают энергию органического топлива вначале в механическую, а затем в электрическую. Механическую энергию упорядоченного вращения вала получают с помощью тепловых двигателей, преобразующих энергию неупорядоченного движения молекул пара или газа.

Все тепловые двигатели подразделяются:
по виду используемого рабочего тела - пар или газ;

по способу преобразования тепловой энергии в механическую— поршневой или роторный (табл. 2.2). В поршневом способе для преобразования используется потенциальная энергия рабочего тела,

Способ работы	Рабочее тело
	пар	газ
Поршневой	Паровая машина	Двигатель внутреннего сгорания
Роторный	Паровая турбина	Газовая турбина

получаемая при его нагревании. В роторном способе используется кинетическая энергия движущихся с большой скоростью частиц рабочего тела.

Паровая машина была единственным двигателем, используемым в промышленности и на транспорте в XVIII и XIX вв. В настоящее время она практически не встречается, а широко применявшиеся в прошлом паровозы и пароходы почти полностью сняты с производства.

В настоящее время наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, используемые на автомобильном транспорте. В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания находят ограниченное применение.

На современных мощных ТЭС устанавливают паровые турбины,. Первая паровая турбина, предназначенная для вращения электрического трехфазного генератора, была установлена на Эльберфельдской электростанции в 1899 г. С тех пор началось развитие мощных паротурбинных электростанций.

В качестве тепловых двигателей на электрических станциях используют также газовые турбины.

Для повышения эффективности работы тепловых двигателей стремятся максимально увеличить температуру рабочего тела и его давление до значений, приемлемых по условиям механической прочности конструкционных материалов.

В современных паровых установках, составляющих основу энергетики, используют пар при температуре— около 600°С и давлении 30 МПа. Для охлаждения рабочего тела (пара) обычно применяют холодную воду, которая понижает его температуру до 30— 40°С. При этом давление пара резко падает.

На рис. 2.3 схематически показаны стадии преобразования первичной энергии органического топлива в электрическую.

Основные процессы теплового цикла паровых установок, как было показано ранее, происходят в следующих элементах: в парогенераторах — подвод теплоты, в турбинах — расширение пара, в конденсаторах— отвод теплоты, в турбинах — расширение пара, в конденсаторах — охлаждение. С помощью насосов высокого давления производится сжатие, при котором конденсат нагнетается в парогенератор.

Схема тепловой станции, приведенная на рис. 2.1, более подробно показана на рис. 2.4 и 2.5 Работа станции происходит следующим образом. Из бункера 1 (рис. 2.4) уголь поступает в дробильную установку 2, где он превращается в пыль. Угольная пыль вместе с

воздухом из воздуходувки 3' подается в топку S, Теплота, получаемая при сжигании угля, используется для преобразования воды в пар в трубах 4. Вода по змеевику 5 накачивается насосом 14 в барабан котла 5'. Пар, нагретый потоком горячих газов, уходящих в трубу 6, при высокой температуре и высоком давлении поступает сначала в первую ступень турбины 7, а затем во вторую ступень 8. В турбине энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора генератора 9, вырабатывающего электрическую энергию. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор 13, превращается в воду, которая насосом 14 подается в котел, и затем цикл превращения воды повторяется. Охлаждение пара в конденсаторе производится с помощью воды, забираемой из водоема (пруда или реки) 11, накачиваемой насосом 12 и вновь выбрасываемой в водоем. Продукты сгорания угля проходят через очистительные сооружения (не показанные на рис. 2.4), где выделяются зола, твердые частички несгоревшего угля и прочие примеси, а оставшиеся газы через трубу 6 выбрасываются в атмосферу. Электрическая энергия, получаемая от статора генератора, отдается в электрическую систему через выводы 10.

На рис. 2.5 показана общая схема получения теплоты и преобразования ее в электрическую энергию.

Рассмотрим дополнительно работу одного из основных элементов станции — парогенератора, в котором получают пар для питания станции. Современный парогенератор представляет собой сложное техническое сооружение больших размеров, высота которого соизмерима с высотой пятиэтажного дома. В топке парогенератора сжигается превращенный в мелкую пыль уголь, газ или распыленная нефть при температуре 1500—2000°С. Для наиболее полного сжигания топлива с помощью вентилятора в больших количествах подается подогретый воздух. Появляющаяся в процессе сгорания топлива теплота нагревает воду, превращает ее в пар и увеличивает его температуру и давление до расчетных значений. Использованные горячие газы дымососами вытягиваются из парогенератора и подаются в очистительные устройства, а затем направляются в дымовую трубу. Вода, подаваемая в парогенератор, предварительно очищается от примесей, содержание которых допускается в меньшем количестве, чем в питьевой воде. Очистка воды производится в специальных устройствах — питателях.

По конструктивному выполнению парогенераторы подразделяют на барабанные и прямоточные

В барабанном парогенераторе (рис. 2.6) имеется стальной барабан 3, в нижней части которого

находится вода, а в верхней части — пар. По циркуляционной трубе 2 вода поступает в трубки экрана /, покрывающие стенки топки 7. Трубки экрана выполняют стальными, небольшого диаметра (примерно 40 мм снаружи и 32 мм внутри), для того чтобы они смогли выдержать большое давление пара. В крупном парогенераторе каждый час испаряются сотни тонн воды и поэтому трубки имеют общую длину до 50 км.

Чтобы повысить эффективность работы парогенератора, вода перед подачей в барабан нагревается в экономайзере 5, а воздух перед подачей в топку подогревается
горячими газами в воздухоподогревателе 6. Выходящий
из барабана пар дополнительно нагревается в пароперегревателе 4. _

В барабанном парогенераторе происходит естественная циркуляция воды и пароводяной смеси за счет их разных плотностей. С увеличением температуры и давления пара уменьшается разность в плотностях воды и пара, что ухудшает их циркуляцию.

В прямоточном парогенераторе барабана нет. Циркуляция воды и пара создается насосами (рис. 2.7). Вода через водоподогреватель 3 поступает в трубы 1, расположенные в топке, превращается в пар, который затем подается в пароперегреватель 2 и далее в турбину. В воздухоподогревателе 4 происходит подогрев воздуха перед подачей его в топку. Прямоточные парогенераторы требуют качественного регулирования подачи воды. Кроме того, к питательной воде, используемой в парогенераторах этого типа, предъявляют очень высокие требования в отношении ее химической чистоты.

Прямоточные котлы получили широкое распространение, так как они дешевле барабанных. У барабанных парогенераторов при высоких давлениях (свыше 20 МПа) нарушается естественная циркуляция воды и пара.

Прямоточные парогенераторы стали применяться в нашей стране в 30-е годы по инициативе Л. К. Рамзина, который разработал ряд оригинальных конструкций котлов.

Турбины. Полученный в парогенераторах перегретый пар при температуре ~600°С и давлении 30 МПа по паропроводам передается в сопла. Сопла предназначены для преобразования внутренней энергии пара в кинетическую энергию упорядоченного движения молекул.

Если перед входом в сопло пар имел некоторую начальную скорость Со и начальное давление р1 (рис. 2.8), то после выхода из сопла в результате расширения пара происходит увеличение его скорости до значения с1 и уменьшение давления до значения р2. Температура пара также при этом значительно понижается.

После выхода из сопла пар подается на рабочие лопатки турбины. Если турбина активная, то между ее рабочими лопатками расширения пара не происходит, следовательно, давление пара не меняется (рис. 2.8). Абсолютная скорость движения пара уменьшается от с1 до с2 вследствие вращения турбины со скоростью .

Конструктивно обычно турбина выполняется в виде нескольких ступеней, каждая из которых состоит из одного венца сопловых лопаток и одного венца рабочих лопаток. Сопловые и рабочие лопатки закреплены на окружностях одинакового радиуса.

У реактивной турбины или ступени происходит расширение пара, проходящего через каналы рабочих лопаток. В зависимости от показателей расширения пара в каналах турбины характеризуют ступенями реактивности. В настоящее время турбины выполняют многоступенчатыми, причем в одной и той же турбине могут быть как активные, так и реактивные (с различной степенью реактивности) ступени.

Изменение параметров пара в реактивной ступени турбины показано на рис. 2.9. В соплах турбины происходит частичное расширение пара до промежуточного давления р1. Дальнейшее расширение пара до давления p2 происходит в каналах между лопатками. Абсолютная скорость пара в сопле увеличивается до значения сi, а в каналах между лопатками уменьшается из-за вращения лопаток до значения С2.

Общий вид лопаток мощной паровой турбины показан на рис. 2.10.

В реактивных турбинах помимо центробежных сил, возникающих при изменении скорости движения пара, на лопатки действуют реактивные силы, вызванные расширением пара.

Появление реактивной силы можно показать на следующем примере. Пусть в бак, установленный на тележке (рис. 2.11), подведен пар под давлением, который в положении I равномерно действует на все стенки. Если убрать пробку, то равновесие бака сразу же нарушится. На правую стенку будет действовать неизменная сила, а сила, действующая на левую стенку, резко уменьшится, так как давление окружающей среды меньше, чем давление в баке. Пар устремится из бака, а тележка под действием реактивной силы начнет двигаться вправо (положение II).

(Конденсаторы. Пар, выходящий из турбины, направляют для охлаждения и конденсации в специальное устройство называемое конденсатором. Конденсатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого имеется большое число латунных трубок. По трубкам протекает охлаждающая вода, поступающая в конденсатор обычно при температуре 10—15°С и выходящая из него при температуре 20—25°С. Пар обтекает трубки сверху вниз, конденсируется и снизу удаляется. Давление в конденсаторе поддерживается в пределах 3— 4 кПа, что достигается охлаждением пара.

Расход охлаждающей воды составляет примерно 50—100 кг на 1 кг пара. На электростанции мощностью 1 ГВт расходуется 40 м3/с охлаждающей воды, что примерно равно расходу воды в Москве-реке.

Если воду для охлаждения пара забирают из реки, подают в конденсатор, а затем сбрасывают в реку, то такую систему водоснабжения называют прямоточной. В случаях, когда воды в реке не хватает, сооружают пруд. С одной стороны пруда вода подается в конденсатор, а с другой стороны пруда сбрасывается нагретая в конденсаторе вода.

В замкнутых системах водоснабжения для охлаждения воды, нагретой в конденсаторе, сооружают градирни, представляющие собой устройства высотой примерно 50 м. Вода вытекает струйками из отверстий лотков, разбрызгивается и, стекая вниз, охлаждается. Внизу расположен бассейн, в котором вода собирается и затем насосами подается в конденсатор.

Тепловой баланс конденсационной электрической станции. На ТЭС происходят многократные преобразования энергии, сопровождающиеся потерями. Экономичность процесса преобразования химической энергии топлива в электрическую и потери на различных стадиях производства можно выявить из анализа теплового баланса электрической станции. Если за 100% принять химическую энергию, получаемую при сжигании угля в топках котлов, то в среднем только 25% этой энергии превращается в электрическую (рис. 2.12). Наибольшие потери теплоты происходят в конденсаторе. С охлаждающей водой конденсатора уносится 55% теплоты.

1.2. ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ.

Производство электрической энергии на ТЭС сопровождается большими потерями теплоты. В то же время многим отраслям промышленности таким, как химическая, текстильная, пищевая, металлургическая, и ряду других теплота необходима для технологических целей. Для отопления жилых зданий требуется в значительном количестве горячая вода.

В нашей стране больше всего добываемого топлива расходуется на тепловые нужды предприятий. Ориентировочное представление о потреблении теплоты в промышленности можно получить, рассмотрев потребности в нем какого-либо конкретного предприятия. Например, на автомобилестроительном заводе приблизительно всей потребляемой теплоты идет на отопление, вентиляцию и бытовые нужды и только расходуется на производственные цели. Противоположная ситуация на азотнотуковом комбинате — предприятии химической промышленности. Здесь примерно всей потребляемой теплоты расходуется на производственные цели. Удовлетворение потребностей в теплоте сооружением небольших индивидуальных котельных, как правило, не экономично, так как такие установки работают с небольшими КПД и технически менее совершенны, чем крупные установки современных мощных ТЭС.

В этих условиях естественно использовать пар, получаемый в парогенераторах на тепловых станциях, как для выработки электроэнергии, так и для теплофикации потребителей. Электростанции, выполняющие такие функции, называются теплоэлектроцентралями.

Отработанный в турбинах конденсационных станций пар имеет температуру 25—30°С, поэтому он не пригоден для использования в технологических процессах на предприятиях.» Во многих производствах требуется пар, имеющий давление 0,5—0,9 МПа, а иногда и до 2 МПа длят приведения в движение прессов, паровых молотов, турбин. Иногда требуется горячая вода, нагретая до температуры 70—150°С.

Для получения пара с необходимыми для потребителей параметрами используют специальные турбины с промежуточными отборами пара. В таких турбинах, после того как часть энергии пара израсходуется на приведение в движение турбины и параметры его понизятся, производится отбор некоторой доли пара для потребителей. Оставшаяся доля пара далее обычным способом используется в турбине и затем поступает в конденсатор. Поскольку для части пара перепад давления оказывается меньшим, несколько возрастает расход топлива на выработку электроэнергии. Так, если при перепаде давления от 9000 до 4 кПа на выработку 1 кВт-ч электроэнергии требуется 4 кг пара, то при увеличении давления отработанного пара до 120 кПа необходимое количество пара составляет 5,5 кг. Однако такое увеличение расхода пара на выработку электроэнергии на ТЭЦ и связанное с этим увеличение расхода топлива в конечном счете оказываются меньшими по сравнению с расходом топлива в случае раздельной выработки электроэнергии и выработки ,теплоты на небольших котельных установках.

Благодаря более полному использованию тепловой энергии КПД ТЭЦ достигает 60-65%, а КПД КЭС —не более 40%. На рис. 2.13 приведен примерный тепловой баланс ТЭЦ.

Горячая вода и пар под давлением, достигающем в отдельных случаях 3 МПа, доставляются потребителям по трубопроводам. Совокупность трубопроводов, предназначенных для передачи теплоты, называется тепловой сетью. Экономия топлива связана с совершенствованием тепловой изоляции, поэтому повышение ее качества относится к одной из важнейших задач теплофикации.

Эффективность работы системы теплоснабжения во многом зависит от рационального размещения ТЭЦ, которые стремятся по возможности приблизить к крупным потребителям теплоты и электрической энергии, так как передача теплоты в виде пара неэкономична на расстояниях свыше 5—7 км. На решение вопроса о целесообразных местах расположения ТЭЦ в последнее время значительно влияет загрязнение ими окружающей среды.

Централизованное теплоснабжение на базе комбинированной выработки теплоты и электрической энергии имеет большие преимущества: обеспечивает основную долю потребности в теплоте промышленного и жилищно-коммунального хозяйства, уменьшает расходование топливно-энергетических ресурсов, а также материальных, и трудовых затрат в системах теплоснабжения.

Однако при максимальной централизации теплоснабжения на ТЭЦ можно выработать только 25—30% требуемой электроэнергии. Работа же конденсационных станций определяется только условиями выработки электроэнергии, что делает весьма благоприятными концентрацию больших электрических мощностей и позволяет быстро наращивать электроэнергетический потенциал страны. Поэтому в настоящее время и в будущем будут строиться конденсационные станции, несмотря на те преимущества, которые имеет выработка электроэнергии -на ТЭЦ. Развитию теплофикации в СССР придается большое значение. Так, уже в начале девятой пятилетки установленная электрическая мощность теплофикационных агрегатов превысила 45 млн. кВт, что составило около установленной мощности всех ТЭС страны, работающих на органическом топливе.

1.3. ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

На отечественных ТЭС начинают широко использовать газотурбинные установки (ГТУ). В качестве рабочего тела в них используется смесь продуктов сгорания топлива с воздухом или нагретый воздух при большом давлении и высокой температуре. В ГТУ преобразуется теплота газов в кинетическую энергию вращения ротора турбины.

По конструктивному исполнению и принципу преобразования энергии газовые турбины не отличаются от паровых. Экономичность работы газовых турбин примерно такая же, как и двигателей внутреннего сгорания, а при очень высоких температурах рабочего газа экономичность газовых турбин выше. Кроме того, газовые турбины более компактны, чем паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания аналогичной мощности.

Особенно широкое распространение газовые турбины получили на транспорте. Применение газовых турбин в качестве основных элементов авиационных двигателей позволило в современной авиации достичь больших скоростей, грузоподъемности и высоты полета. Газотурболокомотивы на железнодорожном транспорте конкурентоспособны с тепловозами, оборудованными поршневыми двигателями внутреннего сгорания.

Современные газовые турбины в основном работают на жидком топливе, однако кроме жидкого топлива может использоваться газообразное: как естественный природный горючий газ, так и искусственный газ, получаемый особым сжиганием

твердых топлив любых видов.

Представляет практический интерес перспектива сжигания угля в места его залегания. При этом под землю компрессорами в необходимом количестве подается воздух, производится специальное сжигание угля с образованием горючего газа, который затем подается по трубам к газотурбинным установкам. Впервые в мире такая опытная электростанция построена в Тульской области.

(Работа газотурбинной установки осуществляется следующим образом. В камеру сгорания / подается жидкое или газообразное топливо и воздух (рис. 2.14, с). Получающиеся в камере сгорания газы 2 с высокой температурой и под большим давлением направляются на рабочие лопатки турбины 3. Турбина вращает электрический генератор 4 и компрессор 5, необходимый для подачи под давлением воздуха 6 в камеру сгорания. Сжатый в компрессоре воздух перед подачей в камеру сгорания подогревается в регенераторе 7 отработанными в турбине горючими газами 8. Подогрев воздуха позволяет повысить эффективность сжигания топлива в камере сгорания.

1.4. ПАРОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ

Отработанные в ГТУ газы имеют высокую температуру, что неблагоприятно сказывается на КПД термодинамического цикла. Совмещение газо- и паротурбинных агрегатов таким образом, что в них происходит совместное использование теплоты, получаемой при сжигании топлива, позволяет на 8—10% повысить экономичность работы установки, называемой парогазовой, и снизить ее стоимость на 25%.

Парогазовые установки, использующие два вида рабочего тела - пар и газ - относятся к бинарным. В них часть теплоты, получаемой при сжигания топлива в парогенераторе, расходуется на образование пара, который затем направляется в турбину (рис. 2.15), Охлажденные до температуры 650—700°С газы попадают на рабочие лопатки газовой турбины. Отработанные в турбине газы используются для подогрева питательной воды, что позволяет уменьшить расход топлива и повысить КПД всей установки, который может достичь примерно 44%,

Парогазовые установки могут работать также по схеме, в которой отработанные в газовой турбине га5ы поступают в паровой/котел (рис. 216 — обозначения те же, что и на рис. 2.15). Газовая турбина в этом случае служит как бы частью паросиловой установки. В камере сгорания газотурбинной установки сжигается 30—40% топлива, а в парогенераторе — остальное топливо.

Газотурбинные установки могут работать только на, жидком или газообразном топливе, так как продукты сгорания твердого топлива, содержащие золу и механические примеси, оказывают вредное влияние на лопатки газовой турбины. В газотурбинных установках, так же как и в обычных паросиловых установках, тепловая энергия преобразуется в механическую в турбинах и механическая энергия — в электрическую в генераторах. Эта схема электромеханического преобразования энергии требует использования материалов, способных выдерживать большие механические нагрузки при больших частотах вращения вала турбины и высоких температурах. Ограниченная прочность материалов вынуждает использовать пар при температурах не выше 600°С, в то время как температура сжигаемого топлива достигает 2000°С. Сокращение разницы этих температур позволит существенно повысить КПД тепловых установок.

1.5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ.

Основой изучения работы ГЭС, преобразующих энергию воды в электрическую энергию, является наука, называемая гидравликой; она включает в себя гидростатику, изучающую равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучающую движение жидкостей.

Мощность потока воды, протекающего через некоторое сечение — створ, определяется расходом воды Q, высотой между уровнем воды в верхнем по течению бассейне (верхнем бьефе) и уровнем воды в нижнем по течению бассейне (нижнем бьефе) в месте сооружения
плотины. Разность уровней верхнего и нижнего бассейнов называется напором. Мощность потока в створе (кВт) можно определить посредством расхода (м3/с) и
напора (м):

P=9,81QH.

В двигателях ГЭС можно использовать только часть мощности потока воды в створе из-за неизбежных потерь мощности в гидротехнических сооружениях, турбинах и генераторах, учитываемых коэффициентом полезного действия . Таким образом, приближенно мощность ГЭС

P=9,81QH.

Напор Н увеличивают на равнинных реках с помощью плотины (рис. 2.17, а), а в горных местностях строят специальные обводные каналы, называемые деривационными (рис. 2.17, б)

В гидравлических турбинах преобразуется энергия воды в механическую энергию вращения вала турбины. Турбина называется активной, если используется динамическое давление воды, и реактивной, если используется статическое давление при реактивном (см. рис. 2.11) эффекте.

В ковшовой активной турбине_(рис. 2.18, а) * потенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке — сопле — полностью превращается в кинетическую энергию движения воды.(Рабочее колесо турбины выполнено в виде диска, по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти (рис. 2.18, б). Вода, огибая поверхности лопастей, меняет направление движения. При этом возникают центробежные силы, действующие на поверхности лопастей, и энергия движения воды преобразуется в энергию вращения колеса турбины.

Если скорость движения воды, вытекающей из турбины, равна нулю, то вся кинетическая энергия воды, не считая потерь, превращается в механическую энергию турбины.

Внутри сопла расположена регулирующая игла (рис. 2.18), перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды.

В реактивной гидравлической турбине на лопастях рабочего колеса преобразуется как кинетическая, так и потенциальная энергия воды в механическую энергию турбины. Вода, поступающая на рабочее колесо турбины, обладает избыточным давлением, которое по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса. уменьшается. При этом вода оказывает реактивное давление на лопасти турбины и слагающая потенциальной энергии воды превращается в механическую энергию рабочего колеса турбины.

За счет кривизны лопастей изменяется направление потока воды, при котором, как и в активной турбине, кинетическая энергия воды в результате действия центробежных сил превращается в механическую энергию турбины. Рабочее колесо реактивной турбины в отличие от активной полностью находится в воде, т. е. поток воды поступает одновременно на все лопасти рабочего колеса. Различные конструкции рабочих колес реактивных турбин показаны на рис. 2.19.

У радиально-осевых турбин лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода, поступающая с направляющего аппарата, постепенно меняет направление с радиального на осевое. Такие турбины используют в широком диапазоне напоров от 30 до 600 м. В настоящее время созданы уникальные раднально-осевые турбины мощностью 700 МВт.

Пропеллерные турбины обладают простой конструкцией и высоким КПД, однако у них с изменением нагрузки КПД резко уменьшается.

У поворотно-лопастных гидротурбин в отличие от пропеллерных лопасти рабочего колеса поворачиваются при изменении режима работы для поддержания высокого значения КПД.

Двухперовые турбины имеют спаренные рабочие лопасти, что позволяет повысить расход воды. Широкое применение их ограничено конструктивными сложностями. Сложная конструкция свойственна также д и а-

тональным турбинам, у которых рабочие лопасти поворачиваются относительно своих осей.

Радиально-осевые турбины установлены на Братской, Красноярской ГЭС и др. Поворотно-лопастными турбинами оборудованы Куйбышевская, Волгоградская, Каховская и Кременчугская ГЭС и др.

На электрических станциях турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной. Кроме того, необходимо учитывать, что при небольших частотах вращения турбины получаются громоздкими и дорогими. Чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента быстроходности, а при небольших напорах - с большими значениями этого коэффициента.

Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощности турбин изменяются от нескольких киловатт до 500 МВт, а частота вращения изменяется от 16% до 1500 мин-1.

В последнее время стали применяться горизонтальные агрегаты (капсульные), в которых генератор заключен в герметичную капсулу, обтекаемую водой. КПД таких агрегатов выше (95—96%) благодаря лучшим гидравлическим условиям обтекания. Такими агрегатами оборудованы, например, Киевская и Каневская ГЭС.

При сооружении ГЭС обычно решают комплекс народнохозяйственных задач, в который помимо выработки электрической энергии входит регулирование стока воды и улучшение судоходства реки, создание орошаемых массивов, развитие энергоемких производств, использующих местное сырье, и т. д.

На равнинных реках ГЭС с плотинной схемой концентрации напора разделяются на два типа: русловые и приплотинные. При напоре до 30 м здание станции, как и плотина, воспринимает напор и располагается в русле реки (рис. 2.20, а). Такие ГЭС называются русловыми. Так как с ростом напора увеличивается объем строительных работ по сооружению зданий русловых гидроэлектростанций, то при напорах, превышающих 25—30 м, здание станции помещается за плотиной (рис. 2.20, б). Такие ГЭС называются приплотинными. На них весь напор воспринимается плотиной.

В настоящее время на равнинных реках сооружают станции, напор которых достигает 100 м, например на Братской ГЭС, построенной на Ангаре, и на Асуанской ГЭС, построенной в Египте.

На рис. 2.21 показана Волжская ГЭС имени В. И. Ленина, а на рис. 2.22 —Саяно-Шушенская ГЭС на р. Енисей, у которой высота плотины составляет 240 м и вода по водоводам поступает к 10 турбинам, вращающим электрические генераторы мощностью по 640 МВт каждый.

1.6. АККУМУЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

Производство электроэнергии на электрических станциях и ее потребление различными приемниками представляют собой процессы, взаимосвязанные таким образом, что в силу физических закономерностей мощность потребления электроэнергии в какой-либо момент времени должна быть равна генерируемой мощности.

При идеальном равномерном потреблении электроэнергии должна происходить равномерная работа определенного числа электростанций. В действительности работа большинства отдельных электроприемников неравномерна и суммарное потребление электроэнергии также неравномерно. Можно привести множество примеров неравномерности работы установок и приборов, потребляющих электроэнергию. Завод, работающий в одну или две смены, неравномерно потребляет электрическую энергию в течение суток. В ночное время потребляемая им мощность близка к нулю. Улицы и квартиры освещают только в определенные часы суток. Работа электробытовых приборов, вентиляторов, пылесосов, электрических печей, нагревательных приборов, телевизоров, радиоприемников, электробритв также неравномерна. В утренние и вечерние часы коммунальная нагрузка наибольшая.

График нагрузки некоторого района или города, представляющий собой изменение во времени суммарной мощности всех потребителей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одни часы суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другие часы часть _ генераторов или электростанций должна быть отключена или должна работать с уменьшенной нагрузкой. Число электростанций и их мощность определяются относительно непродолжительным максимумом нагрузки потребителей. Это приводит к недоиспользованию оборудования и удорожанию энергосистем. Так, снижение числа часов использования установленной мощности крупных ТЭС с 6000 до 4000 ч в год приводит к возрастанию себестоимости вырабатываемой электроэнергии на 30—35%.

Анализ тенденций в потреблении электрической энергии показывает, что в дальнейшем неравномерность потребления будет увеличиваться по мере роста благосостояния населения и связанного с ним увеличения коммунально-бытовой нагрузки, по мере повышения электровооруженности труда. Сокращение числа рабочих дней в неделе также способствует повышению неравномерности потребления электроэнергии. Такое положение характерно не только для нашей страны. В большинстве стран Западной Европы неравномерность в потреблении электроэнергии такова, что в течение часа изменение нагрузки достигает 30% от максимальной мощности и в перспективе также ожидается увеличение неравномерности. Кардинально изменить характер потребления электроэнергии очень трудно, так как он зависит от установившегося ритма жизни людей и ряда не зависящих от „ людей объективных обстоятельств. Например, нельзя изменить того факта,- что электрическое освещение нужно в вечерние часы с наступлением темноты.

Энергетики по возможности принимают меры по выравниванию графика суммарной нагрузки потребителей. Так, вводится дифференцированная стоимость электроэнергии в зависимости от того, в какой период времени она потребляется. Если электроэнергия потребляется в моменты максимумов нагрузки, то и стоимость ее устанавливается выше. Это повышает заинтересованность потребителей в таких перестройках работы, которые бы способствовали уменьшению электрической нагрузки в моменты максимумов потребления в энергосистеме. В целом возможности выравнивания потребления электроэнергии невелики. Следовательно, электроэнергетические системы должны быть достаточно маневренными, способными быстро изменять мощность электростанций. В промышленно развитых странах большая часть электроэнергии (80%) вырабатывается на ТЭС, для которых наиболее желателен равномерный график нагрузки. На агрегатах этих станций невыгодно проводить регулирование мощности. Обычные паровые котлы и турбины на этих станциях допускают изменение нагрузки всего на 10—15% .

Периодические включения и отключения ТЭС не позволяют решить задачу регулирования мощности из-за большой продолжительности этих процессов. На запуск тепловой станции в лучшем случае требуются часы. Кроме того, работа крупных ТЭС в резко переменном режиме нежелательна, так как приводит к повышенному расходу топлива, повышенному износу теплосилового оборудования и, следовательно, снижению его надежности. Следует учесть также, что ТЭС с высокими параметрами пара имеют некоторые минимальные технически возможные рабочие мощности, составляющие 50—70% от, номинальной мощности оборудования. Все это относится не только к ТЭС, но и к АЭС. Поэтому в настоящее время и в ближайшем будущем дефицит в маневренных мощностях («пик» нагрузки) покрывается ГЭС, у которых набор полной мощности с нуля можно произвести за 1—2 мин. Однако в европейской части СССР степень использования экономически эффективных гидроэнергоресурсов уже превысила 40%. Оставшаяся неиспользованной часть ресурсов относится к периферийным районам и небольшим водотокам.

Регулирование мощности ГЭС производится следующим образом. В периоды времени, когда в системе имеются провалы нагрузки, ГЭС работают с незначительной мощностью и вода заполняет водохранилище. При этом запасается энергия. С наступлением пиков включаются агрегаты станции и вырабатывается энергия.

Накопление энергии в водохранилищах на равнинных реках приводит к затоплению обширных территорий, что во многих случаях крайне нежелательно. Небольшие реки малопригодны для регулирования мощности в системе, так как они не успевают заполнить водой водохранилище.

Задачу снятия пиков решают гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), работающие следующим образом (рис. 2.23). В интервалы времени, когда электрическая нагрузка в объединенных системах минимальна, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и потребляет при этом электроэнергию из системы (рис. 2.23, о). В режиме непродолжительных «пиков» — максимальных значений нагрузки— ГАЭС работает в генераторном режиме и расходует запасенную в верхнем водохранилище воду.

В европейской части СССР возможно сооружение до 200 ГАЭС. В энергосистемах, расположенных в центральной, Северо-западной и южной Частях, где имеется наибольший дефицит маневренной мощности, естественные перепады рельефа позволяют сооружать станции с небольшим напором (80—110 м).

На первых ГАЭС для выработки электроэнергии использовали турбины Г и генераторы Г, а для перекачки воды в верхний бассейн — электрические двигатели Д и насосы Я (рис. 2.23,6). Такие станции называли четырехмашинными — по числу устанавливаемых машин. В силу независимости работы генератора и насоса иногда четырехмашинная схема оказывается экономически наиболее выгодной. Совмещение функций генератора и двигателя привело к трехмашинной компоновке ГАЭС (рис. 2.23, 0).

ГАЭС стали особенно эффективными после появления обратимых гидротурбин, выполняющих функции и турбин, и насосов (рис. 2.23, г). Число машин при этом сведено к двум. Однако станции с двухмашинной компоновкой имеют более низкое значение КПД из-за необходимости создавать в насосном режиме примерно в 1,3—1,4 раза больший напор на преодоление трения в водоводах. В генераторном режиме напор из-за трения в водоводах меньше. Для того чтобы агрегат одинаково эффективно работал как в генераторном, так и в насосном режимах, можно в насосном режиме увеличить его частоту вращения.

Применение разных частот вращения в обратимых генераторах привело к усложнению и удорожанию их конструкции.

КПД агрегата можно повысить также, устанавливая в насосном режиме более крутой угол наклона лопастей турбины.

При реверсивной работе агрегатов возникает ряд технических и эксплуатационных трудностей, например, связанных с охлаждением. Предназначенные для охлаждения вентиляторы успешно работают только в одном направлении вращения.

Перспективы применения ГАЭС во многом зависят от КПД, под которым применительно к этим станциям понимается отношение энергии, выработанной станцией в генераторном режиме, к энергии, израсходованной в насосном режиме.

Первые ГАЭС в начале XX в имели КПД не выше 40%, у современных ГАЭС КПД составляет 70—75%. К преимуществам ГАЭС кроме относительно высокого значения КПД относится также и низкая стоимость строительных работ. В отличие от обычных ГЭС здесь нет необходимости перекрывать реки, возводить высокие плотины с длинными туннелями и т. п. Ориентировочно на 1 кВт установленной мощности на крупных речных ГЭС требуется 10 м3 бетона, а на крупных ГАЭС - всего лишь несколько десятых кубометров бетона.

ГАЭС и ветровые электростанции, отличающиеся непостоянством вырабатываемой мощности, удачно сочетаются между собой При этом трудно рассчитывать на мощность ветровых станций в часы «пик» в энергосистеме. Если же вырабатываемую на этих станциях электроэнергию запасать на ГАЭС в виде воды, перекачиваемой в верхний бассейн, то выработанная на ветровых "электростанциях за какой-либо промежуток времени энергия может быть использована в соответствии с потребностями системы

Преимущества ГАЭС позволяют широко применять их для аккумулирования энергии.

Механические установки, аккумулирующие энергию. В пиковые часы потребления электроэнергии наряду с ГАЭС можно использовать супермаховики.

Супермаховик — это маховик, который можно разгонять до огромной скорости, не боясь его разрыва. Он состоит из концентрических колец, навитых из кварцевого волокна и насаженных друг на друга с небольшими зазорами, заполненными эластичным веществом типа резины для предохранения обода от расслоения. Супермаховик соединен с валом генератора и помещен в герметичный корпус, в котором поддерживается вакуум. Устройство работает как генератор, когда возрастает потребление энергии в системе, и как электродвигатель, когда энергию целесообразно аккумулировать. По некоторым расчетам, затраты на 1 кВт установленной мощности супермаховика меньше, чем при гидроаккумулировании. Разработан проект супермаховика массой 1,96 МН и диаметром 5 м, в котором предусматривается накопление энергии до 20 МВт-ч. Рабочая частота вращения супермаховика - 3500 мин-1.

На рис. 2.24 показан проект установки с аккумулирующим энергию супермаховиком.

Возможны аккумулирующие установки, создающие запас сжатого воздуха. Энергию этого воздуха Э» можно использовать для приведения в действие турбин, вращающих генераторы, которые в пик нагрузки будут отдавать энергию Эв в сеть.

Электрические установки, аккумулирующие электро-энергию. Такие установки в виде индуктивных или емкостных накопителей могут подключаться через выпрямитель к сети переменного тока. Индуктивные — получают заряд ЭL=LI2/2, где I — выпрямленный ток; L —индуктивность. Емкостной — заряжается до величины ЭC=CU2/2, где U — выпрямленное напряжение; С — емкость конденсаторов.

Для уменьшения потерь и длительного сохранения накопленной энергии применяются специальные мероприятия (охлаждение, уменьшение активного сопротивления, увеличение L и С и т. д.). Накопленная энергия ЭL или Эс отдается в сеть через преобразователь в виде энергии переменного тока.

1.7. ПРИЛИВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

Энергия морских приливов, или, как иногда ее называют, «лунная энергия», известна человечеству со времен глубокой древности. Эта энергия еще в далекие исторические эпохи использовалась для приведения в движение различных механизмов, в особенности мельниц. В Германии с помощью энергии приливной волны 'Орошали поля, в Канаде — пилили дрова. В Англии приливная водоподъемная машина служила в прошлом веке для снабжения Лондона водой.

Существует огромное количество остроумных проектов приливных технических установок. (Только во Франции к 1918 г. было опубликовано бол ее" 200 таких патентов. В начале XX в. предпринимались попытки сооружения мощных приливных электростанций. В США в 1935г. было начато строительство ПЭС Кводди мощностью 200 тыс. кВт. Вскоре строительство, на которое ушло 7 млн. долл., было прекращено из-за выявившейся высокой стоимости электроэнергии (на 33% больше стоимости на тепловой станции). По составленному в 1940г. в СССР проекту Кислогубская ПЭС вырабатывала бы электроэнергию стоимостью в 2 раза большей, чем у речных электростанций.

Приливные электрические станции (ПЭС) выгодно отличаются от ГЭС тем, что их работа определяется космическими явлениями и не зависит от многочисленных погодных условий, определяемых случайными факторами.

Наиболее существенный недостаток ПЭС — неравномерность их работы. Неравномерность приливной энергии в течение лунных суток и лунного месяца, отличающихся от солнечных, не позволяет систематически использовать ее в периоды максимального потребления в системах. Можно компенсировать неравномерность работы ПЭС, совместив ее с ГАЭС. В то время, когда имеется избыточная мощность ПЭС, ГАЭС работает в насосном режиме, потребляя эту мощность и перекачивая воду в верхний бассейн. Во время спадов в работе ПЭС в генераторном режиме работает ГАЭС, выдавая электроэнергию в систему. В техническом отношении такой npоект удачен, но дорогостоящ, так как требуется большая установленная мощность электрических машин.

Также удачно ПЭС может сочетаться с речной ГЭС, имеющей водохранилище. При совместной работе ГЭС увеличивает мощность при спаде мощности ПЭС и ее остановке; в то время как ПЭС работает с достаточно большой мощностью, ГЭС запасает воду в водохранилище. Таким образом, можно уменьшить как суточную, так и сезонную неравномерность работы ПЭС.

ПЭС работают в условиях быстрого изменения напора, поэтому их турбины должны иметь высокие КПД при переменных напорах. В настоящее время создана достаточно совершенная и компактная горизонтальная турбина двойного действия. Электрический генератор власть деталей турбины заключены в водонепроницаемую капсулу и весь гидроагрегат погружен в воду.

1.8. МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

К одной из центральных физико-технических задач энергетики относится создание магнитогидродинамикеских генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Возможности практической реализации такого рода преобразования энергии в широких промышленных масштабах появляются в связи с успехами в атомной физике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей.

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую позволяет существенно повысить эффективность использования топливных ресурсов.

Для современной электроэнергетики большое значение имеет открытый Фарадеем закон электромагнитной индукции, который утверждает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. При этом проводник может быть твердым, жидким или газообразным. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостями или газами, называется магнитогидродинамикой.

Еще Кельвин показал, что движение в устье реки соленой воды в магнитном поле Земли вызывает появление ЭДС. Схема такого МГД-генёратора Кельвина показана на рис. 3

магнитной индукции сила тока в проводниках 1, присоединенных к пластинам 2, опущенным в воду вдоль берегов реки, пропорциональна индукции магнитного поля. Земли и скорости течения соленой морской воды в реке. При изменении направления течения воды в реке изменялось также и направление электрического тока в проводниках между пластинами.

Принципиальная схема действия современного МГД-генератора (рис. 3.2) мало отличается от приведенной на рис. 3.1. В рассматриваемой схеме между металлическими пластинам, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа — плазмы — тормозится под действием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнитного потока, Можно провести аналогию между возникающими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и происходит путем совершения работы по преодолению сил торможения.

Если какой-либо газ нагреть до высокой температуры (я*3000°С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

МГД-генератор с паросиловой установкой. Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой показана на рис. 3.3. В камере сгорания сжигается органическое топливо, получаемые при этом продукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширяющийся канал МГД-

генератора. Сильное магнитное поле создается мощными электромагнитами. Температура газа в канале генератора должна быть не ниже 2000°С, а в камере сгорания 2500—2800°С. Необходимость ограничения минимальной температуры газов, покидающих МГД-генерато-ры, вызывается настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000°С, что у них практически исчезает магнитогидро-динамическое взаимодействие с магнитным полем.

Теплота отработанных в МГД-генераторах газов вначале используется для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, и, следовательно, повышения эффективности процесса его сжигания. Затем в паросиловой установке теплота расходуется на образование пара и доведение его параметров до необходимых величин.

Выходящие из канала МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000°С, а современные теплообменники, к сожалению, могут работать при температурах, не превышающих 800°С, поэтому при охлаждении газов часть теплоты теряется.

На рис. 3.4 (см. форзац II) схематически показаны основные элементы МГД-электростанции с паросиловой установкой и их взаимосвязи.

Трудности в создании МГД-генераторов состоят в получении материалов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам предъявляют высокие требования, так как они должны длительно работать в агрессивных средах при высоких температурах (2500—2800°С). Для нужд ракетной техники созданы материала, ^способные работать в таких условиях, однако они могут работать непродолжительное время -^ в течение минут. Продолжительность работы промышленных энергетических установок должна исчисляться, по крайней мере, месяцами.

Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Например, вольфрамовая нить в электрической лампе при температуре 2500—2700°С может работать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, а в воздухе расплавляется через несколько секунд.

Понижение температуры плазмы добавлением к ней присадок вызывает повышенную коррозию конструкционных материалов. В настоящее время созданы материалы, которые могут работать длительно при температуре 2200—2500СС (графит, окись магния и др-К однако они не способны противостоять механическим напряжениям.

Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для МГД-генератора пока не решена. Ведутся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой добавкой цезия при температуре 2000°С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500РС. Разработан проект МГД-генератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно циркулирует в системе.

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить пропусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагревания обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможности наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие материалы.

МГД-генераторы с ядерными реактора-м н. Перспективны МГД-генераторы с ядерными реакторами, используемыми для нагреваний газов и их термической ионизации. Предполагаемая схема такой установки показана на рис. 3.5.

Трудности создания МГД-генератора с ядерным реактором состоят в том, что современные тепловыделяющие элементы, содержащие уран и покрытые окисью

магния, допускают температуру, не намного превышающую 600°С, в то время как для ионизации газов необходима температура, равная примерно 2000°С.

Первые опытные конструкции, МГД-генерато-ров имеют пока высокую стоимость. В будущем можно ожидать существенного снижения их стоимости, что позволит успешно использовать МГД-генераторы для покрытия пиков нагрузки в энергосистемах, т. е. в режимах относительно непродолжительной работы. В этих режимах КПД не имеет решающего значения и МГД-генераторы могут использоваться и без паросиловой пристройки.

В настоящее время в СССР сооружены мощные опытно-промышленные образцы МГД-преобразователей энергии, на которых ведутся исследования по совершенствованию их конструкции и созданию эффективных МГД-электростанций, конкурентоспособных с обычными электростанциями.

1.9. ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Геотермальные электростанции в качестве источника энергии используют теплоту земных недр. Известно, что в среднем на каждые 30—40 м в глубь Земли температура возрастает на ГС. Следовательно, на глубине 3— 4 км вода закипает, а на глубине 10—15 км температура Земли достигает 1000-1200РС. В некоторых частях планеты температура горячих источников достаточно высокая и в непосредственной близости от поверхности. Эти районы наиболее благоприятны для сооружения геотермальных станций. Так, в Новой Зеландии на геотермальных станциях вырабатывается 40% всей электроэнергии, в Италии — 6%. Значительная доля электроэнергии приходится на такие станции и в ряде других стран.

В СССР для ряда районов, например Камчатки и Курильских островов, сооружение геотермальных станций может оказаться экономически оправданным. Так, на Камчатке успешно эксплуатируется опытно-промышленная геотермальная станция. Обсуждаются также возможности использования действущих вулканов на Курильских островах.

Структурная схема геотермальной электростанции для вулканических районов приведена на рис. 3.13. Схема электростанции для вулканических районов, располагающих ресурсами термальных вод с температурой 100°С на глубинах, доступных для современной буровой техники, приведена на рис. 3.14.

В более отдаленном будущем предполагается использование высокотемпературных слоев мантии (до 1000°С) для получения пара, в который будет превращаться вода, закачиваемая в искусственно созданные «вулканические» жерла. Разумеется, что получаемая таким образом энергия будет «чистой» и не будет влиять на биосферу (огромная масса мантии практически исключает влияние на ее состояние отбираемой теплоты).

Использование геотермальной энергии в современных условиях в значительной степени зависит от затрат, необходимых для вывода на поверхность геотермального теплоносителя в виде пара или горячей воды. Все действующие в настоящее время геотермальные электростанции располагаются в таких районах

Земли, в которых

температура теплоносителя достигает 150—360°С на глубинах, не превышающих 2—5 км.

В последнее время более интенсивно проводятся поиски участков Земли с минимальной глубиной расположения геотермальных ресурсов. На таких участках рентабельно создание систем, осуществляющих теплоснабжение и получение электрической энергии.

Практически все геотермальные источники содержат примеси в виде различных химических элементов. Химическая активность подземных теплоносителей, в составе которых могут быть ртуть, мышьяк, вызывает отрицательные экологические эффекты, а также усиливает коррозию конструкционных материалов энергетического оборудования. Извлечение химических элементов до отбора теплоты от теплоносителя позволяет снизить экологическое влияние, уменьшить химическую коррозию и получить пенное сырье для химической промышленности. Так, в некоторых скважинах Южно-Каспийского бассейна в 1 л воды содержится, мг: свинца — 77, цинка — 5, кадмия — 2, меди — 15.

В настоящее время геотермальные источники больше используются для теплоснабжения, чем для выработке электрической энергии. Это объясняется как техническими трудностями в работе геотермальных электростанций, так и высокой Стоимостью их в расчете на единицу установленной мощности.

1.10. ВЕТРОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Человек начал использовать энергию ветра еще до того, как научился «укрощать» реки. Энергия ветра отличается своей доступностью и дешевизной. Ее годовые потенциальные запасы на Земле огромны. Они в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек земного шара и составляют, таким образом, около 3300-1012 кВт-ч. Правда, считается возможным практически использовать лишь 10—20 % этих запасов. Но и это много. В некоторых районах Земли энергетический потенциал ветровой энергии соизмерим с энергией солнечного излучения.

СССР также обладает большими потенциальными запасами энергии ветра, равными в мощностном эквиваленте примерно 11-109 кВт, что в 40 раз больше установленной мощности всех электростанций страны на начало 1981 г.

Принцип использования ветровой энергии прост, широко известен и не нуждается в пояснении. Отметим, однако, что ветровой поток, воспринимаемый ветровым колесом, определяется лишь его диаметром и не зависит от числа лопастей.

Установлено, что мощность воздушного потока NB.n, кВт, проходящего через сечение площадью F, перпендикулярное направлению этого потока, выражается формулой

Nвп=0,0049pv3F, (8.1)

где v—скорость воздушного потоки, mj/c; F — площадь сечения, м2; р — плотность воздуха, зависящая от его температуры и атмосферного давления, кг/м3.

Мощность, развиваемая ветроэнергетической установкой (ВЭУ), отличается от мощности, развиваемой воздушным потоком, потерями, связанными с преобразованием механической энергии в электрическую (в редукторе и генераторе), а также потерями энергии ветрового потока в процессе взаимодействия его с лопастями ветрового колеса. Последние определяются так называемым коэффициентом использования энергии ветра. Выражая площадь F в (8.1) через диаметр ветрового колеса D, м, получаем мощность ветроэнергетической установки, кВт:

ЛГвэу = 0,00386pvD2pr, (8.2)

где p и r — к. п. д. соответственно редуктора и генератора.

Будем называть ветровой электростанцией (ВЭС) совокупность нескольких ВЭУ.

Подсчитано, что коэффициент использования энергии ветра для крыльчатых ветродвигателей доходит до 0,48, а общий к. п. д. ветроустановки имеет несколько меньшее значение. Однако неравномерность скорости ветра, неопределенность времени возникновения и продолжительности его, пространственная рассредоточенность ветровой энергии долгое время не позволяли широко использовать ее в системной энергетике. В условиях энергетического кризиса в ряде стран в последнее время рассматривается ветроэнергия с новых энергоэкономических позиций, в частности с позиций возможности получения дополнительной выработки электроэнергии и соответствующей экономии органического топлива.

Для устранения влияния непостоянства ветровой энергии много усилий направляется на изыскание способов ее резервирования, в частности использование аккумулирования. В последнее время предложено множество разнообразных аккумуляторов энергии, в том числе устройств для электролиза воды. Получаемые кислород и водород хранятся под давлением в изолированных резервуарах и при необходимости могут быть использованы (например, в топливных элементах).

Известны также механические, пневматические, электрохимические, тепловые, гидравлические и другие аккумуляторы. Все чаще обсуждаются в печати заманчивые перспективы совместной работы ВЭС и ГАЭС.

Следует сказать, что аккумулирование энергии, видимо, в ближайшее время не сможет снять все недостатки ВЭС, связанные с непостоянством ветровой энергии, и работа таких электростанций в энергосистеме будет иметь ограничения. Поэтому ведутся исследования, направленные па дальнейшее совершенствование аэродинамических, механических и электрических характеристик отдельных ветроэнергетических установок для работы их в составе ВЭС в энергетической системе. Однако последняя не всегда заинтересована в получении от ВЭС мощности и электроэнергии. Так, в ночное время (см. § 3.5) современные энергосистемы смогут использовать ВЭС, очевидно, лишь в том случае, если это не повлечет за собой недопустимого снижения нагрузки на ТЭС. Вместе с тем это не исключает возможность работы ВЭС в ночное время на потребителей, функционирующих в режиме аккумуляторов энергии.

Заслуживает внимания и работа ВЭС в энергосистеме по свободному графику. В этом случае энергетическая система будет играть роль демпфирующего аккумулятора в пределах возможности временного снижения ее нагрузочного резерва (см. § 8.4). Работая в таком режиме, ВЭС позволяет или экономить топливо в системе (за счет соответствующего снижения нагрузки ТЭС), или получать дополнительную выработку электроэнергии.

В результате проведенных исследований по оптимизации профиля лопастей ВЭУ удалось повысить выработку электроэнергии ветрового колеса примерно в 2 раза по сравнению с «ветряками» 60-х годов. В настоящее время при аэродинамически совершенных ВЭУ фронт ветра площадью 2,6-106 м2 может обеспечить мощность 150 МВт при скорости-ветра не менее 6—8 км/ч. Однако при создании современных ВЭС пока еще повсеместно ориентируются на небольшие единичные мощности агрегата (0,2—3 МВт).

При сооружении мощных ВЭС (несколько сотен меговатт), предназначенных для работы в энергетических системах, приходится учитывать ряд особенностей, вытекающих из специфики работы ветрового колеса отдельно взятой ВЭУ. К числу их следует отнести, прежде всего, размещение ветроэнергетических установок по территории ВЭС. Дело в том, что ветровые колеса ВЭУ оказывают взаимовлияние на формирование воздушных потоков всей ВЭС, создавая взаимопомехи, приводящие к потерям энергии. Поэтому размещение ВЭУ должно производиться при условии минимума взаимовлияния ВЭУ при любых возможных направлениях ветра и с учетом возможно меньшей отчуждаемой ими территории. Учет этих противоречивых требований вызывает некоторые затруднения.

В настоящее время не ясен вопрос об экономической эффективности системной ветроэнергетики, но не вызывает сомнений, что эта эффективность со временем, по мере повышения цен на топливо, будет расти. Сейчас ВЭС конкурентоспособны лишь с небольшими дизельными и тепловыми электростанциями, работающими на привозном топливе.

Ветровые электростанции не производят никаких вредных выбросов в окружающую среду, и в этом отношении ветроэнергетика экологически абсолютно «чиста». Однако негативное влияние ВЭС на окружающую среду все же проявляется. Речь идет, прежде всего, о том, что<для сооружения ВЭС необходимо отводить определенные территории, измеряемые для мощных ВЭС десятками квадратных километров, которые не только изменят свой ландшафт, но и в ряде случаев станут непригодными для других целей. Шумовой эффект, создаваемый ВЭС, может существенно повлиять на фауну прилегающей территории. Мощное вращающееся ветровое колесо создает экранирующее действие, аналогичное тому, которое оказывает возвышенность площадью несколько десятков квадратных километров и высотой 150—200 м. При работе ВЭС возникают помехи для приема телевизионных и радиопередач Есть и другие формы воздействия ВЭС на окружающую среду.

Несмотря на недостатки ветроэнергетики, перспективы использования ВЭС в ряде развивающихся и промышленно развитых стран оцениваются довольно высоко. Так, до данным доклада Шведского института метеорологии и гидрологии к 1990 г. с помощью ВЭС будет вырабатываться около 20 % всей электроэнергии страны (по другим данным—10%). Исследуется возможность использования энергии ветра при мощности ВЭС до 400 МВт.

По данным американских исследований энергетический потенциал ветров над континентальной частью и побережьем США в 10 раз превышает прогнозные потребности США в электроэнергии в 2000 г., т. е. если бы в США начали широко использовать энергию ветра, то к 2000 г. 20 % потребности США в электроэнергии можно было покрыть за счет ВЭС.

В США в настоящее время исследования в области ветроэнергетики проводятся в рамках национальной программы. Их целью является разработка и сооружение опытных образцов трех типов быстроходных ВЭУ с ветровыми колесами диаметром 38, 60 и 90 м. В первом случае ВЭУ развивают мощность 100—200 кВт, во втором—500—2000 кВт и в третьем —2500—3000 кВт. В настоящее время построено и находится в опытной эксплуатации несколько ветроэнергетичеких установок мощностью от 100 до 2500 кВт. Продолжаются исследования по определению технико-экономических показателей при работе ВЭС большой мощности в энергетических системах.

В США разработан принципиально новый тип ВЭС, позволивший значительно увеличить установленную мощность агрегата. Ветродвигатель состоит из цилиндрической полой башни (рис. 8.11), в стенках которой имеются вертикальные щели, снабженные створками (жалюзи). Открытая сверху башня имеет полое конусное основание с проемами на его боковых стенках для входа воздуха. В горловине основания размещается воздушная турбина, вал которой через маховик и муфту соединяется с вертикальным валом генератора.

Принцип действия такого агрегата сводится к следующему. Воздушный поток, поступая внутрь башни через открытые с наветренной стороны створки в тангенциальном направлении, обтекает цилиндрические стенки башни, в которых жалюзи закрыты, и, приобретая круговое спиральное движение, завихряется. При этом окружная скорость слоев по мере приближения к выходу из башни все время увеличивается вследствие уменьшения радиуса вращения. В результате этого внутри башни образуется вихрь, в центре которого создается область пониженного давления — «стержень». Наружный воздух через проемы на боковых стенках конусного основания под действием избыточного давления устремляется в основание «стержня» и, перемещаясь вверх, вращает лопасти воздушной турбины, а следовательно, и вал генератора.

Такой вихревой ветродвигатель может работать при слабом ветре и даже при его отсутствии. В этом случае достаточно иметь перепад температур на дне и в верхней части башни не менее 10° С. Для подогрева воздуха в основании башни устанавливается подогревательная камера, в которой используется, например, теплая вода конденсаторов ТЭС, солнечная энергия и т. п. Подобный ветровой двигатель может обеспечить значительную единичную мощность и противостоять разрушительным воздействиям ураганных ветров (при открытых створках ветер, продувая башню насквозь, не оказывает давления на ее стенки).

Широкий интерес к ветроэнергетике наблюдается в ФРГ, Японии, Австралии, Дании, Нидерландах и многих других странах. Во многих проектах ВЭС предусмотрены различные средства аккумуляции энергии для обеспечения бесперебойной подачи энергии при недостаточной скорости ветра, что удорожает установку. Себестоимость получаемой электроэнергии пока еще выше, чем в среднем на ТЭС и тем более на ГЭС. В настоящее время разрабатываются новые типы ВЭУ мощностью в десятки и сотни мегаватт.

В Советском Союзе ветроэнергетика начала развиваться в 20-е годы, когда в ЦАГИ был организован отдел ветродвигателей. Еще до Великой Отечественной войны были сконструированы разнообразные ветросиловые установки. В 1931 г. в Крыму была построена опытная ВЭС мощностью 100 кВт. Но во время войны станция была разрушена. В 1938 г. на вершине Аи-Петри было начато строительство ВЭС мощностью 5 МВт, но война не дала возможности завершить ее строительство.

В настоящее время в Советском Союзе ведутся интенсивные работы по созданию ВЭУ различного назначения. Разработано более 10 типов ветродвигателей малой мощности, используемых, главным образом, в сельском хозяйстве. Строятся ВЭС мощностью от 400 до 1250 кВт. Одна из таких электростанций построена, например, и колхозе «Авангард» близ Целинограда.

Имеется предложение о размещении ВЭС на бычках плотин ГЭС. Свободные площади позволяют установить на них фермы с ветровым колесом диаметром около 30 м. На высоте нескольких десятков метров (высота плотины плюс, по крайней мере, полтора размера диаметра колеса), а то и нескольких сотен метров (Нурекская, Братская, Саяно-Шушенская, Токтогульекая, Ингурская ГЭС и др.) всегда дуют достаточно интенсивные ветры. Расчеты показывают, что можно получить дополнительную мощность в десятки мегаватт. Правда, есть и трудности, вызываемые взаимовлиянием ВЭУ, снижающим их энергетическую эффективность, и особенно тогда, когда направление ветра совпадает с осью плотины или близко к ней.

Хотя система получит в общем незначительную дополнительную мощность, ню эта мощность может быть направлена на аккумулирование гидроэнергии, использование которой, конечно, будет более эффективным, чем ветровой.

1.11. КЛАСИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ.

Электрической станцией называется комплекс оборудования и устройств, назначением которого является преобразование энергии природного источника в электрическую энергию (и теплоту).

Электрические станции разделяют по следующим признакам:

1) по виду используемой энергии на:

гидроэлектростанции (ГЭС), в которых электрическая энергия вырабатывается за счет механической энергии воды рек;

тепловые электростанции (ТЭС), использующие органическое топливо;

атомные электростанции (АЭС), в которых используется ядерное горючее;

2) по виду отпускаемой энергии:

тепловые электростанции, отпускающие потребителям только электроэнергию, — конденсационные электростанции (КЭС);

тепловые электростанции, отпускающие электрическую и тепловую энергию, — теплоэлектроцентрали (ТЭЦ); источником отпускаемого тепла является отработавший пар или отработавший газ тепловых двигателей;

3) по виду теплового двигателя: электростанции с паровыми турбинами — паротурбинные ТЭС, которые являются основным видом электростанций в нашей стране и за рубежом;

электростанции с газовыми турбинами — газотурбинные ТЭС;

электростанции с парогазовыми установками — парогазовые ТЭС;

электростанции с двигателями внутреннего сгорания — ДЭС;

4) по назначению электростанций: районные электростанции (общего пользования), обслуживающие все виды потребителей энергосистемы и являющиеся самостоятельными производственными предприятиями: районные конденсационные электростанции (ГРЭС), районные теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), коммунальные электростанции;

промышленные электростанции, входящие в состав производственных предприятий и предназначенные в основном для энергоснабжения предприятий, а также прилегающих к ним городских и сельских районов.

Паротурбинные электростанции разделяют также и по другим, менее характерным признакам, а именно:

1. по общей и единичной мощности агрегатов: малой мощности — с агрегатами до 25 МВт; средней мощности —с агрегатами 50—100 МВт; большой мощности — с агрегатами более 200 МВт. Такое разделение является условным, так как мощности ТЭС и ее агрегатов неизменно возрастают;
2. по начальным параметрам пара: низкого давления — до 3,92 МПа; высокого давления — до 12,7 МПа; сверхвысокого давления — до 23,7 МПа. Такое разделение также условно, так как параметры пара все время повышаются;

3) по технологической схеме соединений парогенераторов и турбогенераторов: блочные электростанции, на которых каждый турбоагрегат при соединен к одному определенному парогенератору; неблочные электростанции, в которых турбоагрегат соединен главными трубопроводами со всеми парогенераторами электростанции или ее части (очереди).

1.12. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Солнце — источник жизни на нашей планете и основной источник всех видов получаемой на ней энергии. В настоящее время большое внимание уделяется прямому использованию солнечной энергии. Заманчиво создание солнечных элементов для превращения энергии солнечной радиации в электрическую. В солнечных элементах используется явление фотоэффекта, т. е. вырывание электронов из тела под действием света.

Фотоэффект открыт Герцем в 1887 г. и детально исследован А. Г. Столетовым в 1888 г. Несмотря на то что фотоэффект известен давно, природа его пока полностью не изучена. Практическое использование фотоэффекта для получения электроэнергии стало возможным в последнее время в связи с применением полупроводников.

При соприкосновении полупроводников, имеющих электронную (n-типа) и дырочную (р-типа) проводимости, на границе образуется контактная разность потенциалов вследствие диффузии электронов. Если полупроводник с дырочной проводимостью освещается, то его электроны, поглощая кванты света, переходят на полупроводник с электронной проводимостью. В Замкнутой ~ цепи при этом образуется электрический ток.

В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы, на которые действуют как направленные, так и рассеянные солнечные лучи. Кремниевые фотоэлементы могут одинаково успешно работать зимой и летом. Зимой снижение светового потока компенсируется увеличением КПД за счет понижения температуры. КПД кремниевых фотоэлементов достигает примерно 15%.

Из-за сложной технологии изготовления полупроводников и их большой стоимости кремниевые фотоэлементы применяются пока на уникальных установках, например на спутниках Земли. В будущем можно ожидать более широкое применение фотоэлектрических генераторов, преобразующих большие потоки энергии солнечной радиации.

Солнечная энергия может быть использована также в фотоэлектрических процессах, протекающих подобно естественному фотосинтезу органических веществ. Практическое освоение таких процессов позволило бы получать необходимую человечеству энергию и решить актуальную проблему истощения запасов органического топлива.

Огромное количество солнечной энергии, приходящей на Землю (примерно 0,15 МВт-ч на 1 м2 поверхности в год), в современных условиях затруднительно использовать из-за низкой плотности солнечной радиации и ее зависимости от состояния атмосферы (облачности) и времен» года. Возможно создание солнечных станций на искусственных спутниках Земли. В этом случае солнечная энергия будет аккумулироваться в течение 24 ч, а следовательно, эффективность работы станции не будет зависеть от облачного покрова. Передача энергии на Землю должна осуществляться по каналу УКВ. Принципиальная схема солнечной станции на искусственном спутнике и ее общий вид представлены на рис. 3.16, а, б. Размеры спутника-коллектора солнечной энергии (рис. 3,16, а) могут быть различны (от 20 до 100 км2) в зависимости от мощности станции.

Энергия от солнечных элементов космической станции должна передаваться на Землю с помощью антенны в виде достаточно узкого пучка УКВ-волн (длина волны «10 см). Приемная антенна на Земле будет принимать этот пучок энергии, который затем должен будет преобразовываться в энергию промышленной частоты.

Ожидается, что весь процесс будет характеризоваться достаточно высоким КПД. В настоящее время КПД преобразования энергии солнечными элементами на монокристаллах составляет 11%. Предполагается, что путем усовершенствования кремниевых элементов может быть достигнут КПД, равный 20%.

Расчетные значения КПД преобразования энергии на космических станциях приведены в табл. 3.3

Производство и передача электроэнергии солнечной электростанцией	КПД
	Достигнутые в настоящее время	Ожидаемые при существующей технологии	Ожидаемые за счет дальнейших разработок
Генерация УКВ-потока энергии Передача энергии с выхода генератора до створа антенны Улавливание и детектирование	76,7 94,0 64,0	85,0 94,0 75,0	90,0 95,0 90,0
Общий КПД	26,5	60,0	77,0

Космические солнечные станции могут быть спроектированы на полезную электрическую мощность 3^-20 ГВт и более. Размер солнечной батареи станции с полезной выходной мощностью 5 ГВт можно оценить исходя из КПД, равного 15%. Соответствующая такой станции суммарная поверхность солнечной батареи равна 20 км2. При этом передающая антенна должна иметь диаметр 1 км, приемная антенна — диаметр 7—10 км. Плотность пучка УКВ-волн со станции на Землю в этом случае составит всего 'Д нормальной плотности солнечной энергии, поэтому он не должен представлять опасности ни для летательных средств, ни для птиц. Вопрос, связанный с радиопомехами, не должен стать серьезной проблемой. Технические проблемы состоят только в улучшении достигнутой технологии и совсем не требуют разработки принципиально новых решений.

Большое внимание уделяется перспективе использования солнечной энергии в промежуточном процессе получения топлива. Так, энергия крупных солнечных станций может быть использована для синтеза топлива на основе углеводорода, например метанола из известняка и воды.

Наличие благоприятных условий во многих странах позволяет использовать для практических целей солнечную энергию. В направлении применения солнечной энергии уже выполнен ряд работ и доказана возможность ее использования для опреснения и дистилляции воды, приготовления пищи, нагревания воды, привода насосов и других целей. В целом несомненно, что человечество в будущем обратится к Солнцу — главному источнику энергии, которую и будет применять различными путями.

Один из путей использования энергии Солнца заключается в реализации проектов улавливания и накопления энергии фотосинтеза. Трудность реализации таких проектов заключается в низкой эффективности фотосинтеза как способа превращения солнечной энергии в химическую.

Считается, что благодаря фотосинтезу ежегодно образуется около 155 млрд. т сухой органической массы, главным образом целлюлозы, которую можно использовать как топливо. Однако из-за низкого КПД энергетического преобразования пришлось бы значительно увеличить посевные площади для получения энергии в необходимых количествах. Поэтому проводятся интенсивные исследования, направленные на увеличение КПД преобразования. При этом пытаются получить дешевую полезную массу растений, по возможности создавая оптимальный искусственный газовый состав и т. п. Так, по данным, полученным в США, если выращивать кукурузу как энергетическое топливо, то его стоимость будет сравнима с нынешней стоимостью ископаемого топлива; если использовать для этой цели хвойный лес, в котором бы на акр (1 акр=0,4 га) приходилось около 6 тыс. деревьев, и собирать урожай один раз в 12 лет, то вследствие замедленного роста деревьев и некоторых других факторов стоимость производимой из них энергии возрастет примерно вдвое по сравнению с энергией, получаемой от кукурузы. Многолетние растения имеют, однако, преимущество перед однолетними: урожай с них можно собирать в течение всего года в соответствии с потребностями, и при этом не возникает проблем, связанных с созданием огромных хранилищ «энергетических урожаев», которые заготавливают только в определенный сезон. Поэтому для производства энергии* обратились к быстро растущим лиственным деревьям, у которых после порубки корни дают побеги, что позволяет избежать ежегодных посадок.

На экспериментальных участках заброшенных пахотных земель в Центральной Пенсильвании выращиваются гибридные тополя. Один из гибридов, высаженный в количестве примерно 3700 деревьев на акр, «производит» энергию, которая оказывается заметно дешевле нефти и несколько дешевле угля. Такая плантация может давать около 681 млн. Вт/(м2-К) (120 млн. Btu) с акра в год при КПД энергетического преобразования 0,6%. Для обеспечения топливом средней электростанции мощностью 400 МВт потребуется плантация площадью 30 тыс. акров. Для снабжения топливом, получаемым на «энергетических плантациях», большей части электростанций в США требуется примерно 160—200 млн. акров даже при коэффициенте преобразования солнечной энергии в топливо, не превышающем 0,4%.

1.13. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОРСКИХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ РЕСУРСОВ

Ресурсы морей и океанов можно разбить на три группы:

1. вертикальные термоградиенты и океанические ветры;
2. морская биомасса и геотермальные воды;
3. поверхностные волны, течения и перепады солености.

Предполагают, что использование ресурсов первой группы может начаться в конце 80-х годов, второй — в 90-х, а третьей не ранее 2000-го года.

Мощности и стоимости различных потенциальных источников энергии приведены в табл.

Источники энергии	Мощность, мил. кВт	Стоимость производства электроэнергии цент/(кВт*ч)
Вертикальные термоградиенты Поверхностные волны Морские течения Океанские ветры Перепады солености Топливная биомасса Геотермальные воды	10000 500 60 170 3500 770 3000	4-7 11-24 13-32 5-9 14-29 11-15 25-30

Приведенные показатели свидетельствуют о большой стоимости «энергии будущего». В самом деле, если считать, что электроэнергия, полученная на основе нефти, угля или урана, стоит в среднем 3—б центов за 1 кВт-ч, то энергия вертикальных термоградиентов и океанских ветров будет в 1,5—2 раза дороже. Остальные виды энергии будут дороже в 4—6 раз.

Из указанных возможных энергий океана пока наиболее ясно использование вертикальных термоградиентов. На рис. 3.15 показана работа так называемой «закрытой» системы. Насос обеспечивает циркуляцию аммиака, имеющего очень низкую температуру кипения, в замкнутом контуре. Теплая океаническая вода нагревает аммиак (верхняя часть схемы), который переходит

в газообразное состояние и в этом виде поступает на турбину, где он расширяется и приводит в действие генератор. С турбины аммиак выходит с пониженной температурой и при меньшем давлении и пропускается через теплообменник, использующий холодную воду; газ сжижается, и цикл повторяется. В «открытой» системе в ^качестве рабочего тела используется морская вода; ее температура кипения снижается в вакуумной камере, где поддерживается давление на уровне 3,5% от нормального атмосферного.

Рассматривая возможные способы преобразования энергии, необходимо учитывать, что в соответствии с законами физики все энергетические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой. Здесь важно то обстоятельство, что плотности потоков энергии ограничиваются физическими свойствами среды. Это, в свою очередь, практически исключает применение в энергетике больших мощностей многих казалось бы эффективных процессов трансформации энергии. Например, в топливных элементах химическая энергия окисления водорода непосредственно превращается в электрическую. Такой способ получения электрической энергии, несмотря на очень высокий КПД, равный примерно 70%, на сегодня приходится признать непригодным для промышленности из-за малой скорости диффузионных процессов в электролите и, следовательно, малой плотности энергии. Так, с 1 м* электрода можно получить не более 200 Вт мощности. А это означает, что при генерировании 100 МВт мощности рабочая площадь электродов должна быть примерно 1 км2, что, конечно, практически нереализуемо. Из-за малой плотности потока энергии неперспективным представляется применение в энергетике и прямого преобразования химической энергии в механическую. Такое преобразование происходит с высоким КПД в мускулах животных. Механизм его достаточно глубоко пока не изучен. Но даже если предположить, что такое преобразование энергии будет воспроизведено искусственно, то оно, видимо, не сможет найти применение в энергетике из-за малой плотности потока энергии, которая не может быть больше, чем у топливных элементов:

1. Тепловые электрические станции и их технологическая схема.

Термодинамический цикл паротурбинных электростанций.

2.2. Способы производства электрической и тепловой энергии.

Наиболее распространенным типом тепловых электростанций являются паротурбинные электростанции. На современных тепловых электростанциях превращение тепла в работу осуществляется большей частью в циклах, в которых основным рабочим теплом является водяной пар высоких давлений и температур. Водяной пар получают с помощью парогенераторов, в топках которых сжигают разные виды топлива. Тепловая энергия преобразуется в механическую работу в паротурбинных установках по термодинамическому циклу, предложенному в середине XIX в. шотландским инженером и физиком У. Рен-киным, а также немецким физиком Р. Клаузиусом. К основным термодинамическим процессам относятся изобарный — при постоянном давлении, изохорный — при постоянном объеме, изотермический — при постоянной температуре, адиабатный — при постоянной энтропии.

Принципиальная тепловая схема электростанции, работа которой основана на цикле Ренкина, показана на рис. 1.2, а. На рис. 1.3

цикл Ренкина изображен на Т-5-диаграмме, где по оси ординат отложена температура Т, а по оси абсцисс—удельная энтропия S, ДжУ(кг-К). С помощью питательного насоса ПН (рис. 1.2, а) вода сжимается и подается в парогенератор ПГ, в котором вода подогревается и превращается в водяной пар. В пароперегревателе ЯД пар подвергается перегреву. Перегретый пар, поступая затем в паровую турбину ПТ, приводит в движение вращающуюся часть —ротор, соединенный с ротором генератора электрической энергии Г. Из паровой турбины пар выходит конденсация пара. Конденсат пара поступает в питательный насос ПН.

Конденсация пара происходит по изобаре р2—const (линия 23 на рис. 1.3). Сжатие воды питательным насосом от давления р2 до давления рг является адиабатным процессом, изображенным весьма малым отрезком 35, что свидетельствует о малой работе, которая затрачивается насосом для сжатия воды., К воде в парогенераторе при изобарном процессе p^const подводится тепло: сначала вода нагревается до кипения (участок 54), затем происходит парообразование (участок 46) и перегрев водяного пара (участок 61) изобары p1 = const. Перегретый пар поступает в турбину, в которой происходит адиабатический процесс расширения пара (адиабата 12). Отработанный пар направляется в конденсатор, и цикл замыкается. Количество тепла, подведенного к рабочему телу в цикле (qj), соответствует площади а.354 612ва на Г-5-диаграмме. Тепло, отведенное в цикле (92). изображено площадью а32ва. Работа цикла эквивалентна площади 3546 123.

Термический коэффициент полезного действия (к.п.д.) цикла

(1.5)

где i1, i2, i3, i5 —удельные энтальпии (удельные количества теплоты) рабочего тела, Дж/кг, равные суммам внутренней энергии системы u и произведениям давления системы р на объем системы V; для k-u точки цикла

in=uk+phVk (1-6)

— теоретическая работа сжатия в цикле, совершаемая питательным насосом

(1.7)

где Vb — удельный объем воды, м3/кг.

Термический к.п.д. можно также определить из уравнения:

(1.8)

где Т2 — температура для точки 2 цикла, К; Sr и S3 — энтропии для точек 1 и 3 цикла, Дж/(кг- К).

На рис. 1.4, а цикл Ренкина изображен на i-S-диаграмме, на которой по оси ординат отложена энтальпия i, Дж/кг, а по оси абсцисс энтропия S, Дж/(кг-К). Расстояние между точками 1 и 2 соответствует работе турбины, между точками 5 и 3 — работе в насосе, между точками 1,6,4 и 5 тепла q1, подводимому в цикле, а между точками 2 и 3 — теплу q2, отводимому в цикле i-S-диаграмма водяного пара приведена на рис. 1.4, б.

К.п.д. паротурбинной установки тем выше, чем больше давление и температура поступающего в турбину пара и глубже вакуум в конденсаторе. Вакуум в конденсаторах турбин достигает 95—97%, что соответствует давлению отработавшего пара 0,0049 — 0,0029 МПа. Последующее повышение вакуума возможно лишь в небольших пределах, связано с необходимостью дополнительного увеличения количества охлаждающей воды и экономически нецелесообразно.

Увеличение начальных параметров, т. е. давления и температуры подводимого к турбине так называемого «острого» пара, также ограничено в связи с трудностью создания дешевых материалов, способных работать при таких параметрах пара, а также вследствие возникающих при этом затруднениях в организации внутри котловых процессов и водного режима котлов.

При критических параметрах воды, т. е. при критическом давлении 22 МПа и критической температуре Тк = 647,3 К, энтальпия жидкости составляет около 2090 кДж/кг и нет различия между водой и паром. Принципиальная технологическая цепь изменений энергии на электростанции на основе изложенного (см. рис, 1.2) состоит из трех основных процессов:

1. превращение энергии, содержащейся в топливе, в энергию рабочего тепла водяного пара; агрегатом, в котором происходит процесс, является паровой котел или парогенератор (его к.п.д. -90—
   -95%);
2. превращение энергии рабочего тепла пара в кинетическую энергию вращения ротора турбины; при этом процессе рабочий агрегат — паровая турбина. У конденсационных турбин пар проходит через проточную часть и выходит в конденсатор, охлаждаемый циркуляционной водой, нагреваемой при этом на 7—12°. Пар конденсируется и превращается в конденсат, который с помощью питательного насоса вновь направляется в паровой котел. Нагретая циркуляционная вода направляется в водоемы или охладители. Ее тепло не используется, в связи с чем к.п.д. турбины обычно не превышает
   35—43%. На теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) весь пар или часть его после турбины либо нагретая при ухудшенном вакууме в конденсаторе вода, либо пар из отбора турбины направляются для использования на нужды бытовые или промышленности;
3. превращение кинетической энергии вращающегося вала турбины в электрическую энергию.

Агрегатом, в котором происходит превращение, является генератор с к.п.д. 98,5—99%. Наиболее удобны с термодинамической и эксплуатационной точек зрения рабочие тела теплосиловых установок с достаточно низкой теплоемкостью в жидкой фазе и с не слишком низким значением давления в конденсаторе, обеспечивающие высокое значение к.п.д. при не очень высоком давлении пара, и недорогие. Вода имеет, однако, довольно высокую теплоемкость в жидкой фазе, хотя и характеризуется не слишком низким значением давления в конденсаторе. Средняя температура подвода тепла в пароводяном
цикле не очень высока даже при использовании пара высокого давления. Поэтому вода может быть удачно применена в низкотемпературной части цикла.

Рабочих тел без недостатков, способных обеспечить предъявляемые к ним требования во всем температурном интервале цикла, нет, ( поэтому были предложены так называемые бинарные циклы с использованием комбинации двух рабочих тел. При их осуществлении верхняя часть цикла отражает работу ртути или других высококипящих веществ. Тепло, которое отводится при их конденсации, используют для парообразования низкокипящего вещества, например воды. В США для работы по бинарному циклу была построена электростанция Кирни. Парортутные и другие бинарные циклы ввиду сложности соответствующих установок распространения не получили.

Способы производства электрической и тепловой энергий подразделяются на раздельный — электростанция и котельные (см. рис. 1.2, б) и комбинированный— теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). При раздельном способе электроэнергию вырабатывают электростанции, а тепловую энергию —котельные. При комбинированном способе электрическая и тепловая энергии вырабатываются на ТЭЦ. Общий к.п.д. на конденсационных тепловых электростанциях не превышает 30—37%. На теплоэлектроцентралях он может достигать 80% и более.

К недостаткам ТЭЦ относятся:

1) меньшая, по сравнению с конденсационными электростанциями, единичная мощность агрегатов и более высокая стоимость одного установленного киловатта (на конденсационных электростанциях в 1975 г. она была равна в среднем 135—140 руб/кВт, а на ТЭЦ — 170—270 руб/кВт); более высокие удельные (на один установленный киловатт) расходы строительных материалов и дефицитного оборудования (кабеля, приборов, трубопроводов и т. п.);

1. ограниченный радиус транспортировки тепла. К наибольшим по протяженности относится теплофикационная магистраль СУГРЭС (г. Свердловск) длиной 28 км;
2. большая масса теплофикационных трубопроводов по сравнению с трубопроводами для транспортировки энергетически эквивалентных количеств газа.

В дальнейшем возможно более широкое применение электрических бытовых установок, которые имеют ряд гигиенических и других преимуществ.

В настоящее время, за исключением отдаленных районов и особых случаев, не устанавливаются турбоагрегаты мощностью менее 50 МВт, включая ТЭЦ. ТЭЦ сооружают при наличии тепловых нагрузок свыше 350 МВт, а при небольших тепловых нагрузках до 230 МВт при дешевом топливе ТЭЦ не сооружают, и строят районные и промышленные отопительные котельные. При суммарных тепловых нагрузках 230—350 МВт вопрос о выборе схемы теплоснабжения решают на основе инженерно-экономических расчетов.

На тепловых электростанциях устанавливаются турбоагрегаты различных типов. Для повышения к.п.д. турбинных установок в многоцилиндровых турбинах пар после одного или двух цилиндров направляется на дополнительный промежуточный перегрев в котел. Некоторые зарубежные установки имеют двойной промежуточный перегрев пара. При наличии промежуточного перегрева пара экономичность теплосиловой установки растет за счет увеличения средней температуры подвода тепла (рис. 1.5). Термический к.п.д. цикла с промежуточным перегревом:

где i7 и i8 — соответственно энтальпии тара в начале и в конце промежуточного перегрева; i9 — энтальпия влажного пара на входе в конденсатор.

Для целей теплофикации применяют теплофикационные турбины с отборами пара; они имеют один, два или более отборов пара (рис. 1.6, а). Отборы низкого давления до 0,1—0,5 МПа (номинальное значение часто равно 0,12 МПа) используются для отопительных установок. Отборы более высоких давлений 0,5—1,0 МПа (иногда до 1,6 МПа и выше) используются для промышленных нужд. Турбины с противодавлением (рис. 1.6, б) конденсаторов не имеют; пар из этих турбин направляется для нужд теплофикации.

Турбины с ухудшенным вакуумом отдают тепло для нужд теплофикации с нагретой до 50—60°С (или до более высокой температуры) циркуляционной водой; при этом разрежение в конденсаторе невелико.

2.3.ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ТЭЦ

Принципиальная технологическая схема ТЭЦ (рис. 1.9) несколько сложнее схемы ГРЭС. Пар к технологическим потребителям направляется из отборов турбины непосредственно к потребителям пара ПТП или же через паропреобразозатеть ППР, которые применяются и для сокращения потерь дорогостоящего конденсата установок высокого давления. Конденсат потребителей после очистки и конденсат паропреобразователей возвращаются в общий поток конденсата насосами перекачки конденсата НПК. Горячая вода направляется к теплофикационным потребителям ТП сетевыми насосами СП Она подогревается паром из теплофикационных отборов турбины в основных ОПСВ и пиковых ППСВ подогревателях (бойлерах) сетевой воды или же в пиковых водогрейных котлах ПВК. Конденсат подогревателей направляется в деаэратор насосами перекачки конденсата бойлеров НПК.

Так как ТЭЦ расположены ближе к потребителям электроэнергии ПЭ, чем ГРЗС, то для их питания сооружают распредустройства генераторного напряжения закрытого типа (ГРУ или ЗРУ) и только удаленные потребители ТЭЦ питаются от открытых распредустройств

(ОРУ), соединенных с ГРУ повышающими трансформаторами ПТР. Трансформаторы собственного расхода присоединяются при этом не к выводам генератора, а к ГРУ.

1. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА КЭС

На КЭС котлы и турбины соединяются в блоки: котел—турбина (моноблоки) или два котла—турбина (Дубль-блоки). Общая принципиальная технологическая схема конденсационной тепловой электростанции КЭС (ГРЗС) представлена на рис. 1.7.

К топке парового котла ПК (рис. 1.7) подводится топливо: газообразное ГТ, жидкое ЖТ или твердое ТТ. Для хранения жидкого и твердого топлив имеется склад СТ. Образующиеся при сжигании топлива нагретые газы отдают тепло поверхностям котла, подогревают воду, находящуюся в котле, и перегревают образовавшийся в нем пар. Далее газы направляются в дымовую трубу Дт и выбрасываются в атмосферу. Если на электростанции сжигается твердое топливо, то газы до поступления в дымовую трубу проходят через золоуловители ЗУ в целях охраны окружающей среды (в основном атмосферы) от загрязнения. Пар, пройдя через пароперегреватель ПИ, идет по паропроводам в паровую турбину, которая имеет цилиндры высокого (ЦВД), среднего (ЦСД) и низкого (ЦНД) давлений. Пар из котла поступает в ЦВД, пройдя через который вновь направляется в котел, а затем в промежуточный пароперегреватель ППП по «холодной нитке» паропровода промежуточного перегрева. Пройдя промежуточный пароперегреватель, пар вновь возвращается к турбине по «горячей нитке» паропровода промежуточного перегрева и поступает в ЦСД. Из ЦСД пар по пароперепускньш трубам направляется в ЦНД и выходит в конденсатор /(, где конденсируется.

Конденсатор охлаждается циркуляционной водой. Циркуляционная зода подается в конденсатор циркуляционными насосами ЦН. При прямоточной схеме циркуляционного водоснабжения циркуля-циончзя вода забирается из водоема В (реки, моря, озера) и, вылдя из конденсатора, вновь возвращается в водоем. При оборотной схеме циркуляционного водоснабжения охлаждающая конденсатор вода направляется в охладитель циркуляционной воды (градирню, пруд-охладитель, брызгальный бассейн), охлаждается в охладителе и вновэ возвращается циркуляционными насосами в конденсатор. Потери циркуляционной воды компенсируются путем подачи добавочной воды от ее источника.

В конденсаторе поддерживается вакуум и происходит конденсация пара. С помощью конденсатнык насосов К.Н конденсат направляется в деаэратор Д, где очищается от растворенных в нем газов, в частности от кислорода. Содержание кислорода в воде и в паре теплосиловых установок недопустимо, так как кислород агрессивно действует на металл трубопроводов и оборудования. Из деаэратора питательная вода с помощью питательных насосов ПН направляется в паровой котел. Потери воды, возникающие в контуре котел—паропровод—турбина—деаэратор котел, пополняются с помощью устройств водоподготовки ХВО (химводоочистки). Вода из устройств водоподготовки направляется для подпитки рабочего контура теплосиловой установки через деаэратор химочищенной воды ДХВ.

Находящийся на одном валу с паровой турбиной генератор Г вырабатывает электрический ток, который по выводам генератора направляется на ГРЭС, в большинстве случаев на повышающий трансформатор ПТр. При этом напряжение электрического тока повышается и появляется возможность передачи электроэнергии на большие расстояния по линиям передачи ЛЭП, присоединенным к повышающему распредустройству. Распредустройства высокого напряжения строятся главным образом открытого типа и называются открытыми распредустройствами (ОРУ). Электродвигатели механизмов ЭД, освещение электростанции и другие потребители собственного расхода или собственных нужд питаются от трансформаторов ТрСР, присоединенных обычно на ГРЭС к выводам генераторов.

При работе тепловых электростанций на твердом топливе должны быть приняты меры по охране окружающей среды от загрязнения золой и шлаком. Шлак и зола на электростанциях, сжигающих твердое топливо, смываются водой, смешиваются с нею, образуя пульпу, и направляются на золошлакоотвалы ЗШО, в которых зола и шлаки выпадают из пульпы. «Осветленная> вода с помощью насосов осветленной воды НОВ или самотеком направляется на электростанцию для повторного использования.

При сжигании жидкого топлива возникает необходимость в очистке в специальных устройствах УОЗВ замазученных вод, которые сбрасываются в процессе транспортировки и сжигания топлива. Подвергаются также очистке сбросные воды при промывке оборудования, сточные воды химочистки и конденсатоочистки.

Принципиальная схема тепловой электростанции приведена на рис. 1.8

2.5. ДВУХВАЛЬНЫЕ ТУРБОАГРЕГАТЫ.

Помимо одновальных турбин известны двухзальные паровые турбины большой мощности (рис. 1.10). В установках этого типа пар, пройдя через ЦВД первого вала, направляется сначала в ПСД этого же вала, а затем в ЦСД второго вала. Пройдя ЦСД каждого из валов, пар поступает в соединенные с ними ЦНД. Каждый вал приводит в действие один генератор. Соотношение мощностей генераторов первого и второго валов в ряде случаев 100: 60%.

Параметры пара — давление и температура перегрева — по мере развития теплоэнергетики увеличивались, так как при этом обеспечивался рост экономичности тепловых электростанций. Часто действующие установки расширяются путем «пристройки» новых установок, рассчитанных на более высокие параметры пара (рис. 1.11, а). Иногда при этом установки высокого давления соединяются с установками низкого давления дроссельно-увлажнительными устройствами для передачи части пара от установок высокого давления к установкам низкого давления.

Предвключенные турбины устанавливаются относительно редко при модернизации теплосиловых установок путем надстройки (рис. 1,11, б). При этом остаются в работе действующие турбины низкого давления, котлы низкого давления демонтируются, устанавливаются новые котлы более высокого давления, пар из которых проходит к ранее установленным турбинам через предвключенные турбины.

Хотя удельный расход топлива при повышении давления и температуры пара в турбинных установках снижается, увеличение параметров пара, как уже отмечалось ранее, не всегда выгодно. В установках с высокими параметрами для обеспечения прочности паропроводов и деталей котлов и турбин необходимо применение дорогостоящих сталей аустенитного класса. Такие стали более устойчивы к длительному воздействию высоких температур, при Которых в сталях наблюдаются температурные деформации— возникновение

3. ПРОИЗВОДСТВО ПАРА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ.

3.1. МЕСТО И ЗНАЧЕНИЕ ПАРОВОГО КОТЛА В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Электрическая станция представляет собой промышленное предприятие для выработки электрической энергии. Основное количество энергии в СССР и в крупных и экономически развитых странах мира производя на тепловых электрических станциях, (ГЭС), использующих химическую энергию сжигаемого органического топлива Электрическую энергию вырабатывают также на тепловых электрических станциях, работающих на ядерном горючем, — атомных электрических станциях (АЭС) и на электростанциях, использующих энергию потоков воды, — гидроэлектростанциях (ГЭС).

Независимо от типа электростанции электрическую энергию, как правило, вырабатывают централизованно. Это значит, что отдельные электрические станции работают параллельно на общую электрическую сеть и, следовательно, объединяются в электрические системы, охватывающие значительную территорию с большим числом потребителей электрической энергии. Это повышает надежность электроснабжения потребителей, уменьшает требуемую резервную мощность, снижает себестоимость вырабатываемой электроэнергии за счет рациональной загрузки электростанций, входящих в электрическую систему, и позволяет устанавливать агрегаты большой единичной мощности. Широко пользуются и централизованным снабжением теплотой в виде горячей воды и пара низкого давления, вырабатываемых на некоторых электростанциях одновременно с электрической энергией. Электрические станции, электрические и тепловые сети, а также потребители электрической энергии и теплоты в совокупности составляют энергетическую систему. Отдельные энергетические системы соединяют межсистемными связями повышенного напряжения в объединенные энергетические системы. В ближайшие годы, на и базе будет создана Единая энергетическая система Советского Союза —высшая форма организации энергетического хозяйства страны.

Тепловые электростанции. Основными тепловыми электрическими станциями на органическом топливе являются паротурбинные электростанции, которые делятся на конденсационные (К.ЭС), вырабатывающие только электрическую энергию, и теплофикационные (ТЭЦ), предназначенные для выработки электрической и тепловой энергии.

Паротурбинные электростанции выгодно отличаются возможностью сосредоточения огромной мощности в одном агрегате, относительно высокой экономичностью, наименьшими капитальными затратами на их coopужения короткими сроками строительства. Основными тепловыми агрегатами паротурбинной ТЭС являются паровой котел и паровая турбина (рис. 1.1). Паровой котел представляет собой системы поверхностей нагрева для производства пара из непрерывно поступающей в неге воды путем использования теплоты, выделяющейся при сжиганий топлива, которое подается в топку вместе с необходимым для горения воздухом. Поступающую в паровой котел воду называют питательной водой. Питательная вода подогревается до температуры насыщения, испаряется, а выделившийся из кипящей (котловой) воды насыщенный пар перегревается.

При сжигании топлива образуются продукты сгорания — теплоноситель, который в поверхностях нагрева отдает теплоту воде и пару, называемый рабочим телом. После поверхностей нагрева продукты сгорания при относительно низкой температуре удаляются из котла через дымовую трубу в атмосферу. На электростанциях большой мощности дымовые трубы выполняют высотой 200 — 300 м и больше, чтобы уменьшить местные концентрации загрязняющих веществ в воздухе. В результате горения твердого топлива остается зола и шлак, которые также удаляются из агрегата. Полученный в котле перегретый пар поступает в турбину, где его тепловая энергия превращается в механическую, передаваемую валу турбины. С последним связан электрический генератор, в котором механическая энергия превращается в электрическую. Отработавший пар из турбины направляют в конденсатор— устройство, в котором пар охлаждается подои какого-либо природного (река, озеро, пруд, море) или искусственного (градирня) источника и конденсируется.

На современных КЭС с агрегатами единичной мощности 200 МВт и выше применяют промежуточный перегрев пара. Обычно применяют одноступенчатый промежуточный перегрев пара (рис 1.1,а). В установках очень большой мощности применяют двойной промежуточный перегрев, при котором пар из промежуточных ступеней турбины дважды возвращают в котел. Промежуточный перегрев пара увеличивает к. п. д. турбинной установки и соответственно снижает удельный расход пара на выработку электроэнергии, я также влажность пара на ступенях низкого давления турбины и уменьшает эрозионный износ лопаток.

Конденсатным насосом конденсат перекачивают через подогреватели низкого давления (ПНД) в деаэратор. При доведении конденсата до кипения происходит освобождение его от кислорода и углекислоты, вызывающих коррозию оборудования. Из деаэратора вода питательным насосом через подогреватели высокого давления (ПВД) подается в паровой котел Подогрев конденсата в ПНД и питательной воды в ПВД производится паром, отбираемым из турбины, — регенеративный подогрев. Регенеративный подогрев воды также повышает к. п. д. паротурбинной установки, уменьшая потери теплоты в конденсаторе.

Таким образом, на КЭС (рис. 1.1,а) паровой котел питается конденсатом производимого им пара. Часть этого конденсата теряется в системе электростанции и составляет утечки. На ТЭЦ часть пара, кроме того, отводится на технологические нужды промышленных предприятий или используется для бытовых потребителей. На КЭС утечки составляют небольшую долю общего расхода пара — около 0,5—1%, и для их восполнения требуется добавка воды, предварительно обрабатываемой в водоподготовительной установке. На ТЭЦ эта добавка может достигать 30—50% и более.

Добавочная вода и турбинный конденсат содержат некоторые примеси, главным образом растворенные в воде соли, окислы металлов и газы. Эти примеси вместе с питательной водой поступают в котел. В процессе парообразования в воде повышается концентрация примесей, и в определенных условиях возможно их выпадение на рабочих поверхностях котла в виде слоя отложений, ухудшающего передачу через них теплоты. В процессе парообразования, кроме того, примеси воды частично переходят в пар, однако чистота пара должна быть очень высокой во избежание отложения примесей в проточной части турбины. По обеим причинам нельзя допускать большого загрязнения питательной воды; допустимое загрязнение питательной воды и вырабатываемого пара регламентируется специальными нормами.

В число устройств и механизмов, обеспечивающих работу парового котла, входят: топливоприготовительные устройства; питательные насосы, подающие в котел питательную воду; дутьевые вентиляторы, подающие воздух для горения; дымососы, служащие для отвода продуктов сгорания через дымовую трубу в атмосферу, и другое вспомогательное оборудование Паровой котел и весь комплекс перечисленного оборудования составляют котельную установку. Современная мощная котельная установка представляет собой сложное техническое сооружение для производства пара, в котором все рабочие процессы полностью механизированы и автоматизированы; для повышения надежности работы ее оснащают автоматической защитой от аварий.

Тенденции развития паровых котлов: увеличение единичной мощности, повышение начального давления пара и его температуры, применение промежуточного перегрева пара, механизация и автоматизация управления, изготовление и поставка оборудования крупными блоками для облегчения и ускорения его монтажа.

Атомные электростанции. Устройство, в котором осуществляется регулируемая цепная реакция деления ядер тяжелых элементов, называется ядерным реактором. В качестве ядерчого топлива используют как природные изотопы 235U, так и искусственные изотопы 233U, 239Рu и др. Ядерная энергия, освободившаяся в результате цепной реакции деления, превращается в теплоту, которая теплоносителем отводится из реактора. В зависимости от схемы АЭС бывают: одноконтурные, двухконтурные и трехконтурные.

В одноконтурной АЭС (рис 1.2,а) пар образуется непосредственно в реакторе Следовательно, реактор одновременно является и парогенератором. Одноконтурные АЭС проще и дешевле, они содержат минимальное число элементов оборудования Вместе с тем под влиянием облучения в реакторе рабочее тело (вода и пар) становится радиоактивным, в связи с чем не только реактор, но л другое оборудование водопарового тракта электростанции должно иметь биологическую защиту Загрязнение пара приводит к образованию отложений в элементах оборудования Так как эти отложения радиоактивны, то ремонт оборудования затрудняется.

В двухконтурной АЭС (рис. 1 2,6) нагреваемый в реакторе поток жидкости, газа или расплава металла является теплоносителем, который передает теплоту рабочему телу в парогенераторе. Следовательно, в двухконтурной АЭС появляется дополнительное оборудование— парогенератор, удорожающий электростанцию. Для передачи теплоты от теплоносителя рабочему телу в парогенераторе необходим перепад температуры. Поэтому при водном теплоносителе температура поступающего в турбину пара ниже, чем в одноконтурной АЭС. Наличие двух контуров приводит к необходимости поддерживать в реакторе более высокое давление, чем давление пара, направляемого в турбину. Вместе с тем двухконтурные АЭС имеют преимущества перед одноконтурными, так как радиоактивность распространяется только в пределах первого контура, и поэтому вскрытие турбины и другого оборудования в пределах второго контура для ремонта безопасно. Биологическая защита необходима только на первом контуре

В трехконтурной АЭС (рис 1 2,0) в качестве теплоносителя первого контура применяют жидкий натрий. Под влиянием облучения в реакторе натрий склонен к активации с образованием изотопа с высокой энергией - излучения. Поэтому первый контур отделяют от рабочего контура промежуточным — вторым контуром. Теплоносителем второго контура является также Na или сплав Na—К. Для защиты второго контура от попадания в него при нарушении плотности радиоактивного натрия первого контура давление во втором контуре поддерживается большим, чем в первом контуре. Рабочим телом третьего контура служит вода. В трехконтурных АЭС биологическая защита распространяется на первые два контура.

Комбинированные парогазовые установки и МГДУ. С применением пара сверхкритических параметров (р=25,5 МПа, tnn=545°C) и промежуточного перегрева пара (tвт=545°С), развитием регенерации теплоты, достижением высоких к. п. д. и мощности (1200 МВт и более) паротурбинных блоков тепловая экономичность ТЭС приблизилась к своему термодинамическому пределу (к. п. д. несколько более 40%). Дальнейшее повышение начальных параметров пара сильно увеличивает стоимость паротурбинных блоков из-за применения более высоколегированных и дорогостоящих сталей. Осложняется при этом и сохранение уже достигнутых показателей надежности.

Разработаны и проходят пробную эксплуатацию комбинированные системы, сочетающие паротурбинную установку (ПТУ) с высокотемпературной газотурбинной установкой (ГТУ). Из всех известных в настоящее время практический интерес представляют парогазовые установки (ПГУ), в высокотемпературной части которых работает ГТУ, а в низкотемпературной ПТУ. На рис. 1.3 показаны две основные схемы ПГУ. В обеих схемах газотурбинная часть работает на высокотемпературной теплоте. В установке, показанной на рис. 1.3,а, эта теплота выделяется в камере сгорания при подаче в нее топлива и сжатого в компрессоре атмосферного воздуха. Образующиеся в ней газы используются в газовой турбине. Выхлопные газы вместе с топливом поступают в топочную камеру парового котла. в котором вырабатывается пар. На этом паре работает паровая турбина. В продуктах сгорания, поступающих в топку котла, содержится около 16% кислорода, в связи с чем подача воздуха специально для сжигания основной массы топлива в котле не предусматривается, а потому воздухоподогреватель не нужен Удельный расход топлива у ПГУ ниже на 3—4%, чем у ПТУ с теми же начальными параметрами пара.

Другая схема ПГУ (рис. 1.3,6) предусматривает высоконапорный паровой котел (ВПК), в котором сжигание топлива и передача теплоты совершаются при высоком давлении (0,6—0,7 МПа). Это позволяет интенсифицировать эти процессы и проектировать котел с малым расходом металла и значительно меньших габаритов по сравнению с обычными. Как и в предыдущей схеме, газовая турбина работает на высокотемпературной теплоте продуктов сгорания — топочных газов ВПК. Паровая турбина работает на паре, вырабатываемом ВПК. Покидающие газовую турбину продукты сгорания охлаждаются частью потока воды, идущей на выработку пара. При равенстве начальных параметров пара удельный расход топлива на 4—6% ниже, чем у ПТУ. Удельные капиталовложения также ниже на 8—12%.

Разработаны комбинированные парогазовые установки на ядерном топливе (рис. 1 4). Здесь камеру сгорания заменяют энергетический реактор с газовым теплоносителем В качестве теплоносителя используется инертный газ — гелий, допускающий повышение температуры на выходе из реактора до 1500°С и выше. Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы могут эффективно применяться на АЭС с паровыми турбинами В парогазовых установках на ядерном горючем паровой котел является утилизатором тепла выхлопных газов газовых турбин

Еще одним типом комбинированных систем с участием парового цикла являются магнитогидродинамические установки (МГД - установки) Отличительная их особенность — безмашинное преобразование части тепловой энергии в электрическую (рис 1 5) Сжатый в компрессоре и подогретый в котле до 1000— 1200°С атмосферный воздух вместе с топливом поступает в камеру сгорания. Образовавшиеся здесь продукты сгорания при температуре 2500°С ионизируются. Интенсификация ионизации газа достигается присадками в камеру сгорания добавок в виде соединений калия, цезия и других щелочных металлов.

Горячие ионизированные газы (высокотемпературная плазма) со свойствами электрического проводника поступают в канал через сопло и движутся в нем со скоростью около 700 м/с Мощными постоянными магнитами в канале создается магнитное поле При движении плазмы в мощном магнитном поте ионизированные частицы индуктируют в цепи постоянный электрических ток, который затем преобразуется в переменный Газовый поток выходит из канала при температуре 1500 — 2000°С Эта высокотемпературная теплота газов используется для подогрева воздуха, необходимого камере сгорания, и для генерации пара, используемого в паровой турбине Коэффициент полезного действия МГД установки может достигать 50—60% Около 70—80% всей электроэнергии вырабатывается в МГД-канале, остальные — в паротурбинной установке.

Из рассмотрения принципиальных схем производства электрической энергии на электростанциях следует, что паровой котел на ТЭС и парогенератор на АЭС являются обязательными агрегатами, притом одними из главных практически любой мощности энергетической установки Паровой котел и парогенератор предназначены для производства пара в нужном количестве, обеспечивающем необходимую мощность турбины и за чанные параметры пара.

3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

В соответствии с законами фазового перехода получение перегретого пара характеризуется последовательным протеканием следующих процессов подогрева питательной воды до температуры насыщения, парообразования и, наконец, перегрева насыщенного пара до заданной температуры Эти процессы имеют четкие границы протекания и осуществляются в трех группах поверхностей нагрева. Подогрев воды до температуры насыщения происходит в экономайзере, образование пара— в парообразующей (испарительной) поверхности нагрева, перегрев пара—в пароперегревателе.

В целях непрерывного отвода теплоты и обеспечения нормального температурного режима металла поверхностей нагрева рабочее тело в них — вода в экономайзере, пароводяная смесь в парообразующих трубах и перегретый пар в пароперегревателе — движется непрерывно. При этом вода в экономайзере и пар в пароперегревателе движутся однократно относительно поверхности нагрева (рис. 1 6). При движении воды в экономайзере возникают гидравлические сопротивления, преодолеваемые напором, создаваемым питательным насосом. Давление, развиваемое питательным насосом, должно превышать давление в начале зоны парообразования на гидравлическое сопротивление экономайзера. Аналогично движение пара в пароперегревателе обусловлено перепадом давления, возникающим между зоной парообразования и турбиной.

В парообразующих трубах совместное движение воды и пара и преодоление гидравлического сопротивления этих труб в котлах различных типов организовано по-разному. Различают паровые котлы с естественной циркуляцией, с принудительной циркуляцией и прямоточные.

Паровые котлы с естественной циркуляцией. Рассмотрим работу замкнутого контура (рис 1.6,а), состоящего из двух систем труб: обогреваемых 6 и необогреваемых 4, объединенных вверху барабаном 3, а внизу — коллектором 5. Замкнутая гидравлическая система, состоящая из обогреваемых и необогреваемых труб, образует циркуляционный контур Объем барабана, заполненный водой, называют водяным объемом, а занятый паром— паровым объемом. Поверхность, разделяющую паровой и водяной объем, называют зеркалом испарения. Водяной объем барабана и парообразующие трубы заполнены котловой водой.

В обогреваемых трубах 6 вода закипает, и поэтому они заполнены пароводяной смесью плотность рн. Необогреваемые трубы 4 заполнены водой, имеющей плотность р при давлении в барабане. Следовательно, нижняя точка контура — коллектор, с одной стороны, подвержена давлению столба воды, заполняющей необогреваемые трубы, равному Hp'g, а с другой— давлению столба паровотяной смеси, заполняющей обогреваемые трубы, равному Hpyg. Создающаяся в результате образования пара разность давлений Н(р'~pr,)g вызывает движение в контуре и называется движущим напором естественной циркуляции

Sдв=H(р'-pn)g, (1.1)

где SДВ — движущий напор естественной циркуляции, Па; Н — высота контура, м р' и рм— соответственно плотность воды и пароводяной смеси, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2.

По обогреваемым трубам вверх движется пароводяная смесь, в связи с чем они получили название подъемных труб, а по необогреваемым трубам движется вниз вода—это опускные трубы.

Агрегаты, в парообразующих трубах которых движение рабочего тела создается под воздействием напора циркуляции, естественно возникающего при обогреве этих труб, получили название паровых котлов с естественной циркуляцией.

В отличие от движения воды в экономайзере и пара в пароперегревателе, в которых рабочий процесс заканчивается при однократном прохождении рабочего тела через поверхность нагрева, движение рабочего тела в циркуляционном контуре многократное. Это значит, что в процессе одного цикла прохождения через парообразующие трубы вода испаряется не полностью, а лишь частично и поступает в барабан в виде пароводяной смеси. При естественной циркуляции массовое паросодержание на выходе из парообразующих труб составляет 3—25%. При паросодержании на выходе, равном, например, 20%, для полного испарения вола должна совершить движение через контур циркуляции пять раз.

Поскольку процесс образования пара происходит непрерывно и питательная вода в барабан также поступает непрерывно в соответствии с расходом пара, в контуре все время циркулирует вода и количество се не изменяется. Отношение массового расхода циркулирующей воды GB, кг/с, к количеству образовавшегося пара в единицу времени С„, кг/с, называется кратностью циркуляции

k=GB/Gu. (1 2)

В котлах с естественной циркуляцией кратность циркуляции находится в пределах 4—30 и более.

В парообразующих трубах можно организовать движение рабочего тела принудительно, например насосом, включенным в контур циркуляции. Такие агрегаты получили название котлов с многократной принудительной циркуляцией (рис. 1.6,6). Движущий напор циркуляции в этом случае в несколько раз превышает движущий напор при естественной циркуляции. Это позволяет расположить парообразующие трубы любым образом, исходя из условий конструирования котла, и организовать в нем циркуляцию не только с вертикальным подъемным движением, но также с горизонтальным и даже опускным движением пароводяной смеси. В паровых котлах этого типа кратность циркуляции составляет 3—10.

Отличительной особенностью паровых котлов с естественной и многократной принудительной циркуляцией является наличие барабана— емкости, позволяющей организовать циркуляцию в замкнутой гидравлической системе и обеспечить отделение воды от пара. Барабан фиксирует все зоны котла: экономайзерную, парообразующую и пароперегревательную.

Барабанные котлы работают при докритическом давлении (ДКД), p<pкр.

Прямоточные паровые котлы не имеют барабана, и через парообразующие трубы рабочее тело проходит однократно (рис. 1.6,0), так что кратность циркуляции k=l. Прямоточный котел представляет собой разомкнутую гидравлическую систему. Отличительной особенностью прямоточных котлов также является отсутствие четкой фиксации экономайзерной, парообразующей и пароперегревательной зон. В парообразующих поверхностях нагрева прямоточных котлов происходит безостановочное превращение воды в пар. Прямоточные котлы работают на ДКД и сверхкритическом давлении (СКД), рркр.

В паровых котлах с комбинированной циркуляцией (рис. 1.6,г) при пуске обратный клапан 10 открыт и агрегат работает по схеме (рис. 1.6,6). При достижении определенной нагрузки циркуляционный насос отключается, обратным клапан автоматически закрывается и паровой котел переключается на работу по прямоточной схеме (рис. 1 6,в).

3.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ПАРА

Технологическая схема производства пара на паротурбинной электрической станции с прямоточными котлами и сжиганием твердого топлива в пылевидном состоянии показана на рис. 1.7. Твердое топливо в виде кусков поступает в приемно-разгрузочное помещение в железнодорожных вагонах. Вагоны заталкиваются в вагоноопрокидыватели и вместе с ними, поворачиваясь вокруг своей оси примерно на 180°, разгружаются в расположенные ниже бункера. С помощью автоматических питателей топливо поступает на ленточные конвейеры первого подъема, передающие его в дробилки. Отсюда поток измельченного топлива— дробленки (размеры кусочков топлива не более 25 мм) конвейером второго подъема подается в бункера котельной. Далее дробленка поступает в углеразмольные мельницы, где окончательно измельчается и подсушивается. Образовавшаяся топливно-воздушная смесь поступает в топочную камеру.

В отечественной энергетике наиболее широкое распространение получили паровые котлы с П-образным профилем (подробно — см. § 21.1)—это две вертикальные .призматические шахты, соединенные вверху горизонтальным газоходом. Первая шахта — большая по размерам — является топочной камерой (топкой). В зависимости от мощности агрегата и сжигаемого топлива ее объем колеблется в широких пределах— от 1000 до 30000 м3 и более. В топочной камере по всему периметру и вдоль всей высоты стен обычно располагаются трубные плоские системы — топочные экраны. Они получают теплоту прямым излучением от факела и являются радиационными поверхностями нагрева. В современных агрегатах топочные экраны часто выполняют из плавниковых труб, свариваемых между собой и образующих сплошную газоплотную (газонепроницаемую) оболочку. Газоплотная экранная система покрыта оболочкой из теплоизоляционного материала, которая уменьшает потери теплоты от наружного охлаждения стен агрегата, обеспечивает нормальные санитарно-гигиенические условия в помещении и исключает возможность ожогов персонала.

Вторая вертикальная шахта и соединяющий ее с топочной камерой горизонтальный газоход служат для размещения поверхностей нагрева, получающих теплоту конвекцией, и потому называются конвективными газоходами, а сама вертикальная шахта — конвективной шахтой. Поверхности нагрева, размещаемые в конвективных газоходах, получили название конвективных.

После отдачи теплоты топочным экранам продукты сгорания покидают топку при температуре 900—1200°С (в зависимости от вида топлива) и поступают в горизонтальный газоход.

По мере движения в трубах топочных экранов вода превращается в пар. Поверхности нагрева, в которых образуется пар, являются испарительными, парообразующими. В прямоточном котле испарительная поверхность нагрева располагается в нижней части топки и потому называется нижней радиационной частью (НРЧ). При СКД в ней размещается радиационный экономайзер. Вода, поступающая в паровой котел, называется питательной водой.

Питательная вода содержит примеси. В процессе парообразования увеличивается содержание пара, вода при этом упаривается, а концентрация примесей возрастает. При достижении определенных концентраций в конце зоны парообразования на внутренней поверхности труб образуются отложения в виде накипи. Теплопроводность отложений в десятки раз меньше теплопроводности металла, из которого выполнены поверхности нагрева. Это ухудшает теплопередачу к рабочей среде и при интенсивном обогреве в топочной камере приводит к перегреву металла труб, снижению прочности и разрыву под действием внутреннего давления рабочей среды.

Поверхность нагрева, в которой завершается парообразование и осуществляется переход к перегреву пара, называют переходной зоной В этой зоне преимущественно и образуются отложения. Для облегчения работы металла в ранних конструкциях прямоточных котлов переходную зону выносили из топочной камеры в конвективный газоход, где интенсивность обогрева примерно на порядок меньше — вынесенная переходная зона. В настоящее время прямоточные котлы питаются практически чистой водой и нормально накипь не образуется, поэтому в современных котлах вынесенной переходной зоны не делают и рабочая среда из НРЧ поступает непосредственно в вышерасположенные топочные экраны, в которых пар, уже перегревается — радиационный пароперегреватель. Он может состоять либо из двух поверхностей нагрева: средней радиационной части (СРЧ) и верхней радиационной части (ВРЧ), включенных между собой по пару последовательно, либо только ВРЧ, включенной непосредственно за НРЧ. Из ВРЧ частично перегретый пар поступает в последнюю по ходу пара поверхность нагрева, расположенную в конвективном газоходе — конвективный пароперегреватель, в котором он доводится до необходимой температуры. Из конвективного пароперегревателя перегретый пар заданных параметров (давления и температуры) направляется в турбину. Как и любая конвективная поверхность нагрева, конвективный пароперегреватель представляет собой систему большого числа параллельно включенных между собой трубчатых змеевиков из стальных труб, объединенных на входе и выходе коллекторами.

Температура продуктов сгорания за конвективным пароперегревателем достаточно высока (800—900°С). Частично отработавший в турбине пар снова направляют в паровой котел для вторичного (промежуточного) перегрева до температуры, обычно равной температуре пара, выдаваемого основным пароперегревателем. Этот пароперегреватель получил название промежуточного.

На выходе из промежуточного пароперегревателя продукты сгорания имеют еще высокую температуру (500—600°С) и поэтому содержащуюся в них теплоту утилизируют в конвективном экономайзере. В него поступает питательная вода, которая подогревается до температуры, меньшей температуры насыщения. При этой температуре вода поступает в НРЧ. За экономайзером температура продуктов сгорания составляет 300— 450°С и более. Дальнейшая утилизация теплоты осуществляется в следующей конвективной поверхности нагрева для подогрева воздуха — воздухоподогревателе. Воздухоподогреватель часто представляет собой систему вертикальных труб, через которые проходят продукты сгорания, а между трубами — нагреваемый воздух. Температура воздуха на входе в воздухоподогреватель (холодный воздух) 30 — 60°С, на выходе (горячий воздух) 250—420°С в зависимости от топлива и способа его сжигания.

При сжигании твердого топлива в пылевидном состоянии горячий воздух делят на два потока. Первичный воздух служит для подсушки топлива при размоле и транспорта готовой топливной пыли через горелки в топочную камеру. Температура топливно-поздушной смеси 70—130°С. Вторичный воздух, поступает через горелки в топку непосредственно (минуя мельничную систему) при температуре за воздухоподогревателем

После воздухоподогревателя продукты сгорания имеют уже достаточно низкую температуру (110—160°С). Дальнейшая утилизация теплоты этих продуктов сгорания экономически нецелесообразна, и их выбрасывают дымососом через дымовую трубу в атмосферу. Они получили название уходящих газов.

В результате сжигания топлива остается зола, которая в основной массе уносится продуктами сгорания. Ее улавливают в золоуловителе, размещаемом перед дымососом. Этим предотвращается абразивный износ дымососов и загрязнение атмосферы золой. Уловленная зола удаляется устройствами золоудаления, Часть золы выпадает в нижнюю часть топки и также непрерывно удаляется через систему золошлако удаления.

Технологическая схема производства пара с барабанными котлами отличается лишь конструкцией и работой самих паровых котлов (рис. 1.8). В этом случае образующаяся в топочных экранах пароводяная смесь поступает в барабан. Выделившийся в барабане практически сухой пар поступает в пароперегреватель, а затем в турбину.

Из рассмотрения технологической схемы производства пара (см. рис. 1.7) следует, что в состав котельной установки входят:

топливный тракт— комплекс элементов, в котором осуществляется подача, дробление и размол твердого топлива, его транспортировка и подача в топочную камеру для сжигания. Топливный тракт включает дробильное оборудование, транспортеры, бункер дробленого топлива, углеразмольную мельницу и соединяющие ее с топочной камерой пылепроводы. До бункеров дробленки топливо перемещается конвейерами; сопротивление по топливному тракту, начиная с мельницы, преодолевается напором, создаваемым вентилятором;

водопаровой тракт, представляющий собой систему последовательно включенных элементов оборудования, в которых движется питательная вода, пароводяная смесь и перегретый пар. Водопаровой тракт включает следующие элементы оборудования: экономайзер, топочные экраны и пароперегреватели;

воздушный тракт, представляющий собой комплекс оборудования для приемки атмосферного (холодного) воздуха, его подогрева, транспортировки и подачи в топочную камеру. Воздушный тракт включает короб холодного воздуха, воздухоподогреватель (воздушная сторона), короб горячего воздуха и горелочные устройства;

газовый тракт — комплекс элементов оборудования, по которому осуществляется движение продуктов сгорания до выхода в атмосферу; он начинается в топочной камере, проходит через пароперегреватели, экономайзер, воздухоподогреватель (газовая сторона), золоуловитель и заканчивается дымовой трубой.

Воздушный и газовый тракты соединяются между собой последовательно. Так образуется газовоздушный тракт. Переход от одного к другому осуществляется в объеме топочной камеры. Схема газовоздушного тракта показана на рис. 1.9,а. Здесь воздух транспортируют дутьевыми вентиляторами и соответствующий воздушный тракт на участке вентилятор— топка находится под давлением выше атмосферного Продукты сгорания транспортируют дымососами, расположенными после котла, в связи с чем топка и все газоходы находятся под разрежением. Такую схему тяги и дутья называют уравновешенной, или сбалансированной.

Транспорт воздуха до топки и продуктов сгорания до выхода в атмосферу можно также обеспечить только дутьевыми вентиляторами— без дымососов (рис. 1.9,б). Топка и газоходы в этом случае будут находиться под некоторым избыточным давлением— наддувом. Для наглядности на рис. 1.10 показано сопоставление распределения давления и газовоздушном тракте котельной установки, работающей с уравновешенной тягой и наддувом.

3.4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

Паропроизводительностью D, т/ч (или кг/с), называют количество пара, вырабатываемого паровым котлом в единицу времени. Расчет котла ведут на номинальную производительность Dном, под которой понимают ту наибольшую нагрузку, которую он должен на расчетном топливе устойчиво нести длительное время при номинальных значениях параметров пара и питательной воды. Промышленность выпускает стационарные энергетические паровые котлы широкого диапазона производительности (табл. 1.1).

В настоящее время энергетика СССР базируется главным образом на использовании агрегатов, вырабатывающих 1000, 1650 и 2650 т/ч пара на сверхкритические параметры (давление 25,5 МПа, перегрев пара 545°С, промежуточный перегрев пара 545°С) и к. п. д. 92—94%. Такие котлы обеспечивают паром турбины мощностью соответственно 300, 500 и 800 МВт. Паровой котел и турбина образуют энергетический блок. Введен в эксплуатацию энергетический блок 1200 МВт с котлом производительностью 3950 т/ч. В условиях ТЭЦ применяются котлы и на более низкие параметры и меньшей производительности.

Параметры перегретого пара характеризуются его давлением и температурой в выходном коллекторе пароперегревателя. Устанавливаемые на электростанциях котлы различают по давлению: высокого (10 и 14 МПа) и сверхкритического (25,5 МПа). Паровые котлы давлением 14 МПа и выше, как правило, выполняют с вторичным перегревом пара.

Классификация по давлению и тип котла	Давление на выходе из котла МПа	Давле- ние в бараба- не МПа	Температура перегретого пара С	Темпера- тура питатель- ной воды С	Номинальная паропроизво- дительность Dном т/ч
			Свежий пар	Вторично перегретый пар
Среднее Высокое	С естест- венной циркуля- цией	4 10 14 14	4,4 11,5 15,5 15,5	440 540 570;560 570;545	- - - 570;545	145 215 230 230	25;35;50;75 120;160;230 320;420;500;820 640;670
Сверх- Крити- ческое	Прямо- точные	14 25,5	- -	570;545;515 565;545	570;545;515 567;542	230 270	640;670;1800 950;1000;1600 1650;2500; 2650;3950

Классификация стационарных энергетических паровых котлов по параметрам перегретого пара приведена в той же табл. 1.1. Находится в эксплуатации котел производительностью 700 т/ч на давление 31,5 МПа с перегревом свежего пара до 655°С и вторичным перегревом до 570°С.

Типы и типоразмеры паровых котлов. В СССР действует ГОСТ 3619-76 на паровые котлы, в котором регламентированы давление и температура свежего и вторично-перегретого пара, паропронзводительность и температура питательной воды. В этом ГОСТ приняты обозначения типов паровых котлов: П — котел прямоточный; Е — то же с естественной циркуляцией; Пр — то же с принудительной циркуляцией; Пп — прямоточный котел с вторичным перегревом пара; Еп — котел с естественной циркуляцией и вторичным перегревом пара и типоразмеров паровых котлов: первое число—паропроизводптельность, т/ч, второе число—давление пара, кгс/см2 (1 кгс/см2 О,1 МПа).

Обозначения типоразмеров относятся к котлам с топками для сжигания твердого топлива при удалении из них шлака в твердом состоянии. Например, типоразмер Пп-950-255 означает: прямоточный котел с промежуточным перегревом пара паропроизводительностью 950 т/ч, давлением перегретого пара 25,5 МПа (255 кгс/см2) дли твердого топлива и удалением из топки шлака в твердом состоянии. При сжигании других видов топлива вводятся дополнительные обозначения: Г — газовое топливо; М — мазут, ГМ — газ и мазут; К — комбинированное: твердое топливо, газ и мазут; Ж — жидкое шлакоудаление. Например, типоразмер Е-420-140ГМ означает: паровой котел с естественной циркуляцией для сжигания газа и мазута на 420 т/ч пара при, давлении около 14 МПа (140 кгс/см2); Е-420-140Ж — котел с естественной циркуляцией на те же параметры, но для сжигания твердого топлива и удаления шлака в жидком состоянии.

Действуют также заводские обозначения на котлы, в которых сначала записываются завод-изготовитель: Т — Таганрогский котельный завод «Красный котельщик» (ТКЗ), П — Подольский машиностроительный завод им. Орджоникидзе (ЗиО), БКЗ — Барнаульский, котельный завод.

Коэффициент блочности. Повышения качества и ускорения сроков производства и монтажа достигают блочным изготовлением котлов на заводе, в связи с чем размеры блоков должны вписываться в железнодорожные габариты. На монтажной площадке из блоков собирают паровой котел. Коэффициент блочности, под которым понимают отношение массы блоков к полной массе агрегата, достигает 80—90%. Наибольшие трудности возникают при изготовлении блоков каркаса. Блочное производство оказывает влияние на конструкцию котла, так как условия транспорта и монтажа выдвигают ряд особых требований к конструкции блоков.

4. КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ.

4.1. ПАРОВОЙ КОТЕЛ И ЕГО ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Развитие конструкций котлов. Исторически развитие паровых котлов шло в направлении повышения паропроизводительности, параметров производимого пара (давления и температуры), надежности и безопасности в эксплуатации, увеличения экономичности (КПД) и снижения массы металлоконструкций, приходящейся на 1 т вырабатываемого пара.

Исходным типом современных котлов был простой цилиндрический котел (рис. 18.1, а), выполненный в виде горизонтального барабана с топкой под ним. Стенки барабана были одновременно и поверхностью нагрева. В дальнейшем увеличение поверхности нагрева шло по двум направлениям. В одном случае непосредственно в водяном пространстве барабана размещались большие и малые трубы; при этом большие одновременно являлись топкой (котлы с жаровыми трубами), а по малым пропускались продукты сгорания (котлы с дымогарными трубами). В другом случае к барабану присоединялись дополнительные наружные трубные поверхности нагрева — кипятильные пучки, заполненные водой и обогреваемые топочными газами (водотрубные котлы).

Уменьшение диаметра труб этих поверхностей и увеличение их количества вели к росту удельной поверхности нагрева (м2/м3 объема газохода). В котлах этого типа движение среды через кипятильный пучок труб обеспечивалось за счет естественной циркуляции: пароводяная смесь в трубах кипятильного (испарительного) пучка, которая, естественно, легче воды, поднималась вверх, вытесняемая водой, поступающей из барабана по опускным трубам. Чтобы предотвратить образование пароводяной смеси в опускных трубах и уменьшить их сопротивление, увеличивали их диаметр по сравнению с подъемными — кипятильными (рис. 18.1,6) и уменьшали обогрев, располагая их в зоне более низких температур продуктов сгорания (рис. 18.1, в). В дальнейшем опускные трубы вынесли за изоляционную стенку (обмуровку) котла (рис. 18.2). Использование вертикальных трубок в качестве кипятильного пучка (см. рис. 18.1, в) повысило надежность циркуляции пароводяной смеси в них. Котлы этого типа получили название вертикально-водотрубных. Впоследствии вертикальные (подъемные) трубы испарительной поверхности нагрева стали располагать и на стенах топки. Так появились экранные поверхности нагрева. (Название связано с тем, что они, выполняя свою основную функцию в качестве испарительной поверхности, еще и экранируют стены топки от излучения топочного объема, препятствуя налипанию на них размягченного шлака и золы.) Вместо нижних барабанов в качестве коллекторов (рис. 18.2, 18.1,6), объединяющих трубы поверхностей нагрева и являющихся переходными элементами между ними и опускными трубами, в котлах высокого давления используются цилиндрические камеры (трубы) относительно небольшого диаметра. Барабан постепенно перестал играть роль поверхности нагрева. Более того, стремление повысить надежность работы котла явилось причиной выноса барабана из зоны обогрева.

Целесообразность перегрева пара для энергетических установок (см. § 6.4) потребовала размещения специальных поверхностей нагрева — пароперегревателей. Так, к середине XX века оформилась принципиальная схема конструкции барабанного вертикально-водотрубного котла с многократной естественной циркуляцией, имеющего экранированную топку (рис. 18.2).

Устройство современного парового котла. Одна из схем котла с естественной циркуляцией приведена на рис. 18.2. Барабанный паровой котел состоит из топочной камеры и газоходов, барабана, поверхностей нагрева, находящихся под давлением рабочей среды (воды, пароводяной смеси, пара), воздухоподогревателя, соединительных трубопроводов и воздуховодов.

Топливо подается к горелкам 7 (рис. 18.2). К горелкам подводится также воздух, предварительно нагретый уходящими из котла газами в воздухоподогревателе 5. Топливовоздушная смесь, подаваемая горелками в топочную камеру (топку) 8 парового котла, сгорает, образуя высокотемпературный (примерно 1500 °С) факел, излучающий теплоту на трубы 1, расположенные на внутренней поверхности стен топки. Это испарительные поверхности нагрева — экраны. Отдав часть теплоты экранам, топочные газы с температурой около 1000 °С проходят через верхнюю часть заднего экрана, трубы которого здесь разведены в два-три ряда, и омывают пароперегреватель 3. Затем продукты сгорания движутся через водяной экономайзер, воздухоподогреватель и покидают котел с температурой около 110—150°С.

Вода, поступающая в паровой котел, называется питательной. Она подогревается в водяном экономайзере 4, забирая теплоту от продуктов сгорания (уходящих газов), экономя тем самым теплоту сожженого топлива. Испарение воды происходит в экранных трубах 1. Испарительные поверхности подключены к барабану 2 и вместе с опускными трубами 10, соединяющими барабан с нижними коллекторами экранов, образуют циркуляционный контур. В барабане происходит разделение пара и воды, кроме того, большой запас воды в нем повышает надежность работы котла. Сухой насыщенный пар из барабана поступает в пароперегреватель 3, перегретый пар направляется к потребителю.

Все поверхности нагрева котла, в том числе и воздухоподогреватель, как правило, трубчатые. Лишь некоторые мощные паровые котлы имеют воздухоподогреватели иной конструкции.

Нижнюю трапециевидную часть топки котельного агрегата называют холодной воронкой — в ней охлаждается выпадающий из факела частично спекшийся зольный остаток, который в виде шлака проваливается в специальное приемное устройство. Газомазутные котлы не имеют холодной воронки.

Газоход, в котором расположены водяной экономайзер и воздухоподогреватель, называют конвективным (конвективная шахта), в нем теплота передается воде и воздуху в основном конвекцией. Поверхности нагрева, встроенные в этот газоход и называемые также хвостовыми, позволяют снизить температуру продуктов сгорания от 500—700 °С после пароперегревателя почти до 100 ° С, т. е. полнее использовать теплоту сжигаемого топлива.

Вся трубная система и барабан котла поддерживаются каркасом, состоящим из колонн и поперечных балок. Топка и газоходы защищены от наружных теплопотерь обмуровкой — слоем огнеупорных и изоляционных материалов. С наружной стороны обмуровки стенки котла имеют газоплотную обшивку стальным листом с целью предотвращения присосов в топку избыточного воздуха и выбивания наружу запыленных горячих продуктов сгорания, содержащих токсичные компоненты. Для повышения надежности работы котла в ряде случаев движение воды и пароводяной смеси в циркуляционном контуре (барабан — опускные трубы — нижний коллектор — подъемные трубы — барабан) осуществляется принудительно (насосом). Это — котлы с многократной принудительной циркуляцией.

Одними из последних являются конструкции прямоточных котлов с принудительным — при помощи питательного насоса — движением воды, пароводяной смеси и перегретого пара. Для этих агрегатов необходимость в барабане отпадает, и он не устанавливается. По прямоточной схеме работают также практически все водогрейные котлы, не имеющие ни испарительных, ни перегревающих поверхностей. Основные схемы движения потока вода — пароводяная смесь — пар в современных котельных агрегатах показаны на рис. 18.3.

В газоходах и топке котла за счет тяги специально устанавливаемого дымососа поддерживается разрежение. Оно не позволяет продуктам сгорания выбиваться в атмосферу котельного цеха через возможные неплотности обмуровки, через лючки и лазы.

Паровые котлы оснащаются системами дистанционного управления и автоматизации, обеспечивающими надежную, безопасную и экономичную их работу.

На предприятиях страны установлены изготовленные отечественными заводами паровые котлы различных конструкций. Размеры паровых котлов также различны. Некоторые в собранном виде можно перевозить автомобильным транспортом; в то же время крупнейшие котлы тепловых электрических станций имеют высоту до 100 м.

Наиболее крупными из выпускаемых в настоящее время котлов являются энергетические. Их паропроизводительность достигает 4000 т/ч, а мощность питающейся от них турбины может доходить до 1200 МВт, давление пара — до 25 МПа, температура перегретого пара — до 560 °С.

4.2. ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА ПАРОВОГО КОТЛА

Испарительные поверхности. Парогенерирующие (испарительные) поверхности нагрева отличаются друг от друга в котлах различных систем, но, как правило, располагаются в основном в топочной камере и воспринимают теплоту излучения. Это — экранные трубы, а также устанавливаемый на выходе из топки небольших котлов конвективный пучок труб (см. рис. 18.1).

Экраны котлов с естественной циркуляцией, работающих под разрежением в топке, выполняются из гладких труб с внутренним диаметром 40—80 мм. Экраны представляют собой ряд параллельно включенных вертикальных подъемных труб, соединенных между собой коллекторами. Зазор между трубами обычно составляет 4—6 мм. Размеры топки и величину поверхности экранов рассчитывают таким образом, чтобы на выходе из топки температура продуктов сгорания не превышала температуру размягчения золы, иначе зола будет прилипать к деталям котла, расположенным за топкой, и забьет («зашлакует») путь для прохода газа.

Пароперегреватели. Пароперегреватель предназначен для повышения температуры пара, поступающего из испарительной системы котла. Его трубы (диаметром 22—54 мм) могут располагаться на стенах или потолке топки и воспринимать теплоту излучением — радиационный пароперегреватель либо в основном конвекцией — конвективный пароперегреватель. В этом случае трубы пароперегревателя располагаются в горизонтальном газоходе или в начале конвективной шахты.

Температура перегретого пара должна поддерживаться постоянной всегда, независимо от режима работы и нагрузки котлоагрегата, поскольку при ее понижении повышается влажность пара в последних ступенях турбины, а при повышении температуры сверх расчетной появляется опасность чрезмерных термических деформаций и снижения прочности отдельных элементов турбины. Поддерживают температуру пара на постоянном уровне с помощью регулирующих устройств — пароохладителей. Наиболее широко распространены пароохладители впрыскивающего типа, в которых регулирование производится путем впрыскивания обессоленной воды (конденсата) в поток пара. Вода при испарении отнимает часть теплоты у пара и снижает его температуру.

Низкотемпературные поверхности нагрева. Низкотемпературными считаются поверхности, расположенные в конвективном газоходе и работающие при относительно невысоких температурах продуктов сгорания. К ним относятся водяные экономайзеры и воздухоподогреватели. Основная цель их установки — максимальное использование теплоты уходящих из котла газов.

Водяные экономайзеры, предназначенные для подогрева питательной воды, обычно выполняют из стальных труб диаметром 28—38 мм, согнутых в вертикальные змеевики и скомпонованных в пакеты. Трубы в пакетах располагаются в шахматном порядке довольно плотно: расстояние между осями соседних труб поперек потока дымовых газов составляют 2—2,5 диаметра трубы, а между рядами — вдоль потока — 1 — 1,5. Крепление труб змеевиков и их дистанционирование осуществляются опорными стойками, закрепленными в большинстве случаев на полых (для воздушного охлаждения), изолированных со стороны горячих газов балках каркаса (рис. 18.4).

В экономайзере котлов высокого давления до 20 % воды может превращаться в пар.

Общее число параллельно работающих труб выбирается исходя из скорости воды не ниже 0,5—1 м/с. Эти скорости обусловлены необходимостью смывания со стенок труб пузырьков воздуха, способствующих коррозии, и предотвращения расслоения пароводяной смеси, которое может привести к перегреву слабо охлаждаемой паром верхней стенки трубы и ее разрыву. Движение воды в экономайзере обязательно восходящее; в этом случае имеющийся в трубах после монтажа (ремонта) воздух легко вытесняется водой.

Число труб в пакете в горизонтальной плоскости выбирается исходя из скорости продуктов сгорания 6—9 м/с. Скорость эта определяется стремлением, с одной стороны, получить высокие коэффициенты теплоотдачи, а с другой — не допустить чрезмерного эолового износа. Коэффициенты теплопередачи при этих условиях составляют обычно несколько десятков Вт/(м2-К). Для удобства ремонта и очистки труб от наружных загрязнений экономайзер разделяют на пакеты высотой 1 — 1,5м с зазорами между ними до 800 мм.

Наружные загрязнения с поверхности змеевиков удаляются, например, путем периодического включения в работу системы дробеочистки, в которой поток металлической дроби пропускается (падает) сверху вниз через конвективные поверхности нагрева, сбивая налипшие на трубы отложения. Налипание золы может быть следствием выпадения рось! из дымовых газов на относительно холодной поверхности труб, особенно при сжигании сернистых топлив (пары H2SOs конденсируются при более высокой температуре, чем HsO). В теплоэнергетических установках питательная вода перед поступлением в котел обязательно подвергается регенеративному подогреву (см. §6.4), поэтому ни налипания золы, ни наружной коррозии (ржавления) труб вследствие выпадения росы в экономайзерах таких котлов не бывает.

Верхние ряды труб экономайзера при работе котла на твердом топливе даже при относительно невысоких скоростях газов подвержены заметному износу золой. Для его предотвращения на эти трубы крепятся различного рода защитные накладки (обычно сверху вдоль трубы приваривают уголок).

Воздухоподогреватели. Поскольку питательная вода перед экономайзером энергетических котлов имеет высокую температуру tn „ после регенеративного нагрева (при р= 10 МПа, например, tn B = 230 °С), глубоко охладить уходящие из котла газы с ее помощью нельзя. Для дальнейшего охлаждения газов после экономайзера ставят воздухоподогреватель, в котором нагревают воздух, забираемый из атмосферы и идущий затем в топку на горение. При сжигании влажного угля нагретый воздух предварительно используется для его сушки в углеразмольном устройстве и транспортировки полученной пыли в горелку.

По принципу действия воздухоподогреватели разделяются на рекуперативные и регенеративные. Рекуперативные — это, как правило, стальные трубчатые воздухоподогреватели (диаметр трубок 30—40мм). Схема такого подогревателя приведена на рис. 18.5. Трубки в нем расположены обычно вертикально, внутри них движутся продукты сгорания; воздух омывает их поперечным потоком в несколько ходов, организуемых за счет перепускных воздуховодов (коробов) и промежуточных перегородок.

Газ в трубках движется со скоростью 9—13м/с, воздух между трубками— вдвое медленнее. Это позволяет иметь примерно равные коэффициенты теплоотдачи с обеих сторон стенки трубы.

Температуру стенок труб воздухоподогревателя во избежание конденсации на них водяных паров из уходящих газов желательно поддерживать выше точки росы. Этого можно достичь предварительным подогревом воздуха в паровом калорифере либо рециркуляцией части горячего воздуха.

Регенеративный воздухоподогреватель котла (рис. 18.6) представляет собой медленно вращающийся (3—5 об/мин) барабан (ротор) с набивкой (насадкой) из гофрированных тонких стальных листов, заключенный в неподвижный корпус. Секторными плитами корпус разделен на две части — воздушную и газовую. При вращении ротора набивка попеременно пересекает то газовый, то воздушный поток. Несмотря на то что набивка работает в нестационарном режиме, подогрев идущего сплошным потоком воздуха осуществляется непрерывно без колебаний температуры. Движение газов и воздуха — противоточное.

Регенеративный воздухоподогреватель отличается компактностью (до 250 м2 поверхности нагрева в 1 м3 набивки); он широко распространен на мощных энергетических котлоагрегатах. Недостатком его являются большие (до 10 %) перетоки воздуха в тракт газов, что ведет к перегрузкам дутьевых вентиляторов и дымососов и увеличению потерь теплоты с уходящими газами.

Все описанные тепловоспринимаю-щие элементы котла (поверхности нагрева) являются типичными теплообменниками, и расчет их ведется по формулам, приведенным в гл. 14. Поверхность нагрева рассчитывается по уравнению теплопередачи

(18.1)

где k — коэффициент теплопередачи; tср — среднелогарифмическая разность температур продуктов сгорания и рабочей среды; BPQ — количество воспринятой теплоты.

Особенность расчета котлов состоит в том, что его принято осуществлять для 1 кг твердого и жидкого и 1 м3 газообразного топлива. В этом случае Q — теплота, отданная продуктами сгорания 1 кг (м3) топлива и равна разности энтальпий продуктов сгорания до (Н') и после (Н") рассматриваемой конвективной поверхности, т. е.

Q = H'-H". (18.2)

Под Вр понимается расчетный расход топлива, т. е. его количество, действительно сгоревшее в топке. Это же количество теплоты передается в данной поверхности рабочему телу (воде, пару, воздуху):

BpQ=D(hвых-hвх) (18-3)

В этой формуле D — расход рабочего тела; hвх и hвых — энтальпии рабочего тела на входе в поверхность нагрева и выходе из нее, рассчитанные, как обычно, на 1 кг рабочего тела.

4.3. КОНСТРУКЦИИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ.

Барабанные котлы с естественной циркуляцией. На рис. 18.7 изображены газомазутный котел марки ТГМ-84Б производительностью 420 т/ч при давлении вырабатываемого пара 13,7 МПа (140 кгс/см2) и температуре 560 °С. Этот котел имеет сравнительно небольшие размеры (высота до оси барабана всего 28,7м). Топка котла разделена на две симметричные камеры (полутопки) вертикальным, воспринимающим излучение с двух сторон (двусветным) экраном. Первая ступень пароперегревателя этого котла выполнена из трубных панелей, расположенных по всей высоте фронтовой стены обеих полутопок, и является фронтовым экраном Потолок также закрыт сплошным рядом труб, образующих потолочный экран. Это — вторая часть пароперегревателя (радиационный потолочный пароперегреватель). Третьей ступенью пароперегревателя являются разреженные пакеты вертикальных змеевиков, так называемые ширмы, расположенные отчасти в топке и воспринимающие излучением от горячих топочных газов значительную часть теплоты. Последняя ступень — горизонтальные пакеты труб в конвективном газоходе (конвективный пароперегреватель). В результате радиацией передается до 60 % всей теплоты, воспринимаемой пароперегревателем.

Боковые экраны в нижней части имеют слабо наклоненные скаты к середине топки, образующие под. Во избежание перегрева обращенной к топке поверхности почти горизонтальных подовых труб при возможном расслоении в них пароводяной смеси эти трубы имеют защитную обмуровку со стороны топки. В настоящее время этот котел снабжается либо четырьмя, либо шестью горелками большой производительности. Малое число горелок упрощает обслуживание и ремонт котла.

Интересно крепление змеевиков конвективного пароперегревателя. Пакеты змеевиков опираются на стальные камеры (трубы), служащие опорными балками. Сами камеры охлаждаются прокачиваемой через них питательной водой.

Вся экранная система испарительных и пароперегревательных труб имеет возможность свободно удлиняться вниз.

Для удаления с поверхности труб конвективной шахты отложений, образующихся при сжигании мазута, используется система дробеочистки. Поднимаемая пневмотранспортным устройством чугунная дробь выбрасывается затем в конвективную шахту и, падая, сбивает с труб накопившиеся отложения, которые уносятся затем дымовыми газами.

Вращающийся регенеративный воздухоподогреватель устанавливается на индивидуальной опорной конструкции на некотором расстоянии от котла.

Расход топлива котельным агрегатом — примерно 29 000 кг/ч мазута или 30 000 м3/ч природного газа. Температура питательной воды 230 °С; КПД котла 92,5 %; температура горячего (после воздухоподогревателя) воздуха — около 300 °С; температура уходящих газов при работе на мазуте 130 °С, при работе на природном газе 120 °С.

Основным типом паровых котлов малой производительности, широко распространенных в различных отраслях промышленности, на транспорте, в коммунальном и сельском хозяйстве (пар используется для технологических и отопительно-вентиляционных нужд), а также на электростанциях малой мощности, являются вертикально-водотрубные котлы ДКВР производства Бийского котельного завода. Котлы этого типа выпускаются производительностью от 2,5 до 20 т/ч насыщенного или перегретого пара при давлении 1,4; 2,35 и 3,9 МПа и температуре до 440 °С. Котлы ДКВР являются унифицированными транспортабельными и поставляются заказчику: малые — в собранном виде; повышенной производительности — тремя крупными блоками.

ДКВР (рис. 18.8) —двухбарабанные котлы с естественной циркуляцией и экранированной топочной камерой. Барабаны расположены вдоль оси котла, между ними размещен коридорный пучок кипятильных труб Движение топочных газов — горизонтальное с поперечным смыванием труб и поворотами. Повороты топочных газов обеспечиваются установкой перегородок, первая из которых выполнена из шамотного кирпича, вторая — из чугуна. Боковые экранные трубы верхними концами закреплены в верхнем барабане, нижние концы экранных труб приварены к нижним коллекторам. Передние опускные трубы, расположенные в обмуровке, являются также дополнительной опорой верхнего барабана. Пароперегреватель, если он имеется, размещается вместо части труб кипятильного пучка (обычно первого газохода). Вход пара в пароперегреватель — непосредственно из барабана, выход — в коллектор, расположенный над перекрытием топки.

Температура уходящих из котла газов может достигать 400 °С. Поэтому за котлом часто устанавливают водяной экономайзер либо трубчатый воздухоподогреватель. Это позволяет поднять КПД котла до 90,5 %.

Водогрейные котлы. Водогрейные котлы предназначены для нагрева воды с целью отопления и использования ее для бытовых нужд. Обычно воду тепловой сети подогревают от 70—104 до

150—170 °С. В последнее время имеется тенденция к повышению ее температуры до 180—220 °С. Столь высокий уровень нагрева воды позволяет передать потребителю достаточно большое количество теплоты относительно малым расходом воды. Котлы обычно работают по прямоточной схеме с постоянным расходом воды, а количество передаваемой теплоты регулируется (в зависимости от погодных условий) температурой ее нагрева

Во избежание конденсации водяных паров из уходящих газов и связанной с этим наружной коррозии поверхностей нагрева температура воды на входе в котел должна быть выше точки росы для продуктов сгорания. В этом случае температура стенок труб в месте ввода воды также будет не ниже точки росы Поэтому температура воды на входе не должна быть ниже 60 °С при работе на природном газе, 70 °С при работе на малосернистом мазуте и 110°С при использовании высокосернистого мазута Поскольку в теплосети вода может охлаждаться до температуры ниже 60 °С, перед входом в агрегат к ней подмешивается некоторое количество уже нагретой в котле (прямой) воды.

На рис. 18.9 изображен общий вид газомазутного водогрейного котла типа ПТВМ-ЗОМ-4 теплопроизводительностью при работе на мазуте 41 МВт (35 Гкал/ч), хорошо зарекомендовавшего себя в эксплуатации. Котел имеет П-образную компоновку и оборудован шестью газомазутными горелками (по три на каждой боковой стене) с мазутными форсунками механического распыливания Топочная камера котла полностью экранирована трубами диаметром 60 мм. Конвективная поверхность нагрева выполнена из горизонтальных труб диаметром 28 мм Конвективная шахта также экранирована. Облегченная обмуровка котла крепится непосредственно на трубы, опирающиеся, в свою очередь, на каркасную раму. Котлы этого типа, предназначенные для работы на мазуте, оборудуются дробеочистительной установкой.

Циркуляционная схема котла приведена на рис. 18.10. Вода подводится к фронтовому экрану топочной камеры, выводится — из бокового экрана топки.

Котлы-утилизаторы. Для использования теплоты отходящих газов различных технологических установок, в том числе и печей, применяются котлы-утилизаторы, вырабатывающие, как правило, пар. При высоких температурах газов (более 900 °С) эти котлы снабжаются радиационными (экранными) поверхностями нагрева и имеют такую же компоновку, как и обычный паровой котел, только вместо топки — радиационная камера, в которую снизу входят газы. Воздухоподогреватель отсутствует, если нет необходимости в горячем воздухе для нужд производства. Газы сначала охлаждаются в радиационной камере, как в топке «обычного» котла. Большой свободный объем этой камеры позволяет иметь повышенную толщину излучающего слоя и, как следствие, повышенную степень черноты газов. Поэтому здесь преобладает передача теплоты излучением.

Первичное охлаждение газов в свободном от змеевиков объеме необходимо для затвердевания уносимых из печи расплавленных частиц шлака или технологического продукта до того, как они прилипнут к холодным змеевикам и затвердеют на них.

Если отходящий из технологических установок газ не содержит горючих компонентов, то такой котел горелочных устройств не имеет Эти котлы работают с естественной или принудительной циркуляцией и имеют практически все детали описанных выше котельных агрегатов.

При конструировании котлов, использующих тепловые отходы, следует учитывать содержащиеся в греющих газах агрессивные компоненты, например сернистые газы, поступающие из печей обжига серосодержащего сырья. При наличии в подводимых к котлу технологических газах горючих составляющих организуется их предварительное дожигание в радиационной камере, которая в этом случае фактически превращается в топку.

При температурах газов ниже 900 °С в котлах-утилизаторах обычно используются только конвективные поверхности нагрева. Эти агрегаты радиационной камеры не имеют, а целиком выполняются из змеевиков.

Так, в настоящее время выпускается серия унифицированных котлов типа К.У (КУ-125; КУ-ЮО-1; КУ-80-3, КУ-60-2), устанавливаемых за печами заводов черной металлургии. Первая цифра в маркировке означает максимальный часовой расход газов через котел (тыс. м3 при нормальных условиях). Температура газов на входе 650—850 °С. Параметры вырабатываемого пара: давление 1,8— 4,5 МПа и температура 365—385 °С. Паропроизводительность котла КУ-125, например, составляет 27—41 т/ч. Все котлы этой серии, как и большинство других змеевиковых утилизаторов, работают с многократной принудительной циркуляцией воды через испарительные поверхности (рис. 18.11). Вода, подогретая в водяном экономайзере 5, подается в барабан 3, откуда забирается циркуляционным насосом 2 и прокачивается через испарительные змеевики 4. Затем пароводяная смесь возвращается в барабан, где пар отделяется от воды. Вода вновь направляется в циркуляционный насос, а отсепарированный пар — в пароперегреватель 1, который установлен в зоне повышенной температуры газов.

4.4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПАРОВОГО КОТЛА.

Тепловой баланс котла, как и любого теплотехнического агрегата, характеризуется равенством между количествами подведенной (располагаемой) и расходуемой теплоты: Qприх = Qрасх Обычно тепловой баланс составляют на единицу количества сжигаемого топлива 1 кг твердого или жидкого, либо 1 м3 газообразного топлива, взятый при нормальных условиях. С учетом этого и пренебрегая физической теплотой топлива и холодного воздуха, можно считать

Qприх~Qi (18.4)

Здесь Qrt — низшая теплота сгорания единицы топлива в рабочем состоянии.

Часть теплоты, затрачиваемая на подогрев, испарение воды и перегрев пара, составляет использованную теплоту Qiостальное — потери. В итоге уравнение теплового баланса котла будет иметь вид

(18.5)

где Q2, Q3, Q4, Q5 — потери теплоты соответственно с уходящими газами, от химической неполноты сгорания топлива, от механического недожога, через ограждения топки и конвективных газоходов.

В процентах от располагаемой теплоты Q[ тепловой баланс может быть записан так (см. § 17.1):

100 = q1+q2+q3+q4+Q5 (18.6)

Тепловой баланс парового котла с обозначением основных составляющих приходной и расходной частей приведен на схеме рис. 18.12. Замкнутый контур на рисунке представляет теплоту горячего воздуха Qr в, забираемую от продуктов сгорания при относительно низкой температуре и передаваемую в топку.

Доля теплоты, использованной в котельном агрегате (переданной воде и пару) , есть коэффициент полезного действия котла брутто т)к (так называют КПД, подсчитанный без учета затрат энергии на собственные нужды).

Таким образом,

(18.7)

или

(18.8)

Теплота Q1 воспринятая водой и паром в котле, может быть определена из уравнения

(18.9)

Здесь hne и hnb — энтальпии перегретого пара и питательной воды.

Рассматривая выражение (18.9) совместно с (18.7), нетрудно получить формулу для расчета расхода топлива, В:

(18.10)

Величина г|к взята здесь в долях единицы.

По формуле (18.7) КПД котла подсчитывают по данным балансовых испытаний (прямой баланс), позволяющих точно измерить расход топлива в установившемся (стационарном) режиме работы. Поэтому испытанию котла должна предшествовать длительная его работа с постоянной нагрузкой, при которой и проводится испытание. Формула (18.8), называемая формулой обратного баланса, используется в расчетах проектируемого котла. При этом каждая из составляющих q, принимается по рекомендациям [16], разработанным на основе многократных испытаний Котлов в условиях, аналогичных проектным. Эта формула используется также в случаях, когда не представляется возможным точно замерить расход топлива. Современные котлы являются довольно совершенными агрегатами; их КПД превышает 90%.

5. Паровые и газовые турбины.

5.1. ДЕЙСТВИЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА НА ЛОПАТКИ

Турбомашина (турбина) является двигателем, в котором теплота рабочего тела — пара или газа — последовательно преобразуется в кинетическую энергию струи, а затем в механическую работу.

Вытекающий из сопла поток рабочего тела, обладающий значительной кинетической энергией, действует на лопатки с силой, которая зависит от формы их поверхности (рис. 20.1).

Расчеты по уравнению количества движения показывают, что при прочих равных условиях, например при заданной скорости истечения со и расходе рабочего тела /п, с наибольшей силой поток будет воздействовать на лопатку, форма которой обеспечивает его поворот на 180° (рис. 20.1, б). Если позволить лопаткам перемещаться под действием струи, то движение газа по схеме (рис. 20.1, б) обеспечит при одинаковой во всех схемах скорости и наибольшую мощность, равную произведению действующей на лопатку силы на скорость ее перемещения. Отсюда, в частности, следует, что для получения максимальной работы поток должен не ударяться о поверхность, а обтекать ее плавно, без завихрений.

Но использовать наиболее выгодный (с точки зрения получения максимальной мощности) профиль лопаток для теплового двигателя непрерывного действия, например турбомашины, невозможно, так как практически не удается при вращательном движении диска с лопатками подать на них газ в направлении, совпадающем с плоскостью вращения. Поэтому в турбинах струя газа, вытекающего из неподвижного сопла, подается на лопатки, изогнутые под некоторым углом к плоскости вращения (рис. 20.1, в), причем по конструктивным соображениям этот угол не удается сделать меньше 11 —16° (в ряде случаев его принимают равным 20—30°).

Рассмотренный принцип действия потока на поверхности различных форм называется активным, в отличие от реактивного, когда сила создается за счет реакции струи, вытекающей из сопла (рис. 20.1, г). Реактивная сила, приложенная к цилиндру, направлена согласно третьему закону Ньютона в сторону, противоположную истечению газов. С такой же силой действует струя на поверхность (активный принцип, рис. 20.1, а), но при реактивном способе конструкция теплового двигателя получается более рациональной, так как совмещаются сопловой и двигательный аппараты.

5.2. АКТИВНЫЕ ТУРБИНЫ

Турбины, в которых весь располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока в соплах, а в каналах между рабочими лопатками расширения не происходит (давление рабочего тела не меняется), называются активными или турбинами равного давления.

В простейшей активной турбине рабочее тело поступает в сопло / (или группу сопл), разгоняется в нем до высокой скорости и направляется на рабочие лопатки 2 (рис. 20.2). Усилия, вызванные поворотом струи в каналах рабочих лопаток (см. рис. 20.1, в), вращают диск 3 и связанный с ним вал 4. Диск с закрепленными на нем рабочими лопатками и валом называется ротором. Один ряд сопл и один диск с рабочими лопатками составляют ступень.

Приращение кинетической энергии на выходе из сопла можно определить по формуле (5.11):

(20.1)

где Со, ho — скорость и энтальпия потока перед соплом; c\^, h\T — теоретическая скорость и энтальпия потока на выходе из сопла.

Если принять, что перед соплами скорость со = 0, получим

(20.2)

где А/гт — располагаемый теплоперепад, соответствующий скорости cit.

В реальных условиях в результате трения и завихрений при течении потока часть кинетической энергии направленного движения молекул превращается в энергию неупорядоченного движения молекул, что повышает энтальпию рабочего тела за соплом, уменьшает располагаемый теплоперепад и скорость потока:

(20.3)

где с — коэффициент скорости сопла, для сопловых аппаратов современных турбин с = 0,95 — 0,98.

На лопатках рабочего колеса кинетическая энергия потока преобразуется в работу. При входе на лопатку окружная составляющая скорости потока совпадает с направлением движения лопатки, а при выходе — противоположна ей (рис. 20.2). Поэтому абсолютная скорость потока на выходе много меньше, чем на входе.

Движущийся поток действует на рабочие лопатки с силой Р. Проекция этой силы на ось машины Рг (осевая сила) воспринимается упорными подшипниками, предотвращающими смещение ротора вдоль оси, а проекция на направление окружной скорости Ри (окружная сила) вызывает вращение ротора

Одноступенчатая активная турбина была построена Лавалем в 1883г. (рис. 20.3).

Пар поступает в одно или несколько сопл 4, приобретает в них значительную скорость и направляется на рабочие лопатки 5. Отработанный пар удаляется через выхлопной патрубок 8. Ротор турбины, состоящий из диска 3, закрепленных на нем лопаток и вала 1, заключен в корпус 6. В месте прохода вала через корпус установлены переднее 2 и заднее 7 лабиринтовые уплотнения, предотвращающие утечки пара. Так как весь располагаемый теплоперепад срабатывается в одной ступени, то скорости потока в соплах оказываются большими. При расширении, например, перегретого пара, имеющего параметры 1 МПа и 500 °С, до давления 10 кПа теплоперепад округленно равен 980 кДж/кг, что соответствует скорости потока 1400 м/с. При таких скоростях потока неизбежны большие потери и, самое главное, недопустимые по условиям прочности лопаток окружные скорости в них. Поэтому одноступенчатые турбины Лаваля имеют ограниченную мощность (до 1 МВт) и низкий КПД. Все крупные турбины делают многоступенчатыми. На рис. 20.4 показана схема активной многоступенчатой турбины, которая включает несколько последовательно расположенных по ходу пара ступеней, сидящих на одном валу. Ступени отделены друг от друга диафрагмами, в которые встроены сопла.

В таких турбинах давление падает при проходе пара через сопла и остается постоянным на рабочих лопатках. Абсолютная скорость пара в ступени, называемой ступенью давления, то возрастает — в соплах, то снижается — на рабочих лопатках. Так как объем пара по мере его расширения увеличивается, то геометрические размеры проточной части по ходу пара возрастают. Если общий телоперепад (h0-hвых) распределить поровну между 2 ступенями давления, то скорость истечения пара из сопл каждой ступени, м/с, Отсюда следует, что применением ступеней давления можно достичь умеренных значений с1, обеспечив высокий КПД.

5.3. РЕАКТИВНЫЕ ТУРБИНЫ

Первая модель двигателя, использующего реактивную силу, была построена Героном Александрийским за 120 лет до н э (рис. 20.5).

При истечении пара из сопл здесь возникают реактивные силы, вращающие систему против часовой стрелки. Ступень турбины, по модели Герона, представляла бы собой вращающийся диск с соплами, к которым необходимо организовать непрерывный подвод рабочего тела. Ввиду сложности конструирования таких ступеней, а тем более многоступенчатых турбин, чисто реактивные турбины не создавались Реактивный принцип нашел широкое применение лишь в реактивных двигателях летательных аппаратов (ракет, самолетов и др.).

Практически реактивными называются турбины, у которых располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока не только в соплах, но и на рабочих лопатках.

Отношение теплоперепада на рабочих лопатках hл к располагаемому теплоперепаду hт называется степенью реактивности:

=hл/hт (20.4)

При Q = 0 (чисто активная ступень) весь располагаемый теплоперепад, а следовательно, и перепад давлений срабатывается в сопловом аппарате, превращаясь в скоростной напор. Именно такая ступень рассмотрена на рис. 20.2, 20.3. При Q=l (чисто реактивная ступень) весь располагаемый теплоперепад срабатывался бы на рабочих лопатках.Современные мощные турбины выполняют многоступенчатыми с определенной степенью реактивности, чаще и на рабочих лопатках. Ступень срабатывает лишь часть общего перепада давления на турбине, и при большом их числе разность давлений в отдельной ступени получается небольшой, а скорости потока — умеренными. При степени реактивности и = 0,5 сопловые и рабочие лопатки имеют одинаковую форму. Более того, один и тот же профиль лопаток может быть использован во всех ступенях турбины, и только длина лопаток изменяется в соответствии с увеличением объема рабочего вещества по мере понижения давления. Это удобно с точки зрения их изготовления.

На левой половине рисунка 20.6 показан корпус или цилиндр высокого давления (ЦВД) конденсационной трехкорпусной трубины мощностью 300 МВт на сверхкритические параметры пара с промежуточным перегревом пара до 565 °С. ЦВД представляет собой двухстенную литую конструкцию. Пар сначала поступает в сопловую коробку 4, расположенную во внутреннем корпусе 3, проходит через ступень 6 с двумя лопатками и пять ступеней давления справа налево Выходя из внутреннего корпуса, пар поворачивается на 180°, проходит между внутренним и наружным / корпусами и поступает далее на шесть ступеней давления При этом он омывает и охлаждает внутренний корпус, а также частично разгружает его стенки, испытывающие внутреннее давление Во внутреннем корпусе диафрагмы 2 крепятся непосредственно в стенке, а в наружном — в промежуточных обоймах 5 Обоймы позволяют организовать отборы пара для регенерации

После промежуточного перегрева в котле пар с параметрами 3,53 МПа и 565 °С поступает в корпус среднего, а затем низкого давления (справа)

5.4. МОЩНОСТЬ И КПД ТУРБИНЫ

Работа турбины как теплового двигателя характеризуется внутренней (индикаторной) мощностью, развиваемой лопатками, и эффективной (на валу) мощностью

Эффективная мощность Ne меньше внутренней Ni на значение механических потерь (в подшипниках, на привод вспомогательных механизмов и т д ) Внутренняя мощность Ni меньше мощности N0, которую развивала бы идеальная турбина, на значение внутренних потерь (от трения и завихрения в каналах, от перетечек пара в зазорах помимо сопл и т. д.)

Внутренний относительный КПД учитывает внутренние потери турбины и определяется отношением

(20.5)

Механические потери оцениваются механическим КПД:

(20.6)

Для большинства современных турбин [14] oi = 0,70,88; мех = 0,990,995.

5.5. КЛАССИФИКАЦИЯ ТУРБИН

Турбины паровые стационарные для привода турбогенераторов (ГОСТ 3618— 82) выпускаются мощностью от 2,5 до 1600 МВт на параметры свежего пара ро = 3,423,5 МПа и to = 435565 °С.

Турбины изготовляются следующих типов: конденсационные (К), конденсационные с отопительным (теплофикационным) отбором пара с давлением отбора 0,18 МПа (Т), с производственным отбором пара для промышленного потребления (П), с двумя регулируемыми отборами пара (ПТ), с противодавлением (Р), с производственным отбором и противодавлением (ПР) и теплофикационные с противодавлением и отопительным отбором пара (ТР).В обозначении после буквы (тип турбины) приводится ее номинальная мощность в МВт, а затем номинальное давление пара (перед стопорным клапаном турбины) в кгс/см2. Для турбин П и ПТ в обозначении давления под чертой отмечается номинальное давление производственного отбора или противодавления турбины в кгс/см2.

Пример. Турбина номинальной мощностью 60 МВт на начальное давление 12,74 МПа (130 кгс/см2) с двумя регулируемыми отборами пара — производственным 1,274 МПа (13 кгс/см2) и теплофикационным отбором обозначается ПТ-60-130/13.

Мощные конденсационные турбины типа К характеризуются тем, что почти весь пар, пройдя через турбину, направляется в конденсатор и выделяющаяся при конденсации теплота полностью теряется. Из нескольких промежуточных ступеней турбины часть пара отбирается для регенеративного подогрева питательной воды, повышающего, как показано в § 6.4, термический КПД цикла. Таких отборов, называемых нерегулируемыми (давление отбора колеблется при изменении нагрузки), может быть от двух до девяти.

В конденсационных турбинах типа Т, предназначенных для совместной выработки электроэнергии и теплоты, пар в количестве, значительно большем, чем на регенерацию, отбирается на теплофикацию, а оставшийся, пройдя последние ступени турбины, направляется в конденсатор. Давление пара, отбираемого на теплофикацию, поддерживается постоянным, отсюда отбор называют регулируемым.

Турбины типа П отличаются от турбин типа Т лишь тем, что пар из них отбирается для промышленного потребления и имеет более высокие параметры. Промышленный отбор также является регулируемым, так как потребители требуют постоянного давления.

Турбины типа Р отличаются от всех предыдущих типов тем, что после них отсутствует конденсатор и весь отработавший пар идет на отопление или производственные нужды.

Турбинами с противодавлением являются также предвключенные турбины, после которых пар используется в турбинах среднего давления. Такие турбины применяют и для «надстройки» турбинного оборудования электрических станций при переводе их на пар более высоких параметров с целью повышения экономичности.

При расширении пара в многоступенчатых турбинах удельный объем его от ступени к ступени возрастает, вызывая увеличение общего объема пара, проходящего через проточную часть турбины. Например, пар, входя в турбину с давлением 2,85 МПа и температурой 400 °С, имеет удельный объем, равный 0,103 м3/кг, а при выходе из турбины в конденсатор, где давление пара 4 кПа и влажность 12 %, удельный объем составляет уже 31 мэ/кг, т. е. в 300 раз больше. Для пропуска возрастающего объема пара приходится увеличивать живое сечение сопл и лопаточных кана-

лов Но с увеличением высоты лопаток и диаметра дисков возрастают окружные скорости их движения, превышать которые по условиям прочности сверх допустимых (н = 350-=-400 м/с) нельзя. Так как наибольшую высоту имеют лопатки последних ступеней, то именно их пропускная способность по пару лимитирует предельную мощность турбины

В настоящее время предельная мощность однопоточной конденсационной турбины на высокое давление не превышает 50 МВт.

5.6. КОНДЕНСАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА ПАРОВЫХ ТУРБИН

Конденсационная установка предназначена для создания за паровой турбиной 1(рис. 20.7) разрежения (вакуума) с целью увеличения используемого теплоперепада и повышения термического КПД паротурбинной установки. В конденсационную установку входят конденсатор 2, циркуляционный 3 и конденсатный 4 насосы, а также устройство для отсасывания воздуха из конденсатора 5 (обычно это паровой эжектор). Отработавший пар поступает в конденсатор сверху. Соприкасаясь с поверхностью трубок, внутри которых протекает охлаждающая вода, пар конденсируется. Конденсат стекает вниз и из сборника конденсационным насосом подается в поверхностные холодильники парового эжектора, а оттуда через систему регенеративных подогревателей поступает в паровой котел.

Абсолютное давление пара в конденсаторах поддерживается в пределах 3—7кПа. Теоретически абсолютное давление в конденсаторе должно быть равно давлению насыщенного пара, соответствующему конечной температуре охлаждающей воды. Однако в действительности в конденсатор вместе с водяными парами поступает некоторое количество воздуха. Кроме того, воздух проникает через неплотности во фланцевых соединениях конденсатора и трубопроводов, поэтому давление в конденсаторе равно сумме парциальных давлений водяного пара и воздуха. Скопления воздуха ухудшают вакуум в конденсаторе, т е. увеличивают давление пара за турбиной, что снижает КПД цикла. Поэтому воздух необходимо постоянно удалять, для чего служат эжекторы. В паротурбинных установках применяются одно-, двух- и трехступенчатые эжекторы Схема одноступенчатого эжектора показана на рис. 20.8. В рабочее сопло подается свежий пар. Вытекающая из него струя, обладая большой кинетической энергией, увлекает за собой воздух с некоторым количеством пара из конденсатора. 8 диффузоре кинетическая энергия паровоздушной смеси преобразуется в энергию давления, поэтому пар из паровоз душной смеси конденсируется в холодильнике, а насыщенный паром воздух выбрасывается в атмосферу.

5.7. ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ (ГТУ)

Рабочий процесс ГТУ. В современных ГТУ используется цикл со сгоранием при р = const (рис. 6.5).

В состав ГТУ обычно входят камера сгорания, газовая турбина, воздушный компрессор, теплообменные аппараты различного назначения (воздухоохладители, маслоохладители системы смазки, регенеративные теплообменники) и вспомогательные устройства (маслонасосы, элементы водоснабжения и др.).

Рабочим телом ГТУ служат продукты сгорания топлива, в качестве которого используется природный газ, хорошо очищенные искусственные газы (доменный, коксовый, генераторный) и специальное газотурбинное жидкое топливо (прошедшее обработку дизельное моторное и соляровое масло).

Подготовка рабочей смеси производится в камере сгорания. Огневой объем камеры (рис. 20.9) разделяется на зону горения, где происходит сгорание топлива при температуре порядка 2000 °С, и зону смешения, где к продуктам сгорания подмешивают воздух для снижения их температуры до 750—1090 °С в стационарных турбинах и до 1400 °С — в авиационных турбинах.

Принцип работы газовой и паровой турбин одинаков, но конструкция проточной части газовых турбин значительно проще. Они работают на относительно небольшом располагаемом теплоперепаде и поэтому имеют небольшое число ступеней.

В связи с высокой температурой продуктов сгорания детали проточной части турбин (сопла, рабочие лопатки, диски, валы) изготавливают из легированных высококачественных сталей. Для надежной работы у большинства турбин предусмотрено интенсивное охлаждение наиболее нагруженных деталей корпуса и ротора.

В реальных условиях все процессы в ГТУ являются неравновесными, что связано с потерями работы в турбине и компрессоре, а также с аэродинамическими сопротивлениями в тракте ГТУ. На рис. 20.10 действительный процесс сжатия в компрессоре изображен линией 1—2, а процесс расширения в турбине — линией 3—4. Точками 2а и 4а отмечено состояние рабочего тела соответственно в конце равновесного адиабатного сжатия и расширения, точкой О — параметры окружающей среды. Ввиду потерь давления во всасывающем тракте компрессора (линия 01) процесс сжатия начинается в точке1.

Таким образом, на сжатие воздуха в реальном цикле затрачивается большая работа, а при расширении газа в турбине получается меньшая работа по сравнению с идеальным циклом. КПД цикла получается ниже. Чем больше степень повышения давления (т. е. выше р2), тем больше сумма этих потерь по сравнению с полезной работой. При определенном значении (оно тем выше, чем больше Тз и внутренний относительный КПД турбины и компрессора, т. е. меньше потери в них) работа турбины может стать равной работе, затраченной на привод компрессора, а полезная работа — нулю.

Поэтому наибольшая эффективность реального цикла, в отличие от идеального, достигается при определенной (оптимальной) степени повышения давления, причем каждому значению Тз соответствует свое опт (рис. 20.11). КПД простейших ГТУ не превышает 14—18 %, и с целью его повышения ГТУ выполняют с несколькими ступенями подвода теплоты и промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха, а также с регенеративным подогревом сжатого воздуха отработавшими газами после турбины, приближая тем самым реальный цикл к циклу Карно.

ГТУ с утилизацией теплоты уходящих газов. Теплоту уходящих из ГТУ газов можно использовать для получения пара и горячей воды в обычных теплообменниках. Так, установки ГТ-25-700 ЛМЗ снабжены подогревателями, нагревающими воду в системе отопления до 150—160 °С.

Вместе с тем сравнительно высокий уровень коэффициента избытка воздуха в ГТУ позволяет сжигать достаточно большое количество дополнительного топлива в среде продуктов сгорания. В результате из дополнительной камеры сгорания после ГТУ выходят газы с достаточно высокой температурой, пригодные для получения пара энергетических параметров в специально устанавливаемом для этой цели парогенераторе. На Кармановской ГРЭС по такой схеме строится котел к блоку электрической мощностью 500 МВт.

Применение ГТУ. В последние годы ГТУ широко используются в различных областях: на транспорте, в энергетике, для привода стационарных установок и др.

Энергетические ГТУ. Газовая турбина меньше и легче паровой, поэтому при пуске она прогревается до рабочих температур значительно быстрее. Камера сгорания выводится на режим практически мгновенно, в отличие от парового котла, который требует медленного длительного (многие часы и даже десятки часов) прогрева во избежание аварии из-за неравномерных тепловых удлинений, особенно массивного барабана диаметром до 1,5 м, длиной до 15 м, с толщиной стенки выше 100 мм.

Поэтому ГТУ применяют прежде всего для покрытия пиковых нагрузок и в качестве аварийного резерва для собственных нужд крупных энергосистем, когда надо очень быстро включить агрегат в работу. Меньший КПД ГТУ по сравнению с ПСУ в этом случае роли не играет, так как установки работают в течение небольших отрезков времени. Для таких ГТУ характерны частые пуски (до 1000 в год) при относительно малом числе часов использования (от 100 до 1500ч/год). Диапазон единичных мощностей таких ГТУ составляет от 1 до 100 МВт.

ГТУ применяются также для привода электрогенератора и получения электроэнергии в передвижных установках (например, на морских судах). Такие ГТУ обычно работают в диапазоне нагрузок 30—110% номинальной, с частыми пусками и остановками. Единичные мощности таких ГТУ составляют от десятков киловатт до 10МВт. Быстрое развитие атомных энергетических установок с реакторами, охлаждаемыми, например, гелием, открывает перспективу применения в них одноконтурных ГТУ, работающих по замкнутому циклу (рабочее тело не покидает установку).

Специфическую группу энергетических ГТУ составляют установки, работающие в технологических схемах химических, нефтеперерабатывающих, металлургических и других комбинатов (энерготехнологические). Они работают в базовом режиме нагрузки и предназначены чаще всего для привода компрессора, обеспечивающего технологический процесс сжатым воздухом или газом за счет энергии расширения газов, образующихся в результате самого технологического процесса.

Приводные ГТУ широко используются для привода центробежных нагнетателей природного газа на компрессорных станциях магистральных трубопроводов, а также насосов для транспортировки нефти и нефтепродуктов и воздуходувок в парогазовых установках. Полезная мощность таких ГТУ составляет от 2 до 30 МВт.

Транспортные ГТУ широко применяются в качестве главных и форсажных двигателей самолетов (турбореактивных и турбовинтовых) и судов морского флота. Это связано с возможностью получения рекордных показателей по удельной мощности и габаритным размерам по сравнению с другими типами двигателей, несмотря на несколько завышенные расходы топлива. Газовые турбины весьма перспективны как двигатели локомотивов, где их незначительные габариты и отсутствие потребности в воде являются особенно ценными. Транспортные ГТУ работают в широком диапазоне нагрузок и пригодны для кратковременных форсировок.

Единичная мощность ГТУ пока не превышает 100МВт, а КПД установки 27—37 %. С повышение начальной температуры газов до 1200 °С мощность ГТУ будет доведена до 200 МВт и КПД установки до 38—40 %.

5.8. ТУРБОРАСШИРИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Турборасширительные машины представляют собой газовые турбины, предназначенные для охлаждения газа за счет совершения им технической работы. Они применяются главным образом в технике сжижения и разделения газов (турбодетандеры) и кондиционирования воздуха (турбохолодильники).

В результате массового перевода доменных печей на работу с повышенным давлением газа под колошником появилась возможность использования потенциальной энергии доменного газа. Доменный газ, имеющий давление 0,25— 0,3 МПа, расширяется в специальной газовой турбине до давления около 0,11 МПа, еще достаточного для транспортировки его потребителю. Мощность, развиваемая такой турбиной, зависит от количества доменного газа, его начального давления и температуры. Например, выход доменного газа из домны объемом 1400м3 достигает 250 000 м3/ч; мощность, развиваемая турбиной при давлении газа 0,25 МПа и температуре 500 °С, составит около 12 000 кВт. Конструкция турбины мало отличается от описанных выше.

В технике сжижения и разделения газов наиболее широкое применение нашли радиальные Турборасширительные машины (рис. 20.12), в которых поток сжатого газа направлен от периферии к центру по радиусу. Основными рабочими элементами являются неподвижный сопловый направляющий аппарат, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую, и вращающееся рабочее колесо, в котором кинетическая энергия газа преобразуется в работу, передаваемую на вал.

Главным преимуществом радиальных турбин перед осевыми является большой перепад давлений, срабатываемый в одной ступени. Поэтому расширительные

турбины обычно удается сделать одноступенчатыми, что упрощает конструкцию.

Радиальные расширительные машины имеют производительность от 0,03 до 15 кг/с и отношение начального давления к конечному от 4 до 30 Частота вращения вала достигает 2500 1/с (150 000 об/мин).

Одноступенчатая радиальная реактивная расширительная машина впервые была предложена академиком П. Л. Капицей для систем глубокого охлаждения газов в 1931 г.

6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ АЭС

6.1. АЭС С ВОДО-ВОДЯНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ РЕАКТОРАМИ

Водо-водяные энергетические реакторы получили наибольшее распространение из-за своей компактности и относительно простой и надежной конструкции. В настоящее время на АЭС применяют реакторы ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.

Принципиальная технологическая схема блока АЭС с реактором ВВЭР-440 показана на рис. 1. Тепловая схема блока — двухконтурная. Обычная некипящая вода, используемая в качестве теплоносителя и замедлителя, циркулирует под давлением 7—16 МПа (в зависимости от типа реактора), создаваемым главным циркуляционным насосом (ЩН) 3, в результате этого осуществляется перенос тепловой энергии от реактора 1 к парогенератору 4. Высокое давление теплоносителя возможно только при размещении активной зоны реактора внутри защитного стального корпуса.

Для повышения надежности и безопасности работы АЭС тепло-отвод от активной зоны реактора выполняют в виде нескольких самостоятельных циркуляционных петель. Например, первый радиоактивный контур реактора ВВЭР-440 имеет шесть петель. Увеличение числа циркуляционных петель усложняет конструкцию, технологическую схему и создает трудности в эксплуатации, следовательно, увеличиваются капитальные вложения в установку. Более перспективной является четырехпетлевая схема охлаждения реактора ВВЭР-1000.

Первый радиоактивный контур помимо циркуляционного контура имеет вспомогательные системы: компенсации температурных изменений объема теплоносителя, его подпитки и очистки; охлаждения бассейна перегрузки и выдержки; управления и защиты реактора; борного регулирования; аварийного расхолаживания реактора и снижения давления в защитной оболочке; дегазации теплоносителя и снижения взрывоопасной концентрации водорода.

Использование ГЦН с большими маховыми массами позволяет перейти на режим естественной циркуляции теплоносителя в первом контуре при потере питания в системе собственных нужд (СН) станции, так как увеличивается время выбега агрегата и не обязательно использовать энергию выбега турбогенераторов.

Для поддержания постоянного давления в первом контуре реактора в стационарных и переходных режимах применяют паровой компенсатор 2, в водяном объеме которого находятся электронагреватели, создающие паровую подушку и поддерживающие соответствующую температуру воды Регулировочная группа электронагревателей предотвращает вскипание теплоносителя при потере питания в системе СН станции, поэтому требует бесперебойного электроснабжения. Компенсатор подключают к одной из циркуляционных петель до главной запорной задвижки 5.

Система очистки теплоносителя и возвращения его в контур циркуляции включает регенеративный теплообменник 6, доохладитель продувки 7 и фильтровальную группу 8. Так как в фильтрах наполнителями являются органические смолы, работающие при 60°С, продувочная вода в элементах 6 и 7 охлаждается до 45—50 °С.

Восполнение потерь теплоносителя первого контура и поддержание заданного водного режима осуществляются из деаэратора 10 подпиточными насосами 9, требующими повышенной надежности электроснабжения, производительность которых должна быть в несколько раз выше производительности рабочих насосов. Степень надежности электроснабжения аварийных насосов такая же, как и рабочих.

Для хранения и выдержки отработавших в реакторе тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) предназначена система охлаждения бассейна перегрузки и выдержки, включающая в себя теплообменник и насос контура расхолаживания, к электроснабжению которого предъявляют повышенные требования. Температура воды в бассейне перегрузки и выдержки не должна превышать 60 °С

Одной из важнейших является система управления и защиты реактора (СУЗ), которая обеспечивает его пуск, вывод на определенный режим работы и поддержание заданного режима по мощности, а также выравнивание полей энерговыделения по объему активной зоны и аварийный останов (защиту). Электропривод механизмов этой системы требует особо надежного питания

Система управления и защиты реактора имеет две независимые друг от друга части, основанные на разных принципах действия: систему механических органов (кассеты СУЗ) и систему борногорегулирования.

Система механических органов СУЗ обеспечивает ввод отрицательной реактивности в реактор при аварийных режимах. Кассета СУЗ для реактора ВВЭР-440 состоит из поглотителя (верхняя часть) и ядерного топлива (нижняя часть) При взведении кассеты СУЗ поглотитель извлекается из активной зоны, а его место занимает топливная часть. Внутри шестигранного чехла поглотителя СУЗ размещены вкладыши из борированной стали, поглощающие тепловые нейтроны. Наличие воды внутри поглотителя обеспечивает непрозрачность для быстрых нейтронов, а сам поглотитель СУЗ является ловушкой для них. Быстрые нейтроны замедляются в воде и поглощаются бором, тепловые при прохождении

замедляются в воде и поглощаются в борированных вкладышах. При извлечении поглотителя из активной зоны эффективность поглощения нейтронов шестигранной водяной полостью составляет 70 % от эффективности поглотителя СУЗ. Это свойство поглощения используют при перегрузке топлива.

Эффективность кассет СУЗ зависит от их местоположения в активной золе, температуры активной зоны и концентрации борной кислоты в реакторе.

Механическая система управления и защиты ВВЭР-1000 включает в сея 109 приводов, каждый из которых способен перемещать пучок (кластер), состоящий из 12 стержней — поглотителей, внутри кассеты в пределах активной зоны. Приводы СУЗ, объединенные в группы, перемещают кластеры одновременно.

Борная кислота вводится в теплоноситель для равномерного распределения поглотителя в активной зоне. Уменьшение неравномерности энерговыделения обусловленно тем, что раствор борной кислоты изменяет нейтронно-физические характеристики активной зоны, в то время как поглощающие стержни действуют преимущественно на ближайшие части зоны.

Медленные изменения реактивности (выгорание топлива) компенсируются изменением концентрации раствора борной кислоты в теплоносителе. Для аварийных ситуаций предусмотрена быстродействующая система аварийного впрыска бора.

Таким образом, система борного регулирования в ВВЭР обеспечивает компенсацию медленных изменений реактивности, а система механических органов управления — регулирование мощности реактора в нестационарных режимах и компенсацию реактивности при плановых и аварийных остановах.

Система аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ), предназначенная для подачи в нее раствора бора при разуплотнениях циркуляционной системы, состоит из пассивной и активной частей.

Пассивная часть (система залива) включает в себя две группы гидроаккумуляторов, производительность которых достаточна для предотвращения расплавления оболочек ТВЭЛов и создания запаса времени для включения в работу активной части (системы впрыска).

Система впрыска имеет три независимые группы, каждая из которых обеспечивает аварийное охлаждение активной зоны и состоит из бака аварийного запаса водного раствора бора, аварийных насосов высокого и низкого давления и теплообменника.

Спринклерная система, предназначенная для охлаждения и очистки воздуха в боксах при нормальных и послеаварийных режимах, а также для отвода теплоты из помещений локализации аварии, имеет три независимые группы, включающие в себя спринклерный насос. Спринклерные группы получают питание от автономных источников.

Второй контур (нерадиоактивный) выполняют аналогично технологической схеме обычной конденсационной станции (КЭС). Пар из парогенератора 4 поступает в цилиндр высокого давления (ЦВД) 15, а затем через сепаратор-пароперегреватель 16—в цилиндры низкого давления (ЦНД) 17 турбины, после чего конденсируется в конденсаторе 18. Далее через подогреватели низкого давления вода поступает в деаэратор 22, из которого питательным насосом 23 подается в парогенератор 4 через подогреватели высокого давления.

Особенностью второго контура является работа турбины на насыщенном паре средних давлений, что приводит к увеличению удельного расхода пара, а следовательно, мощностей конденсатных, циркуляционных и питательных насосов. Поэтому рабочие питательные насосы имеют турбопривод, а пускорезервные и аварийные — электропривод.

Для подачи воды в парогенератор при исчезновении напряжения в системе СН станции аварийные питательные насосы присоединяют к системе надежного питания. Парогенераторы с реакторами ВВЭР представляют собой двухконтурные горизонтальные теплообменники с погруженной поверхностью теплообмена. Сепарационные устройства парогенераторов имеют естественную циркуляцию рабочего тела.

На рис. 2 приведен поперечный разрез главного корпуса АЭС с реакторами ВВЭР-1000, на котором показано размещение основного оборудования станции. Ядерное топливо, находящееся в ТВЭЛах, доставляется на станцию в контейнерах / и перегрузочной машиной 3 загружается в активную зону реактора 4. Кассеты с отработавшими ТВЭЛами помещаются в бассейн 2, где выдерживаются в течение определенного времени для снижения радиоактивности горючего и материала кассет После этого кассеты в контейнерах вывозят на перерабатывающие заводы.

В реакторном зале находятся компенсатор объема 5, барбатер 6, дополнительная гидроаккумулирующая емкость 8. Пар от парогенераторов (на'рисунке не показано) направляется в турбоагрегат 9 машинного зала 10, на нулевой отметке которого размещены регенеративные подогреватели 11 Деаэраторы 7 устанавливаются между реакторным помещением и турбинным цехом.

6.2. АЭС С КАНАЛЬНЫМИ ВОДОГРАФИТОВЫМИ КИПЯЩИМИ РЕАКТОРАМИ

В канальном водографитовом реакторе теплоносителем является вода, а замедлителем — графит. Принципиальная технологическая схема энергетического блока с реактором РБМК-ЮОО приведена на рис.3

Теплоноситель циркулирует в трубных технологических каналах реактора 7, которые воспринимают давление теплоносителя Контур многократной принудительной циркуляции (МПЦ) теплоносителя включает две петли, каждая из которых имеет два барабана-сепаратора 5 и четыре главных циркуляционных насоса 6(три рабочих, один резервный). Вода при 270° С и давлении -~ 8 МПа поступает на вход технологических каналов реактора, где нагревается до температуры насыщения ~ 284° С и частично испаряется, направляясь в барабаны-сепараторы. Пар влажностью не более 0,1 % подается в ЦВД турбины 4, затем в сепараторы 3, пароперегреватели 2 и ЦНД. После этого пар конденсируется в конденсаторах 8. Вода подается в деаэратор 13 конденсатными насосами первой 9 и второй 12 ступеней через фильтры конденсатоочистки 10 и подогреватели низкого давления 11, а затем питательными насосами 14 — в барабаны-сепараторы 5.

Для аварийных режимов применяют аварийные питательные электронасосы (ПЭН), использующие запасы воды деаэраторов и дополнительных баков обессоленной воды. Для обеспечения тепловой энергией потребителей поселка и станции применяют дополнительный промежуточный контур, состоящий из подогревателей и насосов, так как турбина работает на радиоактивном паре. Следовательно, схема АЭС с реакторами РБМК является одноконтурной. В схеме используют центробежные главные циркуляционные насосы с гидромеханическим уплотнением вала. Для исключения протечек радиоактивной воды вдоль вала насоса используют специальный контур, через который подают запирающую воду давлением на 0,25 МПа выше давления на всасе ГЦН. Так как ГЦН не могут работать без запирающей воды, насосы этого контура должны подключаться к схемам надежного питания. При потере же питания в системе СН станции вода на уплотнение ГЦН подается из аварийного гидроаккумулятора в течение 10 мин, пока не вступят в работу аварийные дизельгенераторы этих схем.

К вспомогательным относятся системы: управления и защиты реактора (СУЗ); продувки и расхолаживания; охлаждения бассейна выдержки и перегрузки ТВЭЛов; спринклерноохладительная и аварийного охлаждения (САОР).

Реактор имеет замкнутые автономные контуры охлаждения каналов СУЗ ибассейна выдержки и перегрузки ТВЭЛов, включающие в себя теплообменники, насосы и баки аварийного запаса воды. Насосы этих систем требуют надежного электроснабжения от автономных источников, а теплообменники — надежного питания технической водой. При аварийном обесточивании системы СН до запуска насосов от дизельгенератора каналы СУЗ охлаждают из бака аварийного запаса

Система продувки и расхолаживания, имеющая насосную установку, не требующую принятия дополнительных мер к повышению надежности электроснабжения, обеспечивает заданные температурный и солевой режимы контура МПЦ.

Спринклерно - охладительная система, состоящая из трех контуров, включающих теплообменники и насосы, которые требуют повышенной надежности электроснабжения, обеспечивает снижение давления в бассейне-барбатере и герметичных боксах.

Сброс пара из сепараторов при аварийных и переходных режимах осуществляется через быстродействующие редукционные установки в конденсаторы турбин (БРУ-К), бассейн-барбатер (БРУ-Б) или в технологические конденсаторы (БРУ-ТК). Конденсат из ТК насосами подается в деаэраторы или конденсаторы турбин. Насосы, участвующие в перекачке конденсата и подаче технологической воды на ТК, требуют надежного электроснабжения при обесточивании схемы СН

Система аварийного охлаждения реактора (САОР) обеспечивает подачу воды в активную зону реактора при разрывах трубопроводов контура МПЦ для ограничения температуры оболочек ТВЭЛов. Она состоит из трех частей:

основной системы мгновенного действия для подачи воды в аварийную зону реактора до включения насосной части САОР;

системы для длительного охлаждения поврежденной половины реактора после окончания работы основной части;

системы для длительного охлаждения неповрежденной половины реактора.

Основная часть САОР включается автоматически при разрыве главного циркуляционного трубопровода, в результате чего открываются быстродействующие клапаны и задвижки, электроснабжение приводов которых производится от трех подсистем бесперебойного питания. В основной части САОР имеются две гидроаккумулирующие емкости, заполненные водой и азотом, которые находятся под1 давлением, превышающим давление теплоносителя в контур МПЦ. В этот же контур подается вода от аварийных ПЭН.

Две другие системы САОР включаются после запуска аварийных источников питания и обеспечивают охлаждение поврежденной и неповрежденной половин зон реактора. Теплообменники этих систем требуют надежного обеспечения технической водой, а приводы насосов — надежного электроснабжения

6.3. АЭС С РЕАКТОРАМИ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Кроме выработки электрической энергии, на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах осуществляется расширенное воспроизводство ядерного топлива. В качестве теплоносителя в реакторах-размножителях применяют жидкий натрий из-за его хороших физических свойств и относительно небольшой стоимости.

Применение жидкометаллического теплоносителя в реакторах позволяет получать пар высоких параметров и использовать серийные турбоагрегаты. Так, для реактора БН-600 на Белоярской АЭС используют турбины мощностью по 200 МВт и начальными параметрами пара: давлением — 13 МПа и температурой — 500 °С. В ближайшее время будут введены реакторы БН-800

Трехконтурная технологическая схема реактора БН-600 приведена на рис. 4. В первом и втором контурах используют жидкий натрий, в третьем — воду и пар. Первый контур на рисунке обозначен толстой линией, второй — пунктирной, а третий — тонкой. Компоновка первого контура может быть петлевой или интегральной. При интегральной схеме активная зона 2, насосы 1, промежуточные теплообменники 4 и биологическая защита находятся в корпусе реактора 3. Жидкий натрий первого контура циркулирует по трем параллельным петлям.

Главные циркуляционные насосы первого контура являются центробежными погружного типа с двухпоточным всасыванием, второго— с односторонним. Привод ГЦН осуществляется асинхронными двигателями (для первого контура привод вынесен за пределы реактора). Для плавного регулирования мощности реактора и поддержания неизменного подогрева теплоносителя асинхронные двигатели ГЦН работают по схеме асинхронно-вентильного каскада. Для повышения устойчивой работы ГЦН первого и второго контуров при снижении напряжения они снабжены маховиками.

Активная зона реактора по торцам и периметру окружена экранами — зоной воспроизводства, состоящей из сборок, заполненных диоксидом обедненного урана. Биологическая защита включает стальные экраны с графитовым наполнителем.

Паронегераторы, в которых образуется перегретый пар (третий контур), выполнены прямоточными и имеют малый запас воды. Поэтому при потере питания в системе СН станции для обеспечения режима расхолаживания к надежности электроснабжения аварийных ПЭН (АПЭН) и времени их пуска предъявляют повышенные требования, а АПЭН питают от специальных для каждого насоса дизель-генераторов с малым временем пуска. Следующие этапы технологического процесса производства электроэнергии не отличаются от обычных технологических процессов на КЭС.

Использование натрия в первом и втором контурах приводит к созданию соответствующих вспомогательных систем. При пуске АЭС из холодного состояния требуется предварительный электроразогрев «всего оборудования и трубопроводов. Электронагреватели суммарной мощностью 25 МВт устанавливают в местах, где возможен переход металла в твердую фазу при охлаждении. Исходя из повышенных требований к надежности электроснабжения нагреватели ^мощностью 3 МВт подключают к схеме надежного питания.

Для увеличения коррозионной стойкости конструкционных материалов натриевых контуров используют фильтр-ловушки, работа которых основана на охлаждении жидкометаллического теплоносителя, до температуры, меньшей температуры насыщения оксидов, растворенных в натрии. Натрий в ловушке охлаждается воздухом или, азотом, прокачиваемым по замкнутому контуру вентилятором. При отключенных ГЦН циркуляция натрия через фильтры осуществляется электромагнитными насосами. Перед заполнением первого и второго контуров натрием для исключения взаимодействия его с кислородом воздуха реактор заполняют газом (аргоном) и разогревают сжатием аргона в нагнетателях и прокачкой его по замкнутым контурам. Эту же систему используют в качестве резервной при расхолаживании реактора, поэтому нагнетатели имеют привод от автономного источника, а теплообменники — надежное снабжение технической водой.

7 Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов.

7.1. Основные способы организации энергосберегающих технологий.

Конкретный способ улучшения энергетических и эксергетических показателей для разных производств и процессов различны, но есть и общие приемы снижения энергозатрат.

Наиболее распространенным и эффективным способом является регенерация энергии. Сущность регенерации заключается в передаче энергии от выходящих из агрегата потоков к входящим. Например, многие крупные нагревательные и плавильные печи оборудованы теплообменниками, в которых воздушное дутье (а иногда и газообразное топливо) подогревается уходящими газами (рис. 24.2).

Очень важно, что регенерация позволяет не просто утилизировать теплоту отходящих газов, но снижает расход топлива и, кроме того, улучшает работу самой печи, поскольку температура горения при использовании подогретого воздуха возрастает. Улучшаются условия, а соответственно и полнота горения топлива, резко усиливается теплообмен излучением между потоком газа и нагреваемыми изделиями.

В ряде случаев регенерацию теплоты целесообразно использовать и на низкотемпературных потоках. Например, теплотой вентиляционных выбросов можно подогреть поток воздуха, подаваемого в помещение, уменьшив, таким образом, расход энергии на отопление.

Весьма эффективно регенерировать и холод. Например, для пневмотранспорта цемента и в ряде других случаев требуется сухой воздух (без водяных паров). Осушку воздуха можно осуществить за счет его охлаждения (рис. 24.3), при этом влага сконденсируется или вымерзнет, если в выморажива-теле t<0°С. Использование при этом теплообменника 1 резко сокращает мощность холодильной машины 3 и расход энергии на ее привод.

Регенерировать можно не только тепловую энергию, но и энергию избыточного давления. Например, если в реакционной камере 1 (рис. 24.4) по условиям технологии необходимо избыточное давление, то исходные продукты 2 приходится сжимать компрессором 3, затрачивая на это электроэнергию. Однако часть этой энергии, а иногда даже больше энергии, чем затрачено (если, например, в реакторе / увеличивается объем газов), можно вернуть (регенерировать) за счет расширения получающихся продуктов 4 в турбине 5. Электромашина 6 при этом играет роль пускового двигателя, а также источника недостающей или потребителя избыточной мощности (в последнем случае электромашина работает в режиме генератора). Хорошим примером использования энергии давления является турбина-расширитель, устанавливаемая за доменной печью для срабатывания избыточного давления доменного газа. Причем в этом случае удобнее всю вырабатываемую турбиной энергию превращать в электроэнергию с помощью генератора, а компрессоры, нагнетающие воздух в печь, приводить в движение от электродвигателей, т. е. осуществлять энергетическую связь через электрическую сеть.

Регенерация теплоты наиболее эффективно работает совместно с принципом противотока, в соответствии с которым нагреваемые продукты или детали должны двигаться навстречу охлаждаемым, от которых они получают энергию. На рис. 24.2 специально допущена неточность и принцип противотока использован только в самой печи (горячие газы и детали), а воздухоподогреватель взят с перекрестным движением сред. Про-тивоточный теплообменник, как, например, изображенный на рис. 24.3, позволил бы сильнее снизить температуру отходящих из печи газов, а следовательно, и в большей степени уменьшить потерю теплоты вместе с ними.

В целом нужно стремиться, используя принципы регенерации и противотока, приблизить параметры всех выходящих потоков к параметрам входящих, уменьшая, таким образом, внешний подвод энергии. Как уже было показано, это не противоречит требованиям технологического процесса нагревать, охлаждать или сжимать среды или материалы на промежуточных стадиях. Создавая энергосберегающие технологии (или энерготехнологии), как, впрочем, и любое безотходное производство, целесообразно подходить к нему комплексно, объединяя промежуточные этапы.

Не надо забывать, что принятые оценки эффективности использования энергии в значительной мере отражают технический уровень сегодняшнего (а иногда и вчерашнего) дня. Например, КПД печи для нагрева металла оценивается как отношение количества теплоты, воспринятой металлом, к теплоте сожженного топлива. Но в народном хозяйстве нагретый металл не нужен. И если, охладив его, использовать эту теплоту (такие установки имеются), то КПД печи по современным представлениям может оказаться выше 100 %.

В ряде случаев вообще удается при лучшей организации производства исключить некоторые технологические процессы, в том числе и процессы нагрева. Например, начинает практиковаться термообработка непосредственно с прокатного нагрева вместо традиционного двойного нагрева перед прокаткой и перед термообработкой, осуществляемой обычно в другом цехе. Естественно, что во время транспортировки из цеха в цех прокат остывает и его вновь приходится нагревать.

7.2. УТИЛИЗАЦИЯ ВТОРИЧНЫХ (ПОБОЧНЫХ) ЭНЕРГОРЕСУРСОВ (ВЭР)

Если в данном производстве за счет регенерации не удается полностью использовать всю энергию, нужно попытаться не сбрасывать ее в окружающую среду, а продать эти ненужные вторичные (побочные) для данного производства энергоресурсы другим потребителям либо организовать у себя специальное производство, потребляющее эту энергию. Такой подход не дает экономии топлива в самом технологическом процессе, но может существенно улучшать экономические показатели производства за счет средств, полученных от реализации ВЭР.

Главная трудность при решении проблемы утилизации ВЭР обычно состоит в поиске потребителя. Приходится анализировать уже не только свое производство, но и в первую очередь сопутствующие, а иногда и совершенно не связанные. Нередко для утилизации ВЭР создают тепличные хозяйства, рыбоводные пруды и т. д. Способ утилизации ВЭР выбирают в зависимости от требований потребителя и вида вторичной энергии.

Если на производстве имеются горючие отходы — топливные ВЭР, то использование их обычно не представляет труда. Так, доменный и коксовый газы металлургического комбината сжигаются в топках паровых котлов вместе с другими видами топлива. В крайнем случае, если не удается сжечь топливные ВЭР в обычных топках, создают специальные, например топки с кипящим слоем (см. гл. 17) для сжигания высокозольных твердых остатков углеобогатительных фабрик.

За счет ВЭР избыточного давления в расширительных турбинах обычно получают электроэнергию (как на рис. 24.4). Наибольшую долю составляют тепловые ВЭР. Часто, говоря о ВЭР, только их и имеют в виду. В 1985 г. в СССР было утилизировано около 0,7-1018 Дж таких ВЭР — примерно половина того количества, которое считается экономически целесообразно использовать в настоящее время. В целом же тепловых ВЭР много больше.

Тепловые ВЭР газовых потоков с высокой температурой (>400°С) передней (100—400 °С) обычно используются для производства пара или подогрева воды с помощью паровых или водогрейных котлов-утилизаторов (см §19.5). Водогрейные котлы-утилизаторы предназначены для подогрева воды, идущей на теплофикацию жилых и промышленных зданий. Конструктивно они представляют собой систему труб, через которые прокачивается сетевая вода, поэтому нередко водогрейные котлы-утилизаторы называют утилизационными экономайзерами.

Широкое распространение в настоящее время получили системы испарительного охлаждения элементов высокотемпературных печей. В печах многие элементы приходится делать из металла — прежде всего это несущие и поддерживающие балки, на них ложится большая нагрузка, которую не выдержат огнеупорные материалы. Практически невозможно делать из огнеупоров и подвижные элементы, особенно те, которые должны герметично закрываться, например завалочные окна, шиберы, перекрывающие проходное сечение газоходов, и т. д. Но металлы могут работать только при умеренных температурах до 400— 600 °С, а температура в печи много выше. Поэтому металлические элементы печей делают полыми и внутри них циркулирует охлаждающая вода. Для исключения образования накипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов вода должна быть специально подготовленной.

Кроме того, эту воду нужно охлаждать или сбрасывать. И в том и в другом случае происходит загрязнение окружающей среды.

Все эти недостатки исключаются, если в охлаждаемые элементы печи подают воду из контура циркуляции парового котла-утилизатора (рис. 24.5). Охлаждаемые элементы печи здесь выполняют роль испарительной поверхности, в которой теплота уже не сбрасывается в окружающую среду, а идет на выработку пара. Питание котлов осуществляется химически очищенной водой, поэтому накипи и загрязнений внутри охлаждаемых элементов не образуется и срок их службы в 1,5—3 раза больше, чем при охлаждении необработанной проточной водой.

Система испарительного охлаждения может работать и как самостоятельный паровой котел, но мощность его будет слишком малой. При комплексном подходе к утилизации теплоты от газов и охлаждаемых элементов конструкции печи значительно сокращаются затраты на вспомогательное оборудование, коммуникации, обслуживание и т. д.

В ряде случаев удается использовать теплоту раскаленных твердых продуктов. На многих металлургических комбинатах сейчас работают установки охлаждения (технологи говорят «сухого тушения») кокса (УСТК), в которых охлаждается кокс с температурой свыше 1000 °С, выгружаемый из коксовых батарей. Особая сложность этой установки состоит в том, что кокс — горючий материал. Поэтому для его охлаждения используют инертный азот, а всю установку герметизируют, no-возможности предотвращая утечки азота.

Раскаленный кокс в специальных вагонах быстро (поскольку на воздухе он горит) транспортируется от коксовой батареи и загружается в герметичную фор-камеру / (рис. 24.6), затем поступает в камеру тушения 2, в которой он снизу вверх продувается инертным газом. За счет постепенной выгрузки снизу кокс плотным слоем движется сверху вниз противотоком к охлаждающему газу. В результате кокс охлаждается от 1000—1050 °С до 200—250 °С, а газ нагревается от 180—200 °С до 750—800 °С. Через специальные отверстия 3 и пылео-садительную камеру 4 газы попадают в котел-утилизатор 5. В нем за счет охлаждения 1 т кокса получают примерно 0,5 т пара достаточно высоких параметров р = (3,9-т-4,0)МПа и f = (440-b 450) °С. После котла-утилизатора охлажденный газ еще раз очищают от пыли в циклоне 6 и вентилятором 7 вновь направляют в камеру тушения под специальный рассекатель для равномерного распределения по сечению камеры.

Сухой способ охлаждения по сравнению с традиционным, когда раскаленный горящий кокс действительно «тушат», поливая водой, позволяет не только получить дополнительную энергию (утилизировать ВЭР), но и повышает качество кокса, уменьшает его потери за счет выгорания в процессе тушения, исключает расход воды, а главное — позволяет избежать загрязнения атмосферы паром и коксовой пылью.

Аналогичные схемы утилизации теплоты других твердых веществ можно использовать только при достаточно большой производительности, иначе это будет экономически невыгодно по причинам, указанным выше. Производительность УСТК по коксу составляет 50— 56 т/ч.

Наиболее сложно найти применение низкопотенциальным тепловым ВЭР (<<100°С). В последнее время их все шире используют для отопления и кондиционирования промышленных и жилых зданий, применяют тепловые насосы для повышения температурного потенциала или для получения холода. Непосредственно используют такие ВЭР только на отопление близко расположенных теплиц или рыбоводных хозяйств.

Очень остроумное решение для использования низкопотенциальной теплоты отходящих газов даже в бытовых условиях было найдено Ф. Нансеном для кухонного аппарата, который он в 1895г. применял во время своего похода к Северному полюсу. После обогрева сосуда для варки пищи (рис. 24.7) дымовые газы направлялись в дополнительные газоходы, где отдавали свою теплоту таящему снегу. КПД этого аппарата превышал 90 %, в то время как у обычных газовых плит он менее 50 %.

В промышленных условиях охлаждение дымовых газов до температур ниже 100 °С весьма затруднительно прежде всего из-за конденсации водяных паров. Холодные стенки труб, по которым циркулирует нагреваемая среда, запотевают и подвергаются интенсивной коррозии. Конденсация водяных паров имела место и в агрегате, изображенном на рис. 24.7, но ввиду уникальности назначения его можно было изготовить из дорогостоящих материалов, не боящихся коррозии, кроме того, действовал он периодически и не долго. Промышленные подогреватели воздуха для исключения коррозии также иногда изготавливают из некорродирующихся стеклянных труб. Если нет вибрации, такие трубы работают достаточно долго.

Для подогрева воды низкотемпературными газами (/<ЮО°С) начинают использовать контактные экономайзеры, представляющие собой обычные смесительные теплообменники типа градирни (см. рис. 13.2). В них происходит нагрев воды за счет теплоты контактирующих с ней газов. Поверхность контакта капель воды с газом большая, и теплообменник получается компактный и дешевый по сравнению с рекуперативным (трубчатым), но вода насыщается вредными веществами, содержащимися в дымовых газах. В ряде случаев это допустимо, например, для воды, идущей в систему химводоподготовки в котельных или на ТЭС. Если загрязнение воды недопустимо, то ставят еще один теплообменник, в котором «грязная» вода отдает теплоту «чистой» и возвращается в контактный экономайзер. Змеевики, по которым циркулирует «чистая» вода, можно установить и внутри контактного экономайзера вместо насадки.

8. ТИПЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ

8.1. Типы гидроэнергетических установок.

Гидроэнергетическая установка (ГЭУ) является предприятием, на котором происходит преобразование механической 1 энергии водного потока в электрическую или, наоборот, электрическая энергия превращается в механическую энергию воды.

ГЭУ представляет собой совокупность гидротехнических сооружений, энергетического и механического оборудования.

На ГЭУ различают верхний и нижний бьефы. Водное пространство перед подпорными сооружениями, например перед плотиной, имеет более высокую отметку уровня и называется верхним бьефом (ВБ). Водное пространство за плотиной, за зданием станции и т. д. имеет низкие отметки уровней и называется нижним бьефом (НБ).

Отметка уровня воды обозначается V или V с соответствующим числом, которое показывает высоту над уровнем моря (абсолютная отметка) или над какой-либо другой плоскостью сравнения (условная отметка).

На ПЭС бьефы имеют попеременное значение. Во время прилива море является верхним бьефом, опорожненный бассейн — нижним бьефом. В период отлива отметки уровня в бассейне более высокие (ВБ), а в море более низкие (НБ).

Гидроэлектрические станции.

На ГЭС гидравлическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Для ГЭС необходимы расход Q, м3/с и сосредоточенный перепад уровней Н0 (рис. 2-1), т. е. напор, м.

Основные сооружения ГЭС, расположенной на равнинной реке-плоти на, перегораживающая реку и создающая подъем уровня воды, т. е. сосредоточенный перепад уровней, п здание станции, в котором размещаются гидравлические турбины, генераторы электрического тока и другое механическое и электрическое оборудование. При необходимости строятся судоходные шлюзы, водозаборные сооружения для орошения, водоснабжения, рыбопропускные сооружения и др. На ГЭС вода под действием силы тяжести движется из верхнего бьефа в нижний и вращает рабочее колесо турбины, на одном валу с которым находится ротор генератора электрического тока. Иногда при сравнительно небольшой мощности генератора применяютпромежуточнуюпередачу (редуктор или мультипликатор)-для увеличения частоты вращения и уменьшения массы генератора. Турбина и генератор вместе образуют гидроагрегат. В турбине гидравлическая энергия воды превращается в механическую энергию вращения рабочего колеса турбины вместе с ротором генератора, где происходит преобразование механической энергии в электрическую. Среди крупных ГЭУ всех видов наиболее распространенными и наиболее мощными являются ГЭС. В 1978 г. крупнейшей гидроэлектростанцией мира была Красноярская ГЭС (на р. Енисей), мощностью 6 млн. кВт. Вводимая в эксплуатацию с 1978 г. Саяно-Шу-шенская ГЭС (на р. Енисей) при полном развитии будет иметь мощность более 7 млн. кВт.

Б. НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ

Гидроэнергетическая установка, предназначенная для перекачки воды с низких отметок на высокие и для перемещения воды в удаленные пункты, называется насосной станцией (НС). На НС устанавливаются насосные агрегаты, у которых на одном валу находится насос и электрический двигатель. НС является потребителем электрической энергии.

НС имеют большое распространение. Они применяются для коммунально-бытового и промышленного водоснабжения, для водоснабжения ТЭС, в ирригационных системах для подачи воды на поля, расположенные на высоких отметках или в удаленных районах, на судоходных каналах, пересекающих высокие водоразделы, и т. д.

Крупнейшая насосная станция — Каховская с суммарной подачей воды 530 м3/с, расчетным напором 25 м и суммарной мощностью электродвигателей 168 МВт.

Насосные станции канала Иртыш — Караганда рассчитаны на подъем воды на 418 м и суммарную подачу 76 м3/с на расстояние 458 км. Их суммарная мощность 350 МВт.

В. ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

ГАЭС выполняет функции НС и ГЭС. В часы пониженных нагрузок энергосистемы, например ночью, ГАЭС работает как НС, потребляет электрическую энергию и перекачивает воду из нижнего бассейна в верхний, расположенный на какой-либо возвышенности. Днем и, особенно, вечером, когда электропотребление в системе увеличивается, вода из верхнего бассейна пропускается через турбины в нижний бассейн; в это время ГАЭС работает как ГЭС — вырабатывает и отдает электрическую энергию в систему. Имеются ГАЭС не только с суточным, но и с недельным и даже с .сезонным аккумулированием энергии.

Вследствие потерь ГАЭС отдает в систему около 70—75 % электрической энергии, получаемой ею из системы. Тем не менее эти станции выгодны, так как они потребляют более дешевую, а иногда и «бросовую» электроэнергию в ночные часы, в период малой нагрузки системы, а отдают более дорогую энергию в часы -пик нагрузки. Заполняя ночные провалы и снимая утренние и вечерние пики электрической нагрузки системы, ГАЭС существенно улучшают технические условия работы ТЭС, позволяют уменьшить их удельный расход топлива на 1 кВт-ч выработки электрической энергии и в конечном итоге дают экономию топлива в системе.

В СССР построена Киевская ГАЭС мощностью 225 МВт и строится Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт. Составлен проект крупнейшей гидроаккумулирующей электростанции Холейпи (США) мощностью 2500 МВт.

Г. ПРИЛИВНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Морские приливные электростанции (ПЭС) используют приливные колебания уровня моря, которые обычно происходят два раза в сутки. В некоторых пунктах обжитых морских побережий приливные колебания достигают 8—10 м. Наибольшая величина прилива 19,6 м наблюдается в заливе Фаиди (Канада).

Во Франции: построена ПЭС Раис мощностью 240 МВт. В СССР около Мурманска построена оригинальная опытная Кислогубская ПЭС небольшой мощности.

8.2. НАПОР, РАСХОД И МОЩНОСТЬ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

А. НАПОР

Геометрический или статический напор равен разности отметок уровнем верхнего ВБ и нижнего НБ бьефов. Применительно к данным рис. 2-1 статический напор

Но=ВБ-НБ=121,38-102,03=19,35м (2-1)

В водноэнергстических расчетах напор ГЭС считается равным

ННо-hВ-С=ВБ-НБ-hВ-С (2-2)

где hВ-С-- потери напора при движении води от водозабора (сечение В-В) до турбинной камеры (сечение С—С), которые состоят из

потери) напора на вход в турбинный водовод, па преодоление сопротивления сороудерживающих решеток, на трение воды о стенки водовода и т. п. (рис. 2-2). Все эти потери составляют 2-5 % от напора Но.

В расчетах, требующих высокой точности, например, при определении коэффициента полезного действия (КПД) турбины, учитывается также кинетическая энергия потока. На рис. 2-2 показано определение напоров для ГЭС.

Полным напор определяется по разности удельных энергии потока воды во входном сечении В--В и в конечном сечении К--К.

Удельную энергию и джоулях на один килограмм массы жидкости обозначим через Э, а на один ньютон веса — через Е--Эg. Численное значение Е выражается в Дж/Н и измеряется в метрах.

Полный напор называется напором брутто HG или, точнее, напором гидротурбинного блока. Напор HG в метрах численно равен разности отнесенных к единице веса удельных энергий потока в рассматриваемых сечениях.

Удельная энергия потока воды Е, Дж/Н, в каждом сечении

где Z— высота расположения центра тяжести данного живого сечения потока над плоскостью сравнении, О — О, м; р— избыточное давление, Па; — вес единицы объема воды, Н/м2; /—пьезометрическая высота равная глубине погружений центра тяжести данного живого сечении под уровень воды м; v — средняя скорость течения воды в данном живом сечении м/с; - коэффициент, равный отношению кинетической энергии потока при действительном распределении скорости по сечению к кинетической энергии потока, подсчитанной по средней скорости v.

При отнесении удельной энергии к единице веса воды: Z – удельная потенциальная энергия положения; / – удельная потенциальная энергия давления и 2/2g – удельная кинетическая энергия.

Рабочим напором турбины (точнее турбинной установки, включающей турбинную камеру, рабочее колесо турбины и отсасывающую трубу) принято считать разность удельных энергий потоки во входном сечении С — С в турбинную камеру и в конечном сечении К — К с наивысшей отметкой нижнего бьефа Н =» ЕС — Ек.

Сумма 7+ / дает отметку уровня воды. Скорость воды перед водоприемником обычно невелика. Если пренебречь ею, то, относя энергию (2-3) к соответствующему сечению, можно написать

B-K-hB-C-K2K/(2g) (2.4)

Для насоса, пренебрегая разностью кинетической энергии в сечениях К-К и В-В получим

Hn=EB-EK+hC-BHo+hC-B=B-K+hC-B (2-5)

Более подробно см. гл 9.

Для обратимои гидравлической машины (насосо-турбины) напор насоса будет больше напора турбины на hC-B + hB-C где hC-B — потери в водоводе от сечения В — В до сечения С— С в насосном режиме, a hB-C — в турбинном режиме.

На построенных гидроэнергетических установках напор составляет от 2 до 1767 м. Наибольший напор турбин 1767 м и нacocoв I070 м имеет ГЭУ Рейссек (Австрия).

Б. РАСХОД ВОДЫ.

Расход поды Q n м3/c, используемый ГЭС для выработки электрическом энергии, зависит от притока воды к водохранилищу или верхнему бьефу ГЭС. от наличия запасов воды в водохранилище и от потребности энергетической системы в данный момент в электрической энергии. При комплексном использовании водных ресурсов расход ГЭС зависит также от объема воды из верхнего бьефа на орошение, водоснабжение, шлюзование судов и от режима водопотребления из нижнего бьефа ГЭС. Максимальным расход, используемый ГЭС, равен пропускной способности всех ее турбин при расчетном напоре. Наибольшую пропускную способность имеют турбины Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС Каждая турбина этой ГЭС при расчетном напоре 19 м протекает по 675 м3/с. Все 22 турбины этой ГЭС потребляют около 15 тыс. м3/с. Максимальный расход воды, перекачиваемой НС пли ГАЭС, равен подаче всех се насосов при минимальном напоре и работе электрических двигателей с полной мощностью. Pacход воды НС и ГАЭС в данный момент времени определяется потребностью в воде и условиями электроснабжения.

В МОЩНОСТЬ,ЭНЕРГИЯ.

Мощностью N называется работа, производимая в единицу времени. Если напор составляет Н, м, расход воды равен Q, м3/с, то работа, которую может совершить вода в 1 секунду, т. е. потенциальная мощность водотока в ваттах, равна

No = pgQH = QH = 9810 QH.

где р — плотность воды, кг/м3; g — ускорение свободного падения тела, м/с2.

В гидроэнергетике принято измерять мощность в киловаттах. При этом No = 9,81 QH.

Мощность на валу турбины равна NT=NoT или NT=9,81 HT (2-6)

где T — КПД турбины.

Значение КПД турбины зависит от ее конструкции, размеров и изменяется при изменении нагрузки. Для малых турбин, при диаметре рабочего колеса около 1 м, наибольший КПД составляет около 0,91; для крупных турбин диаметром 9—10 м КПД достигает 0,95—0,96. Электрическая мощность агрегата Na на выводах генератора меньше мощности турбины на величину потерь в генераторе

Na=NTген=9,81 QHa (2-7)

где ген — КПД генератора; а = Тген —КПД агрегата.

Для генераторов мощностью 5 МВт КПД равен 0,95—0,96. Для уникальных генераторов мощностью 500 МВт и более КПД превосходит 0,98. Обозначая а = 9,81т]а, получим формулу для приближенных расчетов

Na=aQH (2-8)

Учитывая снижение КПД турбины и генератора при отклонении нагрузки от оптимальной, принимают а для сверхмощных агрегатов в пределах 8,8—9,1, для крупных агрегатов — 8,4—8,7 и для небольших агрегатов 8,0—8,2. Для насосных агрегатов и при работе обратимой гидромашины (насосо-турбины) в насосном режиме мощность, потребляемая электродвигателем, равна

где HH— напор насоса; И — КПД насоса; Д — КПД двигателя. Наибольшее значение КПД насосо-турбин при работе в насосном режиме составляет 0,925—0,93, а КПД сверхмощных электродвигателей превосходит 0,98. Для насосных агрегатов средней мощности т1„ = 0,89—0,90, т]л = 0,95—0,97, что дает приближенно NH=H,3 QH, кВт. При отклонении от оптимальной нагрузки КПД насосов резко снижается.

Энергия Э выражается произведением: Э = Nt, где N — мощность, Вт, t — время в секундах или часах. В системе СИ электрическая энергия измеряется в джоулях и их производных, причем 1 Дж=1 Н-м = = 1 Вт-с.

В энергетике наибольшее распространение получило измерение энергии в киловатт-часах (кВт-ч). Из определений, явствует, что 1 кВт-4 = 3600 кДж.

Объем воды V, м3 при напоре Н, м дает количество энергии в килоджоулях Э = 9,81 VHa или в киловатт-часах

(2-10)

Если V — объем годового стока реки, используемого ГЭС, а H — ее средний напор, то Э дает годовую выработку энергии ГЭС. Если V — объем воды, запасенной в водохранилище, который может быть использован при напоре Н, то Э выражает запас энергии воды водохранилища или энергетический эквивалент этого объема. Если V—годовой объем водоподачи НС, то

(2-11)

определяет годовое потребление НС в кВт-ч, без учета расхода энергии на собственные нужды.

Гидростанция при напоре Н и КПД а расходует на 1 кВт-ч выработанной энергии объем воды q в м3, т. е.

(2 - 12)

Насосная станция на 1 м3 воды расходует энергию в кВт- ч

(2-13)

8.3. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ

Имеются три основные схемы создания сосредоточенного напора ГЭС: 1) плотинная схема, когда напор создается плотиной; 2) деривационная схема, когда напор создается преимущественно посредством деривации, осуществляемой в виде канала, туннеля или трубопровода; 3) плотинно-деривационная схема, когда напор создается и плотиной, и деривацией. Плотины имеются во всех трех схемах.

А. ПЛОТИННАЯ СХЕМА

Плотинная схема (рис. 2-3) осуществляется преимущественно при больших расходах воды в реке и малых уклонах ее свободной поверхности. Посредством плотины, построенной в пункте В, создается подпор воды, который распространяется вверх по реке до пункта А. Разность уровней воды в пунктах А и В равна Ho + h. Часть общего падения h будет потеряна при движении воды в верхнем бьефе. Сосредоточенный перепад уровней, т. е. напор будет равен Н0. В плотинной схеме в зависимости от напора ГЭС может быть русловой или приплотинной.

Русловой называется такая ГЭС, у которой здание ГЭС наряду с плотиной входит в состав сооружений, создающий напор (рис 2-4).

Здание русловой ГЭС воспринимает полное давление воды со стороны ВБ и должно удовлетворять условию устойчивости, как и плотина. Русловая ГЭС может быть построена при сравнительно небольшом напоре.

При средних и больших напорах, превышающий диаметр трубы более чем в 4-5 раз, здание ГЭС не может входить в состав напорного фронта. В таких случаях строят приплотинную ГЭС, здание которой располагается за плотиной и не воспринимает плотного давления воды (рис 2-5). Подвод воды к турбинам такой ГЭС осуществляется трубопроводами, размещенными в теле или поверх бетонной плотины, под земляной плотиной или туннелями, прокладываемыми в обход плотины.

Б. ДЕРИВАЦИОННАЯ СХЕМА

При деривационной схеме высота плотины может быть небольшой, обеспечивающей лишь отвод воды из реки в деривацию, а сосредоточенный напор получается за счет разности уклонов воды в реке и в деривации. На рис 2-6 приведена схема ГЭС с деревацией в виде открытого канала. Плотина создает небольшой подпор. Из подпертого бьефа вода по деревационному каналу поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводам к турбинам ГЭС. От турбин вода по отводящему каналу направляется в реку или деревацию следующей ГЭС или же в ирригационный оросительный канал.

При пересеченном или горном рельефе местности, деревацию можно выполнить в виде туннеля, прорезывающий горный массив (рис 2-7), или в виде трубопровода, уложенного по поверхности земли. Деревация может состоять частично из канала и туннеля, из трубопровода и туннеля и т. п.

Существуют два типа гидротехнических туннелей: безнапорные, заполненные водой не полностью, с атмосферным давлением над свободной поверхностью воды, и напорные, в которых вода заполняет все сечение туннеля. В напорном туннеле гидродинамическое давление даже в самой верхней точке сечения выше атмосферного. В конце длинного подводящего напорного туннеля устраивается уравнительный резервуар для уменьшения гидравлического удара при резких изменениях расхода воды, потребляемой ГЭС (рис 2-7). В конце подводящего безнапорного туннеля как и в конце деривационного канала сооружается напорный бассейн (рис 2-6).

При длинной безнапорной подводящей деривации (канал, безнапорный туннель) в конце ее иногда устанавливается бассейн суточного регулирования расхода и мощности ГЭС (рис 2-6).

Если река несет большое количество крупных наносов (песок), попадание которых в деривацию может вызвать нежелательные последствия, то в начале подходящей деривации сооружается отстойник. Наносы, выпавшие в отстойнике, смываются в реку через промывной канал.

Если возможно переохлаждение воды и образование внутриводного льда – шуги, то в случае надобности на головном узле, на деривационном канале или на напорном бассейне сооружают шугосбросы. Деривация может быть отводящей. При большой длине отводящая деривация часто выполняется в виде туннеля, когда ГЭС является подземной.

Деривационные схемы установок выгодны в горных условиях, при больных уклонах свободной поверхности возы в реке и сравнительно малых используемых расходах, когда при относительно небольшой длине и малых поперечных размерах деривации можно получить большой напор и большую мощность ГЭС. При благоприятных геологических и топографических условиях на горной реке может быть применена и плотинная схема. Посредством плотины можно создать водохранилище для регулирования стока реки.

В ПЛОТИННО-ДЕРИВАЦИОННАЯ СХЕМА

В плотинно - деривационной схеме используются выгодные свойства обеих предыдущих схем, т. е. может быть создано водохранилище и использовано падение реки ниже плотины (рис. 2-8) На используемом участке реки А—В при неизменной отметке верхнего бьефа ВБ местоположение плотины может быть различным. Чем выше по течению расположена плотина, тем меньше ее высота. При этом уменьшается размер водохранилища, т. е. уменьшается затапливаемая территория, но увеличивается длина деривации и увеличиваются потери напора hA-B. Тщательное технико-экономическое сравнение вариантов позволяет выбрать наилучший.

Г. КАСКАДЫ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ВОДОХРАНИЛИЩ

Несколько ГЭС, последовательно расположенных на одном водотоке, образуют каскад. Проектирование и осуществление каскадов ГЭС имеет целью возможно более полное использование падения реки и ее стока в интересах всего народного хозяйства. При этом стремятся за счет создания водохранилищ наилучшим образом зарегулировать сток рек.

Местоположение каждого гидроузла, его напор, объем образуемого им водохранилища и т. п. выбираются на основе тщательного изучения природных условий и всестороннего технико-экономического анализа. Для того чтобы использовать возможно больший сток на данной установке, створ плотины стремятся расположить ниже крупного притока, а для уменьшения ущерба от затопления створ плотины выбирают выше крупных городов. При выборе створа плотины часто решающее значение имеют топографические и геологические условия

При сооружении каскада ГЭС обычно оказывается целесообразным некоторый подпор вышерасположенной ступени, благодаря чему падение реки используется более полно и может производиться глубокое суточное регулирование мощности ГЭС без существенных колебаний уровня НБ.

На рис. 2-9 приведена схема Волжско-Камского каскада ГЭС и водохранилищ. Река Волга имеет длину 3690 км и общее падение 250 м. Ступенчатой линией показаны проектные уровни воды после осуществления всей схемы реконструкции Волги.

Каскады ГЭС построены и строятся в СССР на многих реках — Енисее, Ангаре, Иртыше, Каме, Свири, Вуоксе, Днепре, Сырдарье, Нарыне, Чирчике, Куре, Риони, Ингури, Сулаке и др.

8.4. ОСОБЫЕ СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

А. ПЕРЕБРОСКА СТОКА РЕК В ДРУГИЕ БАССЕЙНЫ

При значительной разнице в уровнях воды двух соседних рек и благоприятных топографических и других условиях может оказаться целесообразным переброска стока одной реки в другую, с энергетическим использованием разности уровней воды обеих рек. На реке с более высоким уровнем воды может быть построена плотина, и вода этой реки по каналу, трубопроводу или по туннелю, проложенному через водораздел, может быть направлена на ГЭС, расположенную на берегу другой реки. По такой схеме построено много гидростанций, в том числе в СССР — Сухумская, Ладжанурская, Ингурская ГЭС в Закавказье, Белореченская, Сенгилевская и Свпстухпнская на Северном Кавказе (Кубань-Егорлыкский канал), Тереблярикская в Закарпатье и др. При переброске стока рек в другие бассейны должны учитываться потребности в воде района, расположенного ниже по реке, сток которой перебрасывается в другую реку.

Исключительно большой народнохозяйственный интерес представляет проектируемая переброска стока многоводных сибирских рек в Среднюю Азию и Казахстан и северных рек Европейской части СССР в сторону засушливого юга.

Б. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЕРЕПАДОВ НА ИРРИГАЦИОННЫХ КАНАЛАХ

При трассировке ирригационных каналов иногда, по условиям рельефа местности, приходится делать искусственные перепады уровней воды в виде ступеней или в виде быстротоков В обоих случаях энергию потока приходится гасить при помощи специальных сооружений— гасителей (колодцы, пороги, тумбы, зубья и т. д.) При таких перепадах может оказаться экономически выгодным устройство ГЭС, так как затраты на постройку плотины и на компенсацию ущерба от затопления будут производиться независимо от сооружения ГЭС В зависимости от наличия расхода воды в канале такая ГЭС может работать или круглогодично или только в поливной период.

В Советском Союзе на перепадах крупных ирригационных каналов (Бозсунскии, Вахшский, Кубань-Егорлыкский и др.) построены и работают многие десятки ГЭС. При проектировании новых ирригационных систем необходимо учитывать энергетическую роль перепадов поды на каналах, рационально используя энергию этих перепадов

На НС ирригационных систем бывает целесообразна установка обратимых гидроарегатов и приспособление ВБ и НБ для использования в качестве резервуаров. В результате НС превращается в комбинированную установку НС—ГАЭС, которая в определенные периоды года, например зимой, может работать как ГАЭС.

В. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТОКА ВЫСОКОГОРНЫХ РАЙОНОВ

Перехватываемые системой каналов, труб и туннелей небольшие ручьи и еще неоформленный в ручьи склоновый сток ледников и вечных снегов могут быть использованы на весьма больших напорах, что пет достаточно большую мощность. Рельеф высокогорных районов может позволить соорудить здесь водохранилища для регулирования стока. Такого рода гидростанции построены в Болгарии, Австрии, Швейцарии и других странах. Однако трудности строительства и транспорта в горах ограничивают энергетическое использование высокогорного склонового стока.

Г. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТОКА ПОГРАНИЧНЫХ РЕК

Энергетическое использование стока пограничных рек обычно производится па паритетных началах. Электрическая энергия ГЭС, к,ik правило, делится поровну между пограничными государствами.

При гидроузле могут быть построены две ГЭС на разных берегах, для одного и для другого государства. Иногда реку делят на энергетические и эквивалентные участки. На одном участке строится гидроузел с ГЭС для одной страны, и на другом участке — для другой страны.

При комплексном использовании водных ресурсов пограничной реки потребности в воде для орошения и водоснабжения могут оказаться существенно различными, тогда необходима особая договоренность между государствами о распределении воды между ними.

8.5. СХЕМЫ НАСОСНОГО АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

Для насосного аккумулирования энергии необходимы верхний и нижний бассейны, водопроводящие сооружения и оборудование для перекачки воды из нижнего в верхний бассейн и последующего использования этой воды для выработки электрической энергии.

При отсутствии приточности к верхнему бассейну схема ГАЭС является простейшей (рис. 2-10). В обороте находится практически один и тот же объем воды; потери испарения и фильтрации должны возмещаться из какого-либо источника.

Верхний бассейн устраивается путем частичной срезки и обвалования возвышенности или путем сооружения плотины в ущелье. При наличии высокогорного озера оно может быть использовано в качестве верхнего бассейна. Для нижнего бассейна могут быть использованы водохранилище, озеро или река. Иногда для нижнего бассейна могут быть использованы заброшенные шахты, например угольные, или создан специальный подземный резервуар.

При больших напорах ГАЭС применяются компоновки с насосо-турбинными водоводами трубопроводами или штольнями. При благоприятных природных условиях непосредственно у верхнего бассейна устраивается водоприемник, который используется для подачи воды в водовод и далее к турбинам и приема воды в верхний бассейн при

работе насосов. Если водоприемник удален от верхнего бассейна то приходится сооружать между ними канал или туннель.

На ГАЭС устанавливаются или насосы и турбины, или обратимые гидравлические машины (насосо-турбины), которые могут работать попеременно как насос и как турбина. Электрическая машина тоже может быть изготовленa как обратимая и работать попеременно двигателем и генератором. Механически сочлененные обратимые гидравлическая и этектрическая машины составляют обратимый гидроагрегат. Такие агрегаты устанавливаются при напорах до 650 м. Широко распространены трехмашинные агрегаты, когда на одном валу размещается обратимая электрическая машина, турбина и насос. Между турбиной и насосом ставят муфту, которая позволяет отключать насос при paботе турбины. На рис 2 - 11 представлен энергобаланс трехмашинного агрегата мощностью 100 МВт ГАЭС Вианден-1.

При соответствующем обосновании устанавливаются paздельные агрегаты: насосный (электрический двигатель и насос) и турбинный (гидротурбина и гидрогенератор). Такую схему иногда называют четырехмашинной (более подробно см гл 8 и 26)

Здание ГАЭС сооружается на поверхности земли или под землей Специфическую компоновку будут иметь ГАЭС с подземными нижними резервуарами, которые, как показывают предварительные расчеты, могут оказаться экономичными при напорах 800—1200 м и более.

Если имеется значительный приток воды к верхнему бассейну, то электростанция становится ГЭС —ГАЭС. При напорах до 35—45 м такие электростанции будут руслового типа, при Н более 45 м — приплотинного или деривационного типа. Компоновка сооружений ГЭС — ГАЭС аналогична ГЭС, а необходимость иметь верхний и нижний бассейны и возможность перекачки воды из нижнего бассейна в верхний присущи ГАЭС.

Насосное аккумулирование энергии особенно выгоню, когда напор насосов оказывается намного меньше напора турбин, как показано на рис 2-12. При благоприятных топографических и энергетических условиях может оказаться целесообразным использование НС в качестве ГАЭС. Для этого необходимо иметь верхний и нижний бассейны и оборудовать станцию обратимыми агрегатами. Такие гидроэнергетические установки будем называть НС-ГАЭС.

8.6. СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПРИЛИВОВ

Периодические повышения и понижения уровня моря при приливах и отливах определяются силами притяжения Земля — Луна — Солнце и центробежными силами. Приливы обычно происходят два раза в сутки, чередование максимума и минимума приливов происходит через 6 часов 12 минут. Время прилива каждые сутки смещается на 50 минут. Продолжительность полного цикла составляет 29,53 суток. Наибольшая величина прилива т. е. разность максимального уровня при приливе и минимального уровня при отливе в открытом океане составляет 2 м и значительно увеличивается у побережья, в проливах и узких заливах. Наибольшая в мире величина прилива (19,0 м) наблюдается в заливе Фанди на Канадском побережье Атлантического океана. В СССР на побережье Охотского моря величина прилива в различных пунктах побережья составляет от 2 до 14,0 м, на побережье Кольского полуострова от 4 до 10 м.

Простейшей является однобассейная схема использования энергии приливов (рис 2-13). При наличии удобного естественного залива или фиорда который может быть отделен от моря плотиной и зданием ПЭС, он используется в качестве бассейна, наполняемого в часы прилива и oпорожняемого в часы отлива. На ПЭС предусматривают холостой водосброс. Например часть плотины делается водосливной или для холостого сброса воды используется здание ПЭС. Тогда здание выполняется или водосливного типа с переливом воды через крышу здания или совмещенного типа с водосбросными отверстиями внутри здания.

В часы прилива уровень воды в море выше, чем в бассейне и при достаточном напоре ПЭС может вырабатывать электрическую энергию, пропуская через турбины воду из моря в бассейн. В часы отлива создается перепад уровней между бассейном и морем. При достаточных напорах ПЭС вырабатывает электрическую энергию, пропуская через турбину воду из бассейна в море. При малых напорах ПЭС простаивает, обычно четыре раза в сутки. Часы работы ПЭС определяются временем наступления приливов и отливов и каждый день соответственно смещаются на 50 минут.

На ПЭС устанавливаются обратимые агрегаты двустороннего действия, которые могут работать в турбинном и насосном режимах при движении воды из моря в бассейн и из бассейна на море. На ПЭС устанавливаются агрегаты капсульного типа (см гл 8) с горизонтальном валом.| На другом его конце располагается обратимая гидравлическая машина, которая может работать попеременно как турбина и как насос. На другом конце вала в металлической капсуле, обмываемой водой, размещается обратимая электрическая машина, которая может быть использована попеременно как генератор и как двигатель.

За время одного цикла отлива - прилива, т. е. в течение примерно половины суток можно выделить шесть периодов четыре рабочих и два простоя.

1. Агрегаты ПЭС включаются в работу в турбинном режиме при достаточно высоком экономически обоснованном напоре Вода проходит через турбины из бассейна в море и ПЭС вырабатывает электрическую энергию и отдает ее в сеть. ПЭС работает до тех пор, пока напор не понизится до напора Н холостого хода.
2. Для быстрейшего опорожнения бассейна производится холостой сброс воды через водосливную плотину или через водосбросные отверстия здания ПЭС. Посредством перекачки воды насосами уровень воды в бассейне понижают ниже уровня воды в море. При работе насосов ПЭС потребляет электрическую энергию.

3 Период ожидания, в течение которого происходит процесс повышения уровня воды в море Агрегаты ПЭС простаивают до тех пор, пока не будет достигнут экономически обоснованный напор, при котором выгодно включать турбины

Четвертый, пятый и шестой периоды отличаются от предыдущих тем, что вода будет проходить через турбины, затем через водослив и перекачивается насосами из моря в бассейны. Перекачка воды насосами происходит при низких напорах, а используется она при более высоких напорах. Такое насосное аккумулирование энергии оказывается весьма выгодным. Выработка электроэнергии на перекачиваемой воде превышает потребление энергии из сети для работы насосов. В результате за счет насосного аккумулирования отдача энергии ПЭС увеличивается на 5—8 %

Потребление электроэнергии в электрических системах обычно характеризуется наличием двух регулярных пиков нагрузки — утреннего и вечернего, и двух снижений – ночью и в часы дневного обеденного периода.

Для приспособления отдачи энергии к режиму электропотребления наряду с сооружением ПЭС надо построить ГАЭС или ГЭС с водохранилищем.

Возможны и другие схемы использования энергии приливов. Если, например, использовать два соседних фиорда или разделить залив плотиной на два бассейна, то получим двухбассейную схему. Здание ПЭС с оборудованием размещается между бассейнами. Один бассейн можно соединить с морем при приливе, а второй при отливе. При этом между бассейнами будет разность уровней и ПЭС большую часть суток сможет иметь напор, достаточный для работы турбин. Такая схема менее экономична, чем однобассейновая.

ПЭС Ранс и Кислогубская ПЭС построены по однобассепповой схеме. План ПЭС Ранс показан на рис 2-14. На ПЭС установлено 24 капсульных агрегата. ПЭС работает при амплитудах прилива 3,3— 13,5 м, при среднем значении 8,4 м. В составе сооружений ПЭС Ране имеется судоходный шлюз.

На рис. 2-15 представлен поперечный разрез здания Кислогубской ПЭС. При строительстве ПЭС был применен прогрессивный наплавной метод. В 100 км от Кислой Губы был изготовлен наплавной док — блок для размещения в нем агрегата. Блок был доставлен на понтонах в Кислую Губу и установлен на подготовленное основание без устройства перемычек

В СССР проведена предварительная проектная работа по Лумбовской ПЭС на Кольском полуострове мощностью 320 МВт и годовой выработкой электроэнергии около 800 млн. кВт-ч. Изучаются возможности строительства на побережье Белого моря Мезенской ПЭС мощностью 6 млн. кВт, и на побережье Охотского моря Тугурской ПЭС — 9 млн. кВт и Пенжинской ПЭС — 35 млн. кВт.

9. Гидравлические турбины.

9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОТУРБИН

Гидравлической турбиной называется двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию вращения его рабочего колеса. Из основного закона механики жидкости — закона Бернулли следует, что удельная энергия, т. е. энергия единицы массы, Я на входе в рабочее колесо составляет

(9.1)

на выходе из рабочего колеса

(9.2)

Обозначения всех входящих в формулы (91) и (9.2) величин приведены в § 3 2.

В зависимости от того, какие из трех членов уравнения Бернулли главным образом использованы в конструкции машины, различаются типы турбин.

Отданная водой рабочему колесу энергия равна разности энергий в потоке до и после рабочего колеса

(9.3)

Таким образом, вся энергия потока состоит из энергии положения Z1-Z2 энергии давления (образующих вместе потенциальную энергию), а также кинетической энергии

Турбины, хотя бы частично использующие потенциальную энергию, называются реактивными. В таких турбинах

(9.4)

и, следовательно, процесс преобразования энергии на рабочем колесе происходит с избытком давления. Кроме того, в рабочем колесе частично используется и кинетическая энергия потока.

Если в гидротурбинах используется только кинетическая энергия потока, то они называются активными.

В таких турбинах Z1=Z2, p1=p2 т. е. вода поступает на рабочее колесо без избыточного давления. Для достижения высокого КПД в них почти весь напор преобразуется

в скорость.

Мощность турбины согласно уравнению (3.54) может быть выражена

(9.5)

В практике принято гидротурбины подразделять на классы, системы, типы и серии. Существует два класса гидротурбин: активные и реактивные

Класс реактивных турбин объединяет следующие системы: осевые – пропеллерные и поворотно - липастные, диагональные поворотно – лопастные и радиально -осевые турбины.

В класс активных турбин входят системы ковшовых, наклонно-струйных турбин и турбин, двойного действия. Последние две системы не имеют столь широкого распространения, как ковшовые.

Каждая система турбин содержит несколько типов., имеющих геометрически, подобные проточные части и одинаковую быстроходность, но различающихся по размерам. Геометрически подобные турбины различных размеров образуют серию.

Кроме того, все турбины условно делятся на низко-, средне- и высоко-напорные. Низконапорными принято считать, турбины, работающие при Н<25 м, средненапорными при 25 Н 80 м и высоконапорными при Н > 80 м.

Турбины подразделяются на малые, средние и крупные.

К малым туpбинам относятся те, у которых диаметр рабочего колеса Di l,2 м при низких, напорах и Di 0,5 м при высоких, а мощность составляет не более 1000 кВт.

К средним — те турбины, у которых l,2 Di 2,5 м при низких напорах и 0,5 м Di l,6 м при высоких, а мощность 1000 кВт<N15000 кВт.

К крупным турбинам относятся те, которые имеют D1 и N1 больше, чем у средних. Подчеркнем, однако, условность и историчность такого деления гидротурбин.

9.2. АКТИВНЫЕ ГИДРОТУРБИНЫ.

Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые. Принципиальная схема ковшовой турбины приведена на рис. 9.1. Вода из верхнего бьефа подводится трубопроводом к рабочему колесу, выполненному в виде диска, закрепленного на валу турбины, и вращающемуся в воздухе. По окружности диска расположены ковшеобразные лопасти (ковши) (рис. 9.2). На ковшах, происходит преобразование гидравлической энергии, заключенной в струе, в механическую. Ковши равномерно распределяются по ободу рабочего колеса и последовательно один за другим при его вращении принимают струю.

Подвод воды к рабочему колесу осуществляется посредством сопла, внутри которого расположена регулирующая игла. Сопло представляет, собой сходящийся насадок из отверстия которого при работе турбины выбрасывается струя
воды. В сопле вся энергия воды, подведенная к нему по трубопроводу за вычетом потерь, обращается в кинетическую.

Игла, перемещаясь в сопле в продольном направлении, меняет его выходное сечение и тем самым диаметр выходящей струи. При изменении диаметра струи изменяется расход через сопло.

Игла в одном из крайних своих положений полностью закрывает сопло и останавливает турбину. Вода, отдав свою энергию рабочему колесу, стекает с него в отводящий канал.

Для быстрого отвода струп от рабочего колеса, необходимого для предотвращения гидравлического удара, возникающего при медленном закрытии сопла иглой, применяется отклонитель, отбрасывающий воду в сторону. Перемещение иглы и отклонителя производится одновременно.

Таким образом, в ковшовых турбинах осуществляется регулирование расхода и мощности турбины.

Конструктивные формы ковшовых турбин довольно разнообразны и могут различаться по расположению вала (вертикальные и горизонтальные), по числу сопл и рабочих колес на одном валу. Турбины используются в диапазоне напора 300—2000 м с диаметром рабочего колеса до 7,5 м. Известна турбина мощностью 200 МВт (ГЭС Мон-Се-пи, Франция).

9.3. РЕАКТИВНЫЕ ГИДРОТУРБИНЫ

К реактивным гидротурбинам относятся: радиально-осевые пропеллерные, поворотно-лопастные (включая двухперовую) и диагональные. Общий вид рабочих колес представлен на рис. 9.3.

Для реактивных турбин характерны следующие основные признаки.

Рабочее колесо располагается полностью в воде, поэтому поток поды отдает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса.

Перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме, остальная же — потенциальная энергия, соответствующая разности давлений до и после колеса.

Избыточное давление p/pg по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса расходуется на увеличение относительной скорости, т. е. на создание реактивного давления потока на лопасти. Изменение направления потока за счет, кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока. Таким образом, действие потока на лопасти рабочего колеса складывается из реактивного воздействия, возникающего из-за увеличения относительной скорости, и активного давления, возникающего из-за изменения направления потока

Радиально-осевые турбины (РО) (за рубежом их называют турбинами Френсиса) характерны тем, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной плоскости, а после рабочего колеса — в осевом направлении, и используются в довольно широком диапазоне напоров — от 30—40 м до 500— 550 м Талой большой диапазон обеспечивается конструктивными изменениями рабочего колеса и всей турбинной установки

Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из ряда лопастей 2 сложной пространственной формы, равномерно распределенных по окружностям ступицы 1 (верхний обод) и нижнего обода 3 (рис 93,а и 94) Все три части объединены между собой и представляют одну жесткую конструкцию Число лопастей может колебаться от 9 для низконапорных до 21 для высоконапорных турбин. За диаметр рабочего колеса принимается максимальный диаметр по входным кромкам лопастей D1.

Лопасти рабочих колес крупных гидротурбин имеют в сечении по линии потока обтекаемую форму, что позволяет делать их значительной толщины для достижения необходимой прочности

С увеличением используемого напора форма рабочего колеса радиально-осевых турбин меняется, отношение выходного диаметра к входному D2/D1 уменьшается.

Так, для Красноярской ГЭС (Нмакс101м) D2/D1 = 1,13, а для Ингурской ГЭС (Нмак° 410 м) D2/D1=0,68

Высоконапорные турбины оборудуются холостыми выпусками для отвода воды от рабочего колеса и уменьшения за этот счет гидравлического удара при сбросе нагрузки Caмая мощная турбина такого типа в СССР (650 МВт) установлена на Саяно-Шушенской ГЭС.

Пропеллерные турбины (Пр). Рабочее колесо такой турбины располагается в камере ниже направляющего аппарата Поэтому между направляющим аппаратом и рабочим колесом осуществляется нерабочий поворот потока На лопасти рабочего колеса поток поступает только в осевом направлении, из-за чего такие турбины называются осевыми.

Рабочее колесо (рис 9 3,6 и 9 5) состоит из втулки / с обтекателем 2 и рабочих лопастей 3 и, как видно из рисунков, отличается от колес радиально-осевых турбин отсутствием нижнего обода, меньшим числом лопастей и их формой (в данном случае она похожа па форму гребного винта или пропеллера).

Число лопастей зависит от напора и может колебаться от трех до восьми (растет с увеличением напора). Лопасти закреплены на втулке под постоянным углом =-10°;-5°; 0°; +5°; +10°; 15°; +20°, отсчитываемым от некоторого среднего положения (=0). Обычно на турбинах с диаметром рабочего колеса Di l,6 м имеется возможность перестановки лопастей при останове турбины на тот или иной угол, если такая потребность возникнет во время эксплуатации.

Основным достоинством пропеллерных турбин является простота конструкции и сравнительно высокий КПД. Однако турбины имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что с изменением нагрузки резко изменяется и КПД, Зона высоких значений КПД наблюдается только в узком диапазоне изменения мощности. Этот недостаток существенно снижает эффективность пропеллерных турбин при использовании их в системах с дефицитом энергии. Однако это несущественно, если основным назначением ГЭС является работа в пиковой части графика нагрузки, т. е. при малом числе часов использования установленной мощности ГЭС, Иногда на крупных ГЭС пропеллерные турбины устанавливаются совместно с радиально-осевыми или поворотно-лопастными, которые имеют более растянутый диапазон максимального значения КПД.

Поворотно-лопастные турбины (ПЛ). По конструктивному выполнению поворотно-лопастные турбины (за рубежом их называют турбины Каплана) отличаются от пропеллерных только тем, что у них лопасти рабочего колеса в процессе работы могут поворачиваться вокруг своих осей, перпендикулярных оси вала (см. рис. 9.3,е).

Мощность, отдаваемая рабочим колесом такой турбины, и его КПД при постоянном напоре зависят как от открытия лопаток направляющего аппарата (см. § 9.4), так и от угла поворота лопастей по отношению к втулке. Изменяя угол установки лопастей при различных открытиях направляющего аппарата, а следовательно, при различной мощности, можно найти такое положение лопастей, при котором КПД турбины будет иметь наибольшее значение. Конструктивно поворотно-лопастные турбины выполняются таким
образом, что лопасти рабочего колеса на ходу турбины могут автоматически поворачиваться на некоторый (оптимальный) угол ср (отсюда название поворотно лопастные) одновременно с изменением открытия направляющего аппарата. Такое двойное регулирование дает очень большие преимущества, так как обеспечивает автоматическое поддержание высокого значения КПД в широком диапазоне изменения мощности.

Поворотно-лопастные турбины используются в диапазоне напоров-от 3—5 до 35—45 м. В последнее время, стремясь использовать некоторые преимущества этих турбин перед радиально-осевыми предпринимаются небезуспешные попытки применять их на напоры до 70— 75 м. Наиболее мощная поворотно-лопастная турбина (178 МВт) изготовлена в СССР и установлена па ГЭС Джердан на Дунае.

Двухперовая турбина. Увеличение числа лопастей рабочего колеса поворотно-лопастной турбины по мере повышения используемого напора приводит к возрастанию относительного диаметра втулки (dвт/D1) и последующему ухудшению энергетических качеств турбины. Для смягчения этого недостатка применяются спаренные (двухперовые) рабочие лопасти, имеющие общий фланец и общую цапфу (рис. 9.3,г; 9.6), что позволяет повысить пропускаемый турбиной расход. Двухперовые турбины не тлеют пока широкого распространения.

Диагональные турбины (Д). Появление этих турбин обусловлено теми же причинами, что и двухперовых, т. е. стремлением обеспечить возможность работы осевых турбин двойного регулирования в области напоров, используемых радиально-осевыми турбинами.

Отличие диагональных турбин от поворотно-лопастных заключается в конструкции рабочего колеса, которая представляет собой конусообразную втулку с расположенными на ней под некоторым углом к оси вращения колеса лопастями (число их доходит до 14), могущими поворачиваться вокруг своих осей (рис. 9.3,<Э). При этом втулка рабочего колеса, несмотря на свои относительно большие размеры по сравнению с втулкой у поворотно-лопастных турбин не создает стеснения потока. Благодаря этому за рабочим колесом нет участка с резким расширением сечения, как в осевых турбинах, что в 'сочетании с другими особенностями диагональных турбин обеспечило им более высокие энергетические и кавитационные (см. § 9.5) качества. Максимальное значение КПД диагональной турбины на 1,5—2,5% выше, чем осевой. Вместе с тем они сложнее по конструкции, чем осевые и радиально-осевые, а последним в ряде случаев уступают и по кавитационным Качествам.

Диагональные турбины не имеют широкого распространения в СССР, они установлены лишь на Бухтар-мниской и Зейской ГЭС мощностью 75 и 200 МВт соответственно. Однако, как показывают исследования, они могут оказаться весьма, эффективными в диапазоне напоров от 35—40 м до 150—200 м и особенно при больших колебаниях нагрузки.

Часть из рассмотренных здесь турбин может быть использована не только в вертикальном, но и в горизонтальном исполнении. Кроме того, турбины могут быть выполнены обратимыми (турбина-насос), что, в частности, важно для сооружаемых ГАЭС.

9.4. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОТОЧНОГО ТРАКТА РЕАКТИВНЫХ ГИДРОТУРБИН

Каждому типу гидротурбин присущи свои особенности в их проточном тракте. Рассмотрим только наиболее часто применяемые реактивные гидротурбины.

Основными элементами проточной части реактивных гидротурбин (рис. 9.7) кроме описанного ранее рабочего колеса, являются: турбинная (спиральная) камера 1, статор турбины 2, направляющий аппарат 3, камера с рабочим колесом 4, отсасывающая труба 5, камера рабочего колеса 6.

Вода из верхнего, бьефа низконапорных ГЭС поступает непосредственно к турбинной камере, предназначенной для подвода воды на рабочее колесо. В высоконапорных гидроэлектростанциях вода к турбинной камере направляется по трубопроводу.

Турбинные камеры. Различают открытые и спиральные турбинные камеры. Для малых турбин (0^1,6 м) и низких 'напоров (9—10 м) турбинные камеры выполняются открытыми. Для средних и крупных турбин — спиральными. При Этом, если напор менее 40 м, спирали изготовляются бетонными таврового сечения (рис.. 9.8,а), при более высоких напорах — металлическими (сварными или литыми) круглого сечения (рис. 9.8,6).

Площадь входного сечения спирали зависит от расхода и скорости потока. Для сохранения постоянной скорости воды в спирали сечение последней уменьшается по мере поступления воды в направляющий аппарат. Угол охвата спирали <р°Мако отсчитывается от начального сечения до ее концевой части, называемой зубом -спирали: В бетонных спиральных камерах этот угол принимается не менее 180°, для стальных достигает 345—360°. Снижение угла °макс для низконапорных ГЭС приводит к уменьшению ширины подводящего водовода (размер В на рис. 9.8) и объема строительных работ.

Статор турбины служит для передачи нагрузки на фундамент ГЭС от вращающихся частей агрегата, осевого усилия воды и массива здания электростанции, расположенного над спиралью. Статор обычно состоит из отдельно поставленных колонн, связанных между собой при помощи верхнего и нижнего поясов. Число колонн по соображениям уменьшения сопротивлений потоку обычно выбирается вдвое меньше числа направляющих лопаток. Конструктивно колонны располагаются так, чтобы между выходной кромкой колонны и направляющей лопаткой оставался достаточный зазор. Размеры колонны в плане, их конфигурация и расположение целиком определяются геометрическими данными спирали, условиями обтекания, а также условиями прочности.

Направляющий аппарат служит для подвода воды к рабочему колесу, регулирования расхода в соответствии с развиваемой мощностью генератора, закрытия доступа воды к турбине при ее остановке и создания определенного направления (закрутки) потока.

Направляющий аппарат состоит из двух опорных колец и подвижных лопаток обтекаемой формы, размещенных между этими кольцами Лопатки с помощью регулирующего кольца 1 (рис. 9.9) могут одновременно поворачиваться вокруг собственных осей 5 на определенный угол, образуя одинаковые просветы а0, называемые открытием направляющего аппарата.

Регулирующее кольцо поворачивается под воздействием специальных механизмов системы регулирования (сервомоторов), прикрепляемых тягой 4 Число подвижных лопаток зависит от размеров турбины, определяемых диаметром рабочего колеса, и колеблется от 12 до 32 (при Di>8,5 м)

Камера рабочего колеса представляет собой металлическое кольцо (см. рис. 9.5), в котором размещается рабочее колесо осевых турбин. К нижнем части камеры непосредственно примыкает отсасывающая труба.

Отсасывающая труба предназначена для отвода воды из рабочего колеса турбины и нижним бьеф и оказывает большое влияние, па энергетические показатели турбины.

При прямоосной отсасывающей трубе используемый турбиной напор определяется не разностью отметок между верхним и нижним бьефом, а разностью отметок между верхним бьефом и выходом из рабочего колеса. В этом случае напор, равный по величине высоте расположения рабочего колеса над уровнем нижнего бьефа, называемый высотой отсасывания и обозначаемый Ив (рис. 9.10) теряется.

При такой конструкции скорости в потоке воды на выходе из отсасывающей трубы значительно меньше, чем на входе в нее, а следовательно, потери кинетической энергии уменьшаются. Однако применение конических прямоосных отсасывающих труб для больших турбин приводит, к необходимости значительного заглубления подземной части здания ГЭС, что влечет за собой дополнительную затрату средств и увеличение объема работ. Поэтому такие трубы применяются для турбин с диаметром до 1,5—2 м. При больших диаметрах турбин используются изогнутые отсасывающие трубы (рис.. 9.11), состоящие из конически расходящегося патрубка 1, колена 2 и горизонтального раструба 3. Такие трубы дают возможность уменьшить заглубление здания ГЭС.

Основные габариты изогнутой отсасывающей трубы определяются для поворотно-лопастных турбин высотой h=(1,92,3)D, и длиной L=(3,54,5).Di. Для раднально-асевых турбин эти размеры несколько выше. Вообще по энергетическим показателям всегда предпочтительнее более высокая труба, однако, как указывалось выше, с ростом h увеличивается объем работ и стоимость сооружения ГЭС.

9.5. КАВИТАЦИЯ

Кавитация представляет собой физическое явление, возникающее в потоке при быстром течении жидкости, и оказывает влияние на энергетические и механические показатели турбин, ухудшая их с момента своего появления.

Известно, что чем меньше давление, оказываемое на жидкость, тем ниже температура ее кипения. Если быстро текущая вода встречает на своем пути какое-либо препятствие, то за ним появится область пониженного давления, и если давление в этой- области будет меньше упругости водяных паров, то вода там закипит и будут образовываться пузырьки пара. По мере дальнейшего продвижения пузырьков с потоком воды в зону более высокого давления пар в них конденсируется и образуются пустоты, а при объединении их — крупные -каверны. Эти пустоты мгновенно заполняются водой и в центре их возникает гидравлический удар с давлением до нескольких тысяч атмосфер. Если пустоты смыкаются в потоке на металлической поверхности какой-либо детали или на бетоне, то последние начинают разрушаться.

Кроме того, в зоне пониженного давления начинают интенсивно выделяться из воды газы (воздух), которые, попадая в смыкающиеся пузырьки пара, сильно сжимаются, вследствие чего температура газов резко повышается. Кислород же (из воздуха) при высокой температуре, активно воздействуя на металл, способствует коррозии и дополнительному его разрушению.

У реактивных турбин кавитационному разрушению подвержены главным образом нижние (по потоку) поверхности лопастей рабочего колеса, его камера, а также другие части турбины, где образуется пониженное давление. У ковшовых турбин при кавитации разрушаются в первую очередь сопла.

При кавитации возникает характерный шум и вибрация машины (иногда удары). Кавитация снижает КПД, пропускную способность и мощность турбин. Все это является крайне нежелательным, а в ряде случаев недопустимым.

Разрушительное действие кавитации можно значительно уменьшить тщательной обработкой подверженных ей элементов турбины, а также применением для них особо стойких материалов (хроме-никелевые стали).

Особое значение имеет обеспечение бескавитационных условий работы реактивных турбин. Эти условия определяются, выбором соответствующего заданному напору типа и быстроходности турбины (см. § 9.6), а также высоты отсасывания Hs, определяемой расположение ем турбины относительно уровня нижнего бьефа.

Кавитация будет отсутствовать, если будет соблюдено следующее условие:

(9.6)

где В — барометрическое давление, м вод. ст., которое определяется расположением турбины над уровнем моря по формуле В=10,33-V./900 (10,33- атмосферное давление на уровне моря, м вод. ст., а. V — абсолютная отметка местоположения турбины над уровнем моря, м); а — коэффициент кавитации, изменяющийся в зависимости от типа турбины и их нагрузки. Обычно о определяется при испытании модели турбины.

Практически считается, что кавитация будет отсутствовать, если

(9.7)

где k — поправочный коэффициент, вводимый при пересчете коэффициента с модели на натуру (k = 1,051,1).

Высоту отсасывания Hs принято отсчитывать:

для вертикальных радиально-осевых турбин — от нижней плоскости направляющего аппарата;

для горизонтальных радиально-осевых и поворотно-лопастных—'от наивысшей точки рабочего колеса;

для вертикальных пропеллерных и поворотно-лопастных турбин — от оси разворота лопастей рабочего колеса.

Высота отсасывания принимается положительной, если плоскость отсчета ее находится выше уровня воды в нижнем бьефе (см. рис. 9.10), в противном случае, когда рабочее колесо турбины находится ниже уровня нижнего бьефа,— отрицательной.

1. ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ И ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ.

10.1. СОСТАВ И КОМПОНОВКА ОСНОВНЫХ СООРУЖЕНИЙ ГЭС

Состав и компоновка сооружений ГЭС определяется схемой концентрации напора. Как указывалось в § 3.4, существует две основные схемы концентрации напора: плотинная и деривационная. Гидроэлектростанции, сооруженные по плотинной схеме, делятся в свою очередь на два типа: русловые и приплети иные. Деривационные ГЭС также делятся на два типа: с безнапорной деривацией и напорной.

Основными сооружениями ГЭС, выполненными по плотинной схеме, являются плотины и здание ГЭС. При напоре до 25—30 м здание станции 3 размещается в одном створе с плотиной и воспринимает напор. Такие гидроэлектростанции называются русловыми. На рис. 10.1,а изображена в плане схема размещения основных сооружений такой ГЭС.

При комплексном использовании водотока в состав гидроузла, кроме плотины 2 и здания ГЭС, включаются сооружения, предназначенные для удовлетворения специфических нужд каждого участника комплекса (шлюз для транспорта, водозаборные сооружения для ирригации и водоснабжения, рыбоходы и т. д.).

При напоре, превышающем 25— 30 м, здание ГЭС размещается за; плотиной в нижнем бьефе и не воспринимает напор (рис. 10.1,6). Такие ГЭС носят название приплотинных. При комплексном назначении гидроузла в него так же, как и в предыдущем случае, включаются сооружения неэнергетических участников комплекса. Поскольку в этой схеме здание ГЭС не воспринимает напор, то для подачи воды к турбинам ГЭС необходимы водоприемники 4 и турбинные трубопроводы 6, как это показано на рис. 10.1,6, где эти сооружения совмещены с плотиной. Вообще, компоновка гидроузлов с приплотинными ГЭС в значительной степени зависит от типа плотины и создаваемого ею напора. куда вода по.турбинным трубопроводам 5 поступает к турбинам, расположенным в здании ГЭС 6, и далее в

отводящий канал 7 и реку.

В том случае, когда местность сильно пересеченная и для безнапорной деривации нет благоприятных условий, устраивается напорная в виде туннеля или трубопровода (рис. 10.3). Как в том, так и в другом случае поперечное сечение водовода полностью заполнено водой.

Головной узел в этом случае также включает в качестве основных сооружений плотину / с водосбросом 2 и водоприемник 3. Однако плотина здесь более высокая, а водоприемник глубинный; что позволяет забирать воду при больших колебаниях уровня воды в водохранилище.

Станционный, узел в отличие от ГЭС с безнапорной деривацией содержит.уравнительный резервуар 6, основное назначение которого — борьба с возможными гидравлическими ударами при нестационарных режимах в турбинных трубопроводах 7.

ПЛОТИНЫ И ЗАТВОРЫ ГЭС

Плотины, перегораживая русла реки, предназначены для создания водохранилища и тем самым являются главнейшим сооружением гидроузла для создания напора и регулирования стока.

Все плотины делятся, на две основные группы, отличающиеся друг от друга используемым материалом: плотины бетонные и железобетонные и плотины грунтовые (земляные, каменно-набросные и каменно-земляные).

Бетонные и железобетонные плотины по конструктивным признакам делятся на гравитационные, арочные и контрфорсные. Отличительным признаком гравитационных плотин является их массивность (рис. 10.4). Большая масса их и силы сцепления (трения) по основанию позволяют воздвигать такого рода плотины на любых грунтах. Считается, что при высоте до 30—40 м гравитационная плотина может быть сооружена на слабом основании (песок, глина), а на скальном основании высота ее может достигать 300 м.

По возможности пропуска воды такие плотины могут быть глухими (рис. 10.4,а), т. е. не допускающими перелива воды через свой гребень, и водосливными (рис. 10.4,6). Последние выполняются с поверхностными (водосливными) или заглубленными (донными) отверстиями для пропуска воды. Плотины русловых ГЭС состоят обычно из глухой и водосливной части. Высокие плотины в узких ущельях часто строятся глухими. В этом случае сброс излишней воды осуществляется в обход плотины по поверхностному или туннельному водосбросу. В теле бетонных плотин обычно устраиваются продольные галереи (патерны), предназначенные для контроля фильтрации воды через тело плотины.

Арочные плотины представляют собой свод, очерченный в плане r виде дуги, упирающейся своими концами в скальные берега, которые и воспринимают основную часть давления воды на плотину со стороны верхнего бьефа (рис 105). Высота таких плотин может достигать более 300 м, однако бетона в ней будет меньше, чем в равноценной по высоте гравитационной. Как разновидности такие плотины могут быть одноарочными и многоарочпыми, а также арочно-гравитационными. Во всех этих случаях плотины могут содержать специальные водосбросы

Контрфорсные плотины выполняются в виде железобетонных ребер (контрфорсов) на которые со стороны верхнего бьефа наклонно укладываются железобетонные плиты 1, воспринимающие давление воды (рис 10.6). Контрфорсы 2 скрепляются между собой балками жесткости 3, образуя по фронту отдельные пролеты. При соответствующей конструкции гребня с низовой стороны контрфорсные плотины могут быть водосливными Высота современных крупных контрфорсных плотин превышает 100 м (Зейскал ГЭС--115 м).

Земляные плотины бывают насыпными и намывными. Первые устраиваются путем отсыпки в виде горизонтальных слоев небольшой толщины с последующим уплотнением укаткой пли трамбованием с увлажнением уплотняемого грунта Намывные земляные плотины строятся методами гидромеханизации, сводящемся к подаче размытого в карьере разжиженного грунта к месту укладки насосами по трубопроводам или самотеком по трубам пли лоткам.

Верховой откос плотины для защиты от воздействия волн и льда укрепляется в пределах изменения уровня воды бетонными плитами или камнем (рис. 107,а)

Низовой откос со стороны нижнего бьефа укрепляется дерном и снабжается в некоторых случаях горизонтальной площадкой, называемой бермой, которая служит для защиты откоса от смыва грунта водой.

Если земляная плотина сооружается из сильно водопроницаемых грунтов (например, крупного песка), то для уменьшения фильтрации устраиваются преграды в виде экрана 3, ядра 5, а иногда и понура 4 (рис 107, б, в). Эти преграды устраиваются из маловодопроницаемого грунта, например глины

Для пропуска через тело плотины фильтрующей воды и задержания при этом выноса мелких частиц грунта на всех земляных плотинах со стороны нижнего бьефа устраиваются так называемые дренажные призмы 6.

Величина заложения откосов m-ctg принимается в зависимости от свойств грунта и высоты плотины в пределах, указанных для примера на рис. 10.7,а.

Нередки случаи сооружения земляных плотин из разных по своим водопроницаемым, свойствам грунтов. В этом случае, чем лучше грунт, тем ближе со стороны верхнего бьефа он располагается (рис. 10.7,г).

Земляные плотины имеют очень широкое распространение. Их строят, как правило, глухими. Высота их достигается 100 м и более.

Каменно-набросные плотины сооружаются путем наброски в русло реки с некоторой высоты камня различных размеров. По мере роста плотины каменная наброска уплотняется струей воды под давлением, а также специальными катками и вибраторами.

Водонепроницаемость таких плотин достигается путем устройства экрана 3 из железобетона со стороны верхового откоса (рис. 10.7, д), укладываемого на специальную подэкрановую каменную кладку 7.

Каменно-набросные плотины сооружаются, как правило, глухими. Высота их достигает 300 м.

В каменно-земляных плотинах большая часть их тела выполнена из каменных материалов, а противофильтрационное устройство - из маловодопроницаемого грунта. Высота их достигает 300 м и более (Нурекская ГЭС).

Затворы. Для сброса возможных излишков воды в водохранилищах и пропуска ее в нижний бьеф в специальных целях, а также для пропуска льда, наносов и плотов плотины и другие сооружения ГЭС снабжаются соответствующими затворами. Специальные затворы устанавливаются также в турбинных трубопроводах.

В зависимости от рода перекрываемых отверстий затворы сооружений ГЭС делятся на поверхностные, закрывающие водосливные и водоприемные отверстия, куда вода поступает из верхних слоев водохранилища, и глубинные, служащие для закрытия глубинных отверстий, расположенных ниже уровня воды верхнего бьефа.

Из поверхностных затворов следует отмстить прежде всего плоские щиты и шандоры. Первые являются основными затворами, вторые используются при ремонте оборудования и сооружений. Плоский затвор помещается в пазах быков или устоев и передвигается в вертикальном направлении (рис 10 8,а). Воспринимаемое им давление воды передается быкам или устоям. Затворы обычно выполняются металлическими. Различают затворы скользящие, колесные и катковые. Последние два изготовляются для облегчения подъемных усилий. Предусматриваются специальные уплотняющие устройства для предотвращения фильтрации воды через зазоры между затвором и неподвижными частями сооружений

Шандоры представляют собой деревянные или металлические балки, укладываемые в пазах друг на друга в виде стенки (рис 10.8, б) Подобные щиты и шандоры устанавливаются также на входе в напорные трубопроводы турбин и па выходе из отсасывающей трубы.

Сегментные затворы представляют собой изогнутый по дуге круга щит, могущий целиком вращаться вокруг некоторой оси, на который насажены ноги, поддерживающие полотнище затвора (рис 10.8,в). Ноги шарнирно закреплены в быках или устоях, воспринимающих давление воды. При маневрировании затворы вращаются вокруг горизонтальной оси рас положения шарниров.

По сравнению с плоским щитом сегментный затвор обладает рядом преимуществ при равных размерах и массе. Главнейшие из них следующие значительно меньшее подъемное усилие, лучшая работа в зимних условиях (отсутствие обмерзающих колес), меньшая высота быков, возможность автоматического действия. Однако имеются и недостатки необходимость большей длины устоев, невозможность переустановки затвора из одного отверстия в другое.

Вальцовые или цилиндрические затворы представляет собой полый металлический цилиндр, перекрывающий водосливное отверстие и поднимаемые вверх путем перекатывания его по зубчатым рейкам, расположенным в нишах быков или устоев (рис 108,г). Для увеличения высоты затвора его цилиндр снабжается специальным нижним, а иногда и верхним щитками.

Вальцовые затворы обладают большой жесткостью, поэтому получили широкое распространение па плотинах с тяжелыми условиями зимней службы (навал льда). Затворы могут перекрывать пролеты шириной до 45—50 м и высотой до 9 м. К недостаткам их следует отнести значительную массу и стоимость, а также значительные размеры быков.

Секторные затворы имеют поперечное сечение в виде сектора покрытого водонепроницаемой обшивкой устанавливаемой обычно по трем плоскостям (рис 10.8 д) Под затвором в теле плотины устраивается ниша, в которую опускается затвор при

необходимости сброса излишней воды. Затвор вращается на оси, закрепленной в пороге плотины. Управление им обычно гидравлическое. Затворы удобны для сброса льда и плавающих тел с малыми потерями воды, могут перекрывать пролеты шириной до 60 м и высотой до 10 м.

Водосбросные глубинные отверстия плотин перекрываются глубинными затворами, которые могут быть плоскими, сегментными, цилиндрическими, дисковыми и т. д. Первые два типа аналогичны описанным выше (рис. 10.9,а, в).

Задвижки (рис. 10.9,6) имеют небольшие габариты и действуют от гидравлического или электрического привода. Конструктивно они представляют собой литые диски прямоугольной или круглой формы, которые перекрывают галереи или трубопроводы. Эти диски при открытии отверстия вдвигаются внутрь специального кожуха. Задвижки применяются в основном как рабочие затворы на напоры до 400 м. Их диаметр зависит от используемого напора и может достигать нескольких метров.

Цилиндрические затворы. Конструктивно затворы представляют собой полые цилиндры, перемещающиеся по вертикали (рис. 10.9,г). Своей боковой поверхностью или днищем они закрывают отверстия башенных водоприемников. Из-за своей громоздкости они не получили заметного распространения, хотя и имеют хорошие эксплуатационные качества. Они используются для напоров, не превышающих 100 м.

Дисковые затворы состоят из цилиндрического корпуса, в котором на горизонтальной или вертикальной оси вращается диск (рис. 10.9,д). Дисковые затворы надежны в эксплуатации, являются наиболее распространенными, изготовляются диаметром до 8,5 м и устанавливаются на напорных трубопроводах при напоре до 250—300 м (при небольших диаметрах до 600 м). Управление затвором осуществляется, как правило, с помощью гидравлического привода, приводимого в действие сервомоторами.

Достоинством затворов являются хорошие маневренные качества и сравнительно низкая стоимость. Недостатком — сложность создания хороших уплотнений и сравнительно большая потеря напора.

Игольчатые затворы состоят из корпуса и обтекателя, внутри которого перемешается плунжер (игла), закрывающий и открывающий отверстие в корпусе (рис. 10.9,е). Затворы имеют малые потери напора и применяются при диаметрах трубопровода до 6,5 м и напорах до 800 м. Устанавливают их главным образом с низовой стороны водоспуска. К недостаткам относят высокую стоимость, сложность конструкции и изготовления.

10.3. ЗДАНИЯ ГЭС.

Конструкцию и компоновку здания ГЭС определяют природные условия, схема концентрации напора, напор, тип и параметры гидроагрегатов (турбина и генератор, соединенные общим валом) и трансформаторов, вспомогательного оборудования. Габариты здания определяются размерами агрегатных блоков, и в частности, длина его - количеством агрегатных блоков и размером монтажной площадки. В свою очередь габариты блока зависят от мощности (напора и расхода воды) турбины, и ширина его определяется размером спиральной камеры. Обычно на гидроэлектростанциях устанавливается не менее двух-трех одинаковых агрегатов.

Тип и конструкция здания должны быть экономически и технически всесторонне обоснованы и в то же время должны обеспечивать надежную работу оборудования и удобные условия эксплуатации. Предъявляемые в этом плане требования к зданиям иногда противоречат друг другу. Так, например, чрезмерная экономия при строительстве снижает надежность и удобство эксплуатации, особенно в части проведения профилактических осмотров и ремонтов, что неизбежно влечет за собой увеличение эксплуатационных издержек.

В соответствии со схемами концентрации напора здание ГЭС принято делить на три типа:

здания русловой ГЭС, т. е. здания, воспринимающие напор (рис. 10.10);

здания приплотинной ГЭС, т. е. размещенные за плотиной и невоспринимающие напора (рис. 10.11);

здание деривационной ГЭС (рис. 10.12).

По способу сброса воды из верхнего бьефа в нижний здания русловых ГЭС делятся па два типа:

1) несовмещенные с водосбросами (см. рис. 10.1,в), в которых сбросы излишков воды из верхнего бьефа осуществляются через водосливные отверстия плотины или другие устройства, находящиеся вне здания ГЭС (см. рис. 10.11).

2) совмещенные с водосбросами, которые обычно располагаются в массивной (подводной) части здания (см. рис. 10.10), хотя применяются и другие конструктивные решения.

По типу подъемного оборудований здания ГЭС строятся:

закрытыми — с внутренним расположением подъемного оборудования — мостового крана (см. рис. 10.10—10.12);

полуоткрытыми — основное подъемное оборудование (портальный кран) размещается над машинным залом (генераторное помещение). Генераторный зал — низкое помещение со съемными крышками над генератором (рис. 10.13,а);

открытыми—машинный зал отсутствует, а генераторы укрыты колпаками (рис. 10.13,6). Подъемным оборудованием здесь является также портальный кран.

По расположению относительно земной поверхности:

наземное — корпус здания расположен на земной поверхности;

подземное — корпус здания расположен ниже земной поверхности. Такие здания устраиваются при деривационной схеме концентрации напора, когда деривация выполняется в виде туннеля.

В зависимости от положения оси агрегата различают здание с вертикальными и горизонтальными агрегатами, последние в настоящее время применяются главным образом на гидроэлектростанциях с напором 10—15 м.

Общим элементом для всех типов зданий ГЭС является прежде всего монтажная площадка, которая размещается обычно в конце здания у берега и обслуживается теми же кранами, что в машинный зал. На уровне пола монтажной площадки делается подъездный путь для доставки оборудования в машинный зал. Габариты площадки определяются условиями доставки, раскладки по ней одного гидроагрегата при его ремонте в период эксплуатации. При большом числе агрегатов иногда делается две монтажные площадки

В здании ГЭС размещается ряд вспомогательных помещений, в числе которых оперативно-производственные; производственные, административно-хозяйственные, бытовые.

К оперативно-производственным помещениям относят помещения электрических распределительных устройств генераторного напряжения, собственных нужд переменного и постоянного тока, поста (пульта) управления и др.

В здании ГЭС размещается также большое количество различных вспомогательных устройств. В состав этих устройств входят: техническое водоснабжение и пожаротушение генераторов; осушение спиральных камер и отсасывающих труб; масляное хозяйство; пневматическое хозяйство; дренажные устройства; контрольно-измерительная аппаратура и т.д.

В зависимости от мощности ГЭС, числа агрегатов определяется состав и площадь помещений подсобно-вспомогательного назначения (ремонтно-механические мастерские, лаборатории и различного рода службы)

В нижней части здания ГЭС размещаются спиральные камеры турбин, статоры, направляющие аппараты и рабочие колеса турбин; отсасывающие трубы, турбинные шахты п турбинный этаж, а также галереи различного назначения, помещения для вспомогательного оборудования, насосы для откачки воды и т. д.

10.4. ВОДОХРАНИЛИЩЕ, НИЖНИЙ БЬЕФ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Основным назначением водохранилищ гидроэлектростанций является трансформация естественного, обычно неравномерного, режима речного стока в режим, необходимый для отдельных отраслей народного хозяйства и, в частности, энергетики Кроме того, в некоторых случаях назначением водохранилищ является борьба с наводнением в нижнем бьефе во время половодий. В этих случаях определенное количество воды задерживается в водохранилище, благодаря чему расходы воды в нижнем бьефе становятся существенно меньшими естественных расходов половодий

Водохранилища создаются путем устройства на реках или других водотоках плотин, повышающих уровни воды и образующих необходимой емкости водоемы (рис 10 14) На этом рисунке цифрами обозначены горизонтали поверхности местности.

Верхний предел уровня воды, при котором ГЭС и сооружения гидроузла работают длительное время с соблюдением нормальных запасов надежности, предусматриваемых техническими условиями, носит название нормального подпорного уровня (НПУ) Объем водохранилища при этом уровне носит название полного объема и обозначается Vполн.

Нижний предел или уровень мертвого объема (УМО) определяется условиями получения на ГЭС расчетных параметров. Соответствующий объем носит название мертвого Vмо.

Разность между полным и мертвым объемами составляет полезный объем водохранилища.

Vполезн=Vполн-Vмо

Этот объем используется для регулирования стока

При пропуске катастрофических половодий и паводков обычно допускается кратковременное повышение уровня воды в водохранилище до отметки, называемой форсированным подпорным уровнем (ФПУ).

Объем водохранилища между отметками НПУ и ФПУ является резервным и используется для трансформации (срезки) половодий и паводков

До сих пор принималось, что поверхность воды в водохранилище по всей его длине устанавливается горизонтально, образуя так называемый его статический объем. Очевидно, это может быть лишь в том случае, когда приточность в водохранилище отсутствует. Так как в действительности в водохранилище вceгда имеется приток воды, то, строго говоря, поверхность воды по его длине не будет горизонтальной. Это особенно относится к его «хвостовой части», где кривая свободной поверхности воды представляет собой кривую подпора, характеризующую изменение уровня поверхности воды по длине водотока Образовавшимся объем называется динамическим объемом водохранилища (рис 10 15). Величина его определяется к основном значением расхода приточности и во время половодий может быть весьма значительной.

В водноэнергетических расчетах широко используются различные графические зависимости, отражающие функциональные связи между различными параметрами водохранилища (так называемые характеристики водохранилищ) К их числу относится прежде всего топографическая характеристика, которая может быть двух видов — статической и динамической

Статическая характеристика включает в себя две кривые. Первая— зависимость отметок уровня от объема водохранилища Zнб=Zнв(V) и обычно называемая объемной. Вторая отражает связь между отметками уровня и площадью зеркала водохранилища Zнб=Zнв(F) Эту характеристику называют площадной

Обе характеристики (рис 10 16) получаются в результате обработки топографических планов местности.

При учете динамической емкости, как было показано выше, объем водохранилища при заданной отметке уровня в створе плотины будет определяться приточностью. Вследствие этого зависимость между значениями уровня и объемом водохранилища будет иметь другой характер, так как будет функцией двух переменных Zнб=Zнв(V,Qприт). Эти кривые (рис. 10.17) называются кривыми динамического объема в отличие от кривой статического объема, изображенной на рис. 10.16, или кривой, соответствующей Qприт=0.

Имеются и другие характеристики водохранилища, которые мы здесь не рассматриваем. Все они являются основным исходным материалом для проведения водноэнергетических расчетов. В такого рода расчетах одним из решающих условий правильности выполнения их является соблюдение водного баланса водохранилища..

В общем виде уравнение водного баланса водохранилища без холостых' сбросов за некоторое время Т может быть представлено следующим равенством:

Wрег=Wприт±V— Wзаб+Wвозвр—Wпот, (10.2)

где Wрег— зарегулированный объем стока, т. е. тот объем воды, который прошел за время Т через створ гидроузла

(так называемая отдача); Wприт — приток воды в водохранилище за время Т (для одиночной ГЭС это бытовой, т. е. естественный, приток, для каскада — приток от вышележащей ГЭС с учетом боковой приточности между створами); V— использованный объем водохранилища за период Т. (В формуле знак минус относится к периоду наполнения, знак плюс — к периоду сработки водохранилища); Wзаб и Wвозвр- величины забираемого из водохранилища и' возвращаемого в него участниками водохозяйственного комплекса (см. § 10.6) за время Т объема стока; Wпот — потери воды из водохранилища за время Т и обычно включают потери на фильтрацию, испарение, льдообразование и шлюзование.

Если каждый член этого уравнения разделить на время Т, то условие баланса стока может быть выражено через соответствующие расходы.

Рассмотрим теперь характеристику нижнего бьефа. Уровень воды в нижнем бьефе ГЭС определяется тем расходом, который пропускается через турбины или какие-либо другие сооружения (шлюзы, водосбросы) гидроэлектростанции.

При установившемся равномерном движении уровни воды в нижнем бьефе однозначно связаны с протекающим расходом. Эта связь обычно определяется с помощью так называемой кривой связи, отражающей в графическом виде зависимость уровней от расходов Zнб= Zнб(Qнб). Такая кривая представлена на рис 10.18

Зимой при переменном расходе ГЭС в ее нижнем бьефе на берегах образуются наледи, которые уменьшают площадь живого сечения. Поэтому при одних и тех же отметках уровня зимой будет проходить расход меньше, чем летом, и зимняя кривая связи соответственно будет выше, чем летняя (рис. 10.18 и 10.19).

При каскадном расположении ГЭС, если нижний бьеф рассматриваемой ГЭС (обозначим ее № 1) подпирается плотиной нижележащей (ГЭС № 2), то в функциональной зависимости уровня нижнего бьефа от расхода ГЭС № 1 появится дополнительный аргумент — отметка верхнего бьефа водохранилища второй ГЭС Zвб2 (рис. 10.19). В этом случае рассматриваемая функция будет иметь вид

Zнб1=Zнб1(Qнб1,Zвб2). (10.3)

При неустановившемся движении воды в нижнем бьефе однозначная связь между отметками уровня и расходом нарушается и определение того или другого требует достаточно сложных расчетов, которые сейчас проводятся исключительное помощью ЭВМ.

10.5. РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЧНОГО СТОКА ВОДОХРАНИЛИЩАМИ ГЭС.

Естественный (бытовой) режим речного стока в подавляющем большинстве случаев отличается крайней неравномерностью. Так, на равнинных реках в периоды весеннего половодья (1,5—3 мес) проходит обычно до 60—70% годового стока. Существенно различается годовой сток и в многолетнем разрезе. Такое распределение стока находится в резком противоречии с режимом его потребления большинством водопотребителей и водопользователей. Так, если в суточном разрезе график нагрузки ГЭС отличается значительной неравномерностью, то приточность равнинных рек в течение суток обычно почти неизменна. Отмечаются противоречия и среди неэнергетических потребителей воды.

Неравномерно распределены водные ресурсы и по территории страны. Более 86% водных ресурсов имеется в хозяйственно слабо освоенных северных и восточных районах, вдали qt центров водопотребления, и только около 14% речного стока относится к южной зоне, к территории, где сосредоточено около 85% населения и 80% промышленного и сельскохозяйственного производства.

Все это приводит к необходимости перераспределения естественного стока во времени и по территории. Оно осуществляется с помощью регулирования стока водохранилищами, в которых задерживается избыточный естественный приток, когда он превышает спрос потребителей, и расходуется, когда этот спрос больше притока.

Таким образом, регулированием стока называется процесс перераспределения его водохранилищами.

Степень зарегулированности стока определяется относительной емкостью водохранилища (коэффициентом емкости) . Этот коэффициент определяется отношением полезного объема водохранилища Vполезн к среднему за многолетний период объему годового стока W0 в створе плотины

=Vполезн/W0

Различают регулирование водноэнергетическое и водохозяйственное. Водноэнергетическое регулирование осуществляет перераспределение стока для энергетических целей. Мощность ГЭС является функцией не только расхода, но и напора, поэтому процесс водноэнергетического регулирования связан с учетом того и другого и позволяет в конечном счете получить требуемый режим мощности ГЭС, а отсюда и режим выработки электроэнергии. При водохозяйственном регулировании напор не является регулируемым параметром и перераспределяется лишь расход. В этом состоит основное отличие водноэнергетического регулирования от водохозяйственного.

Режим мощности ГЭС и режим выработки ею электроэнергии диктуются не только спросом потребителей, но и тем, насколько экономично этот спрос удовлетворяется. Поэтому водноэнергетическое регулирование неотделимо от определения оптимальных режимов ГЭС или группы электростанций, с которыми параллельно работает данная ГЭС или группа ГЭС.

При комплексном использовании водотока (см. § 10.6), когда последний используется как для энергетических, так и для неэнергетических целей, осуществляется комплексное регулирование, т. е.' напора и расхода для ГЭС и только расхода для других водопользователей и водопотребителей.

При любом виде регулирования потребители воды в некоторые периоды времени работают с расходом воды, превышающим, приток, а в другие периоды времени расходуют воды меньше притока. В первом случае происходит сработка водохранилища, а во втором — наполнение.

Промежуток времени от начала какого-либо одного периода сработки водохранилища до начала следующего — после очередного его заполнения — называется циклом регулирования. Длительность цикла регулирования определяет его разновидности, в соответствии с чем различают краткосрочное регулирование и длительное. К первому виду относят суточное и недельное регулирование, а ко второму — сезонное, годичное и многолетнее. Рассмотрим кратко каждый из этих видов.

Суточное регулирование. Как сказано, естественные (бытовые) расходы многих рек Q(t) в течение суток остаются практически неизменными. Исключение составляют лишь периоды половодий и паводков. В период половодья режим работы ГЭС имеет обратную картину и, как правило, неизменен, а в остальное время резко переменен (рис. 10.20,а). Вследствие этого расходы, пропускаемые турбинами ГЭС QГЭС при ее переменном режиме, будут также переменными, меняясь нередко от нуля до полной пропускной способности.

В результате в течение некоторой части суток (рис. 10.20,6) имеется избыточный приток, в другой — недостаточный. Отсюда суточное регулирование будет заключаться в том, чтобы в часы малой нагрузки ГЭС (рис. 10.20,а) запасти в водохранилище избыточный приток, а в часы повышенной нагрузки его сработать. Если объем водохранилища достаточен для задержания всего избыточного притока в часы малой нагрузки, то этот приток при отсутствии ограничений на режим ГЭС может быть использован для увеличения мощности (против той, которую она могла бы развить, используя естественный расход) в часы пика нагрузки потребителей.

Этот эффект позволяет повысить участие ГЭС в покрытии пика нагрузки, вследствие чего при работе ГЭС в энергосистеме, во-первых, отпадает необходимость в дублировании ее мощности, и, во-вторых, возникает возможность обеспечить более благоприятный режим тепловых электростанций, создавая тем самым соответствующую экономию топлива. Однако этот эффект не сопровождается увеличением выработки электроэнергии. Наоборот, выработка энергии при суточном регулировании будет меньше той, которую давала бы ГЭС, работая на естественном режиме стока, т. е. без регулирования.

Это является следствием того, что, как показывается в курсе гидравлики, средний за сутки уровень воды в нижнем бьефе при неустановившемся режиме в нем всегда будет выше, чем при постоянном расходе, определяемом Q (рис. 10 20,г). Кроме того, среднесуточный уровень верхнего бьефа Zнб (рис. 10.20,в) будет всегда ниже того, при котором ГЭС работала бы, не имея регулирования, т. е. на естественном расходе при НПУ. Это подтверждается также и графиком изменения напора Нгэс (t), представленным на рис. 10.20д. Здесь Н соответствует напору, определяемому как разность средних уровней zвб и Zy, при QГЭС(t).

Получающиеся потери суточного регулирования зависят прежде всего от величины используемого напора Чем меньше напор, тем сильнее сказываются эти потери, и для низконапорных ГЭС они доходят до 3—5% суточной выработки ГЭС при ее работе на естественном расходе.

По мере увеличения суточного притока режим работы ГЭС будет все более выравниваться и, наконец, может быть достигнуто такое положение, когда ГЭС все 24 ч будет работать с полной установленной или располагаемой мощностью, т е. в базисной части графика нагрузки. Дальнейшее увеличение бытового расхода приведет к необходимости холостого сброса излишков воды помимо турбин, уровень нижнего бьефа при этом повысится (см. рис. 10.18), напор уменьшится, а вместе с ним уменьшится и мощность ГЭС, становясь для низко- и средненапорных ГЭС значительно меньше установленной.

При осуществлении суточного регулирования могут возникнуть различного рода ограничения, накладываемые на режимы ГЭС неэнергетическими участниками комплекса. Так, например, при отсутствии подпора в нижнем бьефе со стороны нижележащей ГЭС водный транспорт может предъявить требования по обеспечению необходимых судоходных глубин в течение всех 24 ч, а также в отношении допустимых скоростей течения при подходе к шлюзам.

Аналогичные требования по поддержанию необходимых глубин могут быть предъявлены водопотребителями (ирригация, промышленное и бытовое водоснабжение). Для удовлетворения этих требований производят попуски в нижний бьеф определенных расходов воды, называемых базисными. Наконец, иногда возникают ограничения режима турбин ГЭС (обычно при небольших нагрузках) по условиям кавитации (см § 9.5), которую длительное время допускать нельзя. Ограничения при суточном регулировании иногда возникают и вследствие отсутствия достаточной емкости водохранилища.

Реализация указанных ограничений обычно приводит к снижению энергоэкономической эффективности работы ГЭС, однако при комплексном использовании водотока это снижение является вполне оправданным с точки зрения народного хозяйства в целом, так как компенсируется отдачей, получаемой от неэнергетических участников комплекса.

Объем водохранилища, необходимый для суточного регулирования, очень небольшой и обычно составляет около 0,5 объема суточного стока расчетного маловодного года.

Недельное регулирование. В нерабочие дни недели нагрузка потребителей электроэнергии резко падает (особенно в воскресенье). В это время гидроэлектростанция может также снизить свою мощность до величины, меньшей той, которую она могла бы развить, работая на естественном расходе. Получающийся избыток (рис. 1021,6) может быть использован на заполнение в0до-хранилища, сработанного за время рабочих дней недели. Сказанное иллюстрирует рис. 10.21,б, где для простоты предполагается, что бытовой расход, как это обычно бывает в периоды маловодья (межень), в течение недели практически не изменяется, нагрузка потребителей системы в рабочие дни практически одинакова и в неделе имеются два выходных дня (рис. 10 21,а). Понятно, что качественно картина не изменится, если нагрузка системы в рабочие дни и приточность не будут неизменными.

Таким образом, недельное регулирование обеспечивает неравномерное потребление воды гидроэлектростанцией в течение недели в соответствии с недельными колебаниями нагрузки потребителей. Если водохранилище одновременно используется и для суточного регулирования, то в нем будет наблюдаться и суточное колебание уровней бьефов (пунктир на рис 1021,в, г). Однако замкнутого цикла суточного регулирования, естественно, при этом не будет, так как уровень водохранилища к концу каждого рабочего дня будет ниже. Продолжительность полного цикла колебаний уровня верхнего бьефа в этом случае (рис 1021,0) будет равна одной педеле

При недельном регулировании, так уке как и при суточном, имеется возможность повысить мощность ГЭС по сравнению с той, которую она могла бы развить, работая на естественном расходе. Однако получаемый в этом случае энергетическии эффект за счет работы ГЭС большую часть времени на пониженных напорах (рис 1021,<3) будет меньше, чем при суточном регулировании Вместе с тем годовая выработка ГЭС недельного регулирования будет несколько выше (за счет некоторого уменьшения холостых сбросов) по сравнению с ГЭС суточного регулирования, так как водохранилище недельного регулирования больше по объему, чем водохранилище суточного регулирования Обычно считается, что при двух выходных днях этот объем не превышает приточности за одни, принятые за расчетные маловодные сутки.

При осуществлении недельного регулирования на соответствующий режим ГЭС могут также накладываться разного рода ограничения как со стороны неэнергетических отраслей комплекса, так и по условиям бескавитационного режима работы турбин. Естественно, что все подобного рода ограничения будут снижать энергоэкономическую эффективность ГЭС

Общим для краткосрочного регулирования является перераспределение сравнительно равномерного суточного и петельного режима прп-точпости в неравномерный режим расходов ГЭС

Годичное регулирование. Естественный гидрологический годовой ре/Ким реки обычно отличается крайней неравномерностью и находится в противоречии с запросами энергетики Применяемое для снятия этого противоречия годичное регулирование путем задержания (частично пли полностью) в водохранилище вод половодья и использование их в течение

маловодного периода позволяет увеличить гарантированную мощность ГЭС и количество вырабатываемой ею энергии по сравнению с ГЭС краткосрочного регулирования за счет уменьшения (или ликвидации) бесполезных сбросов вод половодья. Весь цикл регулирования при этом занимает 1 год. Если после сработки очередного наполнения водохранилища всегда имеются холостые сбросы, то регулирование называется сезонным (неполным годичным) в отличие от годичного (полного), когда в условиях расчетной обеспеченности стока сбросов нет. Как в случае сезонного регулирования, так и годичного в каждом следующем году циклы сработки и наполнения повторяются

Объем водохранилища годичного регулирования обычно составляет от 2 до 30% среднемноголетнего объема годового стока реки, т е. гр=0,020,30.

Водохранилище годичного регулирования может, как это обычно и бывает, одновременно выполнять и краткосрочное регулирование (суточное и недельное)

На рис 10 22,а представлена общая схема годичного регулирования, а на рис. 1022,6 — сезонного (имеется период сброса излишков вод). На этих же рисунках представлены соответствующие режимы верхнего бьефа Zвб(t). Ясно, что в особо маловодные годы или при слишком больших (сверх расчетных) изъятиях вод половодья водохранилище может и не наполниться до отметки НПУ.

Нетрудно представить себе, как будет изменяться, если регулирование будет произведено не на постоянный расход QГЭС, а в соответствии с заданным графиком нагрузки ГЭС.

Многолетнее регулирование. Цикл регулирования длится несколько лет Водохранилище наполняется избыточным стоком одного пли нескольких многоводных лети опорожняется в течение ряда маловодных лет. При этом регулировании уровень водохранилища в конце маловодною года будет всегда ниже, чем в начале его Многолетнее регулирование сводится к увеличению стока маловодных лет. Особенностью этого вида регулирования является непостоянство продолжительности цикла регулирования. При неизменном потреблении воды период наполнения и период опорожнения водохранилища определяется исключительно гидрологической обстановкой каждого года Чем больше при этом относительный объем водохранилища, тем, очевидно, реже он заполняется до отметки НПУ.

При многолетнем регулировании, так же как и при годичном, имеется возможность увеличить гарантированную мощность ГЭС и вырабатываемую ею энергию (за счет практически полного устранения бесполезных сбросов во время половодий) по сравнению с ГЭС годичного регулирования и краткосрочного. Само собой разумеется, что и в этом случае водохранилище может осуществлять любое менее длительное регулирование (или сочетание их).

Считается, что для того, чтобы водохранилище ГЭС могло осуществлять многолетнее регулирование, его объем должен составлять не менее 30—50% величины среднего за многолетний период объема годового стока реки, т. е. мр = 0,30,5

На рис 1023 представлены общая схема многолетнего регулирования и график изменения уровня верхнего бьефа. Как видно из рисунка, период наполнения' в зависимости от водности лет может быть различным В начале регулирования водохранилище было заполнено в первый же год, а после сработки на это потребовалось два года (более маловодных, чем первый год).

Таким образом, при длительном регулировании уменьшается многолетняя и годичная неравномерность расхода, в то время как при краткосрочном регулировании неравномерность расхода за регулируемый период (сутки, неделя) резко возрастает.

Кроме описанных видов регулирования различают специальные виды регулирования, включая каскадное.

10.6. КАСКАДНОЕ И КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ.

Развитие гидроэнергетики СССР осуществляется главным образом за счет каскадного освоения водных ресурсов. В этих условиях гидроэнергетические ресурсы отдельных рек используются не одной гидроэлектростанцией, а несколькими, последовательно расположенными друг за другом. При этом в каскаде могут быть как плотинные, так и деривационные гидроэлектростанции.

Как показывает практика, каскадные схемы позволяют полнее и экономичнее использовать энергетический потенциал реки, поскольку они, в частности, уменьшают энергетические потери водотока. Энергоэкономическая эффективность каскада при проектировании определяется количеством ступеней и месторасположением каждого гидроузла, определяющего размеры водохранилища, напора, мощности и капитальных вложений. Особое значение при этом приобретают экологические аспекты. В числе наиболее крупных объединенных каскадов страны следует отметить Лнгаро-Енисейский, в том числе завершаемая строительством Саяно-Шушенская ГЭС мощностью 6400 МВт и действующая Красноярская ГЭС 6000 МВт. Это уникальный каскад по своим энергоэкономическим показателям. Достаточно сказать, что себестоимость вырабатываемой электроэнергии на этих ГЭС составляет всего несколько сотых копейки. Вторым объединенным крупнейшим каскадом является Волжско-Камский.

Энергоэкономическая эффективность действующих каскадов при заданном естественном режиме речного стока определяется исключительно оптимальным распределением нагрузки между отдельными электростанциями системы и характером требований на воду со стороны других отраслей народного хозяйства, которые при этом должны выполнять отдельные ГЭС.

Кроме повышения энергетической эффективности каскадные схемы позволяют существенно повысить эффективность использования стока и другими отраслями народного хозяйства.

Использование водных ресурсов одновременно несколькими отраслями народного хозяйства называется комплексным Комплексное использование обеспечивает от данного гидроузла больший экономический эффект, чем использование их какой-либо одной отраслью народного хозяйства

Участники (компоненты) комплексного использования образуют водохозяйственный комплекс. Те из компонентов водохозяйственного комплекса, которые используют воду как вещество и изымают ее из данного водоисточника, называются водопотребителями. Эта вода по истечении некоторого времени, иногда достаточно длительного, может вновь поступить в водооборот, но уже в другом створе или даже в другом бассейне. При этом многие водопотребители возвращают воду существенно худшего качества. Те же участники комплекса, которые полностью или почти полностью возвращают после использования воду того же качества (например, ГЭС) или совсем ее не изымают из водотока (например, водный транспорт), называются водопользователями.

Каждый вид водопользования предъявляет свои требования к качеству воды. Наиболее разнообразные требования, диктуемые технологическими процессами производства, предъявляет промышленность. Для некоторых технологических процессов к качеству воды предъявляются более высокие требования, чем к питьевой.

Поддержание должного уровня качества воды, используемой для хозяйственно- и культурно-бытовых нужд, обеспечивается «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами», разработанными Министерством здравоохранения СССР. Эти правила являются обязательными для всех видов водопотребления, и выполнение их контролируется соответствующими службами Государственного санитарного надзора СССР.

Общая энергетика