§ 34. ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Энергетические ресурсы. Электрическую энергию получают на электрических станциях путем преобразования из другого вида энергии. В качестве энергетических ресурсов используют преимущественно энергию движущейся воды, химическую энергию топлива (твердого, жидкого и газообразного) и атомную энергию. Эксплуатация таких традиционных источников энергии порождает экологические проблемы, при этом следует помнить, что запасы ископаемых топлив не бесконечны.

В последнее время усилился интерес к так называемым нетрадиционным источникам энергии: солнцу, ветру, приливам и отливам океанской воды, геотермальным источникам, биомассам и др. В качестве энергетических ресурсов они давно известны. Новой является технология их использования. Нетрадиционные источники энергии практически неисчерпаемы и экологически чисты. Однако существуют трудности преобразования их энергии в электрическую. На сегодняшний день следует отметить низкий кпд таких сооружений для преобразования энергии и, как следствие, дороговизну получаемой электроэнергии. Поэтому доля нетрадиционных источников электроэнергии в общем балансе мировой электроэнергии ничтожна.

Самым перспективным новым источником энергии считают термоядерный синтез — использование тепловой энергии, выделяющейся при соединении (синтезе) ядер некоторых легких элементов. В качестве термоядерного топлива используют изотопы водорода: дейтерий и тритий, запасы которых на земном шаре практически неисчерпаемы. На современном этапе главная трудность в осуществлении термоядерного синтеза — это реализация управляемой термоядерной реакции. В этом направлении в СССР и в ряде других стран ведется обширная исследовательская работа. Несмотря на большие трудности, конечные результаты обнадеживают: ожидается, что первые термоядерные электростанции будут созданы в конце этого столетия.

Электрические станции. Классическим является метод получения электрической энергии на электростанциях с помощью генератора с крутящимся ротором, который приводится во вращение от источника механической энергии. Используют исключительно трехфазные синхронные электрогенераторы, из-за преимуществ трехфазного тока и возможности создавать такие генераторы на большие мощности.

►   В зависимости от вида используемых энергетических ресурсов электростанции бывают: гидравлические, тепловые, атомные, солнечные, ветряные, приливные и др.

Гидравлические электрические станции (ГЭС). Для получения электрической энергии используют энергию движущейся воды. В зависимости от источника используемых вод различают ГЭС на проточной воде и с плотинами.

На рис. 154 приведен поперечный разрез ГЭС с плотиной. При открытом шибере 2 вода из водохранилища 1 поступает по напорному водоводу 3 к спиральной камере 9, где ее направляют к лопаткам водяной (гидравлической) турбины 10. Турбина приводит во вращение ротор генератора 6, вырабатывающего электрическую энергию. После повышения напряжения трансформатором 5 с помощью линии передачи 4 электроэнергия подается к потребителям.

Рис. 154. Принципиальное устройство ГЭС: 1 — водоем; 2 — жалюзи плотины; 3 — напорный трубопровод; 4 — линия электропередачи; 5 — повышающий трансформатор; 6 — электрогенератор; 7 — нижний водоем (канал); 8 — нижний трубопровод; 9 — спиральная камера; 10 — гидравлическая турбина

Особым видом ГЭС являются насосно-аккумулирующие гидравлические (гидроаккумулирующие) электростанции (ГАЭС). Их располагают между нижним и верхним водоемами 1, 7. При большом потреблении электроэнергии в энергосистеме ГАЭС работают в генераторном режиме: вода из верхнего водоема сбрасывается к гидротурбинам, производящим электроэнергию, и поступает в нижний водоем. Ночью (при минимальном потреблении электроэнергии) воду насосами (агрегаты ГАЭС обратимы) перекачивают из нижнего водоема в верхний.

Тепловые электрические станции (ТЭС). Химическую энергию горения топлива преобразуют в электрическую на ТЭС. Различают конденсационные (КЭС), производящие только электрическую энергию, и теплофикационные (теплоэлектроцентрали) электростанции (ТЭЦ).

На ТЭЦ производится электрическая и тепловая энергия.

На рис. 155 показано устройство КЭС, работающей на твердом топливе. Уголь по транспортеру 1 подают в бункер 2. Размолотый мельницей 3 до пылевидного состояния уголь вентилятором 4 вместе с необходимым для сгорания предварительно подогретым в воздухонагревателе 12 воздухом подается через горелки 5 в топочную камеру 6 парового котла 7. Теплота, выделившаяся при сгорании газовой смеси, идет на нагревание воды, и в паровом котле 7, а также барабанах 8 и 9 получают пар высокой температуры и давления. Пар проходит через пароподогреватель 10 и поступает в паровую турбину 15, приводит ее во вращение, после чего направляется в конденсатор 19, где конденсируется в воду. Конденсат пара вновь подается насосом 18 через пароводяной подогреватель 11 в паровой котел.

Рис. 155. Принципиальное устройство КЭС: 1 — транспортер угля; 2 — бункер угля; 3 — мельница размола угля; 4 — вентилятор; 5 — пылеугольная горелка; 6 — топочная камера; 7 — паровой котел; 8, 9 — барабаны нижней системы циркуляции воды и пара; 10 — пароподогреватель; 11 — водонагреватель (экономайзер) котла; 12—воздухоподогреватель; 13—газовый вентилятор (дымосос); 14 — дымовая труба; 15 — паровая турбина; 16 — электрогенератор; 17 — возбудитель генератора; 18, 21 — водяные насосы; 19 — конденсатор; 20 — змеевик; 22 — воздухоохладитель (градирня); 23 — силовой трансформатор; 24 — линия электропередачи

Отработанные газы вентилятором 13 после фильтрования выбрасываются через трубу 14.

Кроме основного (пароводяного) есть еще охлаждающий контур. Он состоит из змеевика 20, циркуляционного водяного насоса 21 и градирни 22, в которой вода охлаждается окружающим воздухом.

Произведенную электрогенератором 16 электрическую энергию после повышения ее напряжения в трансформаторе 23 подают к линиям электропередачи 24. Возбудитель 17 предназначен для создания тока возбуждения в генераторе 16.

Атомные электрические станции (АЭС). В принципе это тепловые электростанции, в которых теплота выделяется за счет реакции деления радиоактивных элементов в ядерном реакторе.

Выделение тепловой энергии в современных реакторах происходит при расщеплении ядер некоторых тяжелых элементов (изотопы урана-235, урана-233, плутония-239 и др.) вследствие воздействия на них медленных нейтронов. Создается новое поколение ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Кроме теплоты для производства электроэнергии они будут воспроизводить и ядерное топливо. В настоящее время такие реакторы работают в СССР, Франции и в других странах. Их работа во многом носит экспериментальный характер.

Рис. 156. Принципиальное устройство АЭС: 1— биологическая защита ядерной установки; 2—ядерный реактор; 3 — крышка реактора; 4 — система управления и защиты реактора; 5 — стержни управления и защиты; 6 — топливные сборки (каналы с ядерным обогащенным топливом); 7 — активная зона реактора; 8 — трубная система парогенератора; 9 — парогенератор; 10 — главный циркуляционный насос; 11 — паропровод; 12 — клапаны, регулирующие подачу пара; 13 паровая турбина; 14 — электрогенератор; 15 — конденсатор; 16 — насос; 17 — подогреватель воды; 18 — санитарный пропускник, соединяющий первый (радиоактивноопасный) и второй (безопасный) контуры схемы АЭС.

На рис. 156 приведена упрощенная технологическая схема получения пара на АЭС по двухконтурному циклу. Первый контур, состоящий из ядерного реактора 2 с крышкой 3 и парогенератора 9 с их оборудованием, радиоактивен и обеспечивается радиационной защитой 1. В качестве теплоносителя и одновременно замедлителя нейтронов используется обычная вода (реже — тяжелая вода). Второй контур, в который входят также парогенератор 9, паровая турбина 13 и их оборудование, не радиоактивен. Теплоносителем (рабочим телом) в нем служат вода и водяной пар. Теплота, выделяющаяся в реакторе при ядерной реакции, нагревает теплоноситель (воду в каналах топливных сборок 6). Нагретая до высокой температуры вода поступает по трубопроводу из реактора в U-образные трубки 8 парогенератора 9. Здесь она нагревает и испаряет воду второго контура, превращая ее в пар. Охлажденная в парогенераторе радиоактивная вода с помощью главного циркуляционного насоса 10 возвращается в активную зону 7 реактора, где и размещены топливные сборки. Из парогенератора чистый нерадиоактивный пар по паропроводу 11 через клапаны 12 поступает в турбину 13, приводящую во вращение электрогенератор 14 для производства электроэнергии. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе 15 и насосом 16 через подогреватель 17 направляется обратно в парогенератор 9. Первый и второй контуры АЭС надежно отгорожены и соединяются друг с другом через санитарный пропускник 18.

Цепной ядерной реакцией в реакторе управляют с помощью управляющих стержней 5 системы управления и защиты 4.

Эксплуатация АЭС позволяет экономить значительное количество органического топлива, уменьшать загрязнение атмосферы углекислым газом и оксидами азота и серы. Основные недостатки АЭС: необходимость сложной радиационной защиты и наличие радиоактивных отходов.

Вследствие многоразового преобразования энергии кпд современных тепловых электростанций низкий. Это заставляет искать новые (прямые) методы получения электрической энергии. Можно выделить три новых направления преобразования энергии: термоэмиссионное, термоэлектрическое и магнитогидродинамическое. При их использовании отпадает необходимость в получении механической энергии, что приводит к повышению кпд преобразующих устройств.

Качество электроэнергии. Электрическая энергия, производимая на электростанциях, должна иметь строго определенные параметры.

►   О качестве электроэнергии судят в основном по уровню напряжения и частоты электрического тока.

Только при питании с номинальными напряжением и частотой потребители электроэнергии работают в оптимальном режиме. Для получения электрической энергии с номинальными параметрами на электростанциях и распределительных устройствах вводят автоматическое регулирование напряжения и частоты.