Тепловые электростанции: принципы работы и типы

Тепловые электростанции: принцип работы, преобразование тепла в энергию, цикл Ранкина. Использование различных источников топлива – от угля до геотермальной энергии.

23 мин чтения

100%

Источник: Thermal power station — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Электростанция, вырабатывающая электроэнергию из тепловой энергии

Тепловая электростанция – это тип электростанции, на которой тепловая энергия преобразуется в электрическую. В парогенераторном цикле тепло используется для кипячения воды в большом сосуде под давлением, что приводит к образованию пара высокого давления, который вращает паровую турбину, соединенную с электрическим генератором. Отработанный пар низкого давления из турбины поступает в паровой конденсатор, где он охлаждается, образуя горячий конденсат, который возвращается в процесс нагрева для производства дополнительного пара высокого давления. Этот процесс известен как цикл Ренкина. Конструкция тепловых электростанций зависит от предполагаемого источника энергии: используются ископаемое топливо, ядерная и геотермальная энергия, солнечная энергия, биотопливо и сжигание отходов. Некоторые тепловые электростанции также спроектированы для производства тепла для промышленных нужд, централизованного теплоснабжения или опреснения воды, помимо выработки электроэнергии. Топливо, такое как природный газ или нефть, также может сжигаться непосредственно в газовых турбинах (двигателях внутреннего сгорания). Эти установки могут быть открытого цикла или более эффективного комбинированного цикла.

Виды тепловой энергии

Почти все угольные электростанции, нефтяные, ядерные, геотермальные, солнечные тепловые электростанции и мусоросжигательные заводы, а также все газовые электростанции являются тепловыми. Природный газ часто сжигается в газовых турбинах и котельных. Тепло отработанных газов газовой турбины, в виде горячего выхлопа, может использоваться для выработки пара путем пропускания этих газов через утилизационный парогенератор (HRSG). Затем пар используется для привода паровой турбины в установке с комбинированным циклом, что повышает общую эффективность. Электростанции, работающие на угле, мазуте или природном газе, часто называют электростанциями, работающими на ископаемом топливе. Также появились некоторые тепловые электростанции, работающие на биомассе. Неядерные тепловые электростанции, особенно работающие на ископаемом топливе и не использующие когенерацию, иногда называют обычными электростанциями. Коммерческие электростанции обычно строятся в больших масштабах и предназначены для непрерывной эксплуатации. Практически все электростанции используют трехфазные генераторы для производства переменного тока (AC) с частотой 50 или 60 Гц. Крупные компании или организации могут иметь собственные электростанции для обеспечения своих объектов теплом или электроэнергией, особенно если пар создается в любом случае для других целей. Паровые электростанции использовались для привода большинства судов на протяжении большей части 20-го века. Электростанции на судах обычно напрямую соединяют турбину с судовыми винтами через редукторы. Электростанции на таких судах также обеспечивают паром небольшие турбины, приводящие генераторы для выработки электроэнергии. Ядерная морская силовая установка, за редкими исключениями, используется только на военных кораблях. Существуют также многие турбоэлектрические суда, в которых паровая турбина приводит в движение электрический генератор, который питает электродвигатель для движения. Когенерационные установки, часто называемые комбинированными тепло- и электростанциями (КЭС), производят как электроэнергию, так и тепло для технологических нужд или отопления, например пар и горячую воду.

Almost all coal fired power stations, petroleum, nuclear, geothermal, solar thermal electric, and waste incineration plants, as well as all natural gas power stations are thermal. Natural gas is frequently burned in gas turbines as well as boilers. The waste heat from a gas turbine, in the form of hot exhaust gas, can be used to raise steam by passing this gas through a heat recovery steam generator (HRSG). The steam is then used to drive a steam turbine in a combined cycle plant that improves overall efficiency. Power stations burning coal, fuel oil, or natural gas are often called fossil fuel power stations. Some biomass fueled thermal power stations have appeared also. Non nuclear thermal power stations, particularly fossil fueled plants, which do not use cogeneration are sometimes referred to as conventional power stations. Commercial electric utility power stations are usually constructed on a large scale and designed for continuous operation. Virtually all electric power stations use three phase electrical generators to produce alternating current (AC) electric power at a frequency of 50 Hz or 60 Hz. Large companies or institutions may have their own power stations to supply heating or electricity to their facilities, especially if steam is created anyway for other purposes. Steam driven power stations have been used to drive most ships in most of the 20th century. Shipboard power stations usually directly couple the turbine to the ship's propellers through gearboxes. Power stations in such ships also provide steam to smaller turbines driving electric generators to supply electricity. Nuclear marine propulsion is, with few exceptions, used only in naval vessels. There have been many turbo electric ships in which a steam driven turbine drives an electric generator which powers an electric motor for propulsion. Cogeneration plants, often called combined heat and power (CHP) facilities, produce both electric power and heat for process heat or space heating, such as steam and hot water.

История

Поршневой паровой двигатель использовался для производства механической энергии с XVIII века, с заметными усовершенствованиями, внесенными Джеймсом Уаттом. Когда в 1882 году на станции Перл-стрит в Нью-Йорке и на электростанции Холборн-Виадукт в Лондоне были построены первые коммерчески разработанные центральные электростанции, использовались поршневые паровые двигатели. Разработка паровой турбины в 1884 году позволила создавать более крупные и эффективные машины для центральных электростанций. К 1892 году турбина считалась лучшей альтернативой поршневым двигателям; турбины обеспечивали более высокие скорости, более компактное оборудование и стабильное регулирование скорости, что позволяло осуществлять параллельную синхронную работу генераторов на общей шине. После 1905 года турбины полностью заменили поршневые двигатели практически на всех крупных центральных электростанциях. Самые большие генераторные установки с поршневыми двигателями, когда-либо построенные, были завершены в 1901 году для Манхэттенской эстакадной железной дороги. Каждый из семнадцати агрегатов весил около 500 тонн и имел мощность 6000 киловатт; современная турбинная установка аналогичной мощности весила бы примерно на 20% меньше.

Эффективность производства тепловой энергии

Энергетическая эффективность обычной тепловой электростанции определяется как отношение полезно отпущенной энергии к тепловой стоимости потребленного топлива, выраженное в процентах. Газовая турбина с простым циклом достигает эффективности преобразования энергии от 20 до 35%. Типичные угольные электростанции, работающие при давлении пара 170 бар и температуре 570 °C, имеют эффективность 35–38%, а современные электростанции на ископаемом топливе – 46%. Системы комбинированного цикла могут достигать более высоких показателей. Как и для всех тепловых двигателей, их эффективность ограничена и определяется законами термодинамики. Эффективность Карно показывает, что повышение температуры пара позволяет достичь более высокой эффективности. Электростанции на ископаемом топливе с подкритическим давлением могут достигать эффективности 36–40%. Сверхкритические установки имеют эффективность в диапазоне от низких до средних 40%, а новые "ультракритические" установки, использующие давление выше 4400 psi (30,3 МПа) и многоступенчатый перегрев, достигают эффективности 45–48%. В то время как эффективность ветротурбины ограничена законом Бетца примерно 59,3%, а реальные ветротурбины демонстрируют более низкую эффективность.

Стоимость электроэнергии

Прямые затраты на электроэнергию, произведенную тепловой электростанцией, складываются из стоимости топлива, капитальных затрат на строительство станции, оплаты труда операторов, затрат на техническое обслуживание, а также таких факторов, как обработка и утилизация золы. Косвенные социальные или экологические издержки, такие как экономическая ценность воздействия на окружающую среду, или экологические и медицинские последствия полного топливного цикла и вывода станции из эксплуатации, как правило, не включаются в себестоимость производства электроэнергии на тепловых электростанциях, но могут быть учтены в рамках оценки воздействия на окружающую среду. Эти косвенные издержки относятся к более широкому понятию внешних эффектов.

Котел и паровой цикл

В области атомных электростанций парогенератор – это специфический тип крупногабаритного теплообменника, используемого в реакторе с водой под давлением (PWR) для тепловой связи первичной (ядерной установки) и вторичной (паровой установки) систем, производящих пар. В реакторе с кипящей водой (BWR) отдельный парогенератор не используется, и вода кипит непосредственно в активной зоне реактора. В некоторых промышленных условиях также могут применяться паропроизводящие теплообменники, называемые утилизаторами тепла (HRSG), которые используют тепло от промышленных процессов, чаще всего – горячие выхлопные газы газовой турбины. Парогенератор должен производить пар высокой чистоты, давления и температуры, необходимые для паровой турбины, приводящей в действие электрогенератор. Геотермальные электростанции не нуждаются в котлах, поскольку используют природные источники пара. Теплообменники могут использоваться, если геотермальный пар сильно коррозионен или содержит избыточное количество взвешенных частиц. Парогенератор, работающий на ископаемом топливе, включает в себя экономизатор, паровой барабан и топку с паропроизводящими трубками и перегревателями. Необходимые предохранительные клапаны устанавливаются в соответствующих точках для защиты от избыточного давления в котле. Оборудование воздушного и дымогазового тракта включает в себя: вентилятор нагнетания (FD), воздухоподогреватель (AP), котловую топку, вентилятор вытяжки (ID), пылеуловители (электростатический фильтр или рукавный фильтр) и дымовую трубу.

Нагрев воды для кормления

Вода, подаваемая в котел, используется для передачи тепловой энергии от сжигаемого топлива в механическую энергию вращающейся паровой турбины. Общий объем подаваемой воды состоит из рециркулируемого конденсата и очищенной подпиточной воды. Поскольку металлические материалы, с которыми она контактирует, подвержены коррозии при высоких температурах и давлении, подпиточная вода подвергается глубокой очистке перед использованием. Система умягчителей воды и ионно-обменных деминерализаторов производит воду настолько чистую, что она случайно становится электрическим изолятором с проводимостью в диапазоне 0,3–1,0 микросименс на сантиметр. Объем подпиточной воды на электростанции мощностью 500 МВт может составлять около 120 галлонов США в минуту (7,6 л/с) для восполнения воды, отбираемой из барабанов котла для поддержания чистоты воды, а также для компенсации небольших потерь от утечек пара в системе. Цикл подачи воды начинается с откачки конденсата из конденсатора после прохождения через паровые турбины. Расход конденсата при полной нагрузке на электростанции мощностью 500 МВт составляет примерно 6000 галлонов США в минуту (400 л/с). Вода обычно повышается в давлении в два этапа и обычно протекает через серию из шести или семи промежуточных водоподогревателей, нагреваемых в каждой точке паром, отбираемым из соответствующего отвода на турбинах, и повышает свою температуру на каждом этапе. Обычно, в середине этой серии водоподогревателей и перед второй ступенью повышения давления, конденсат вместе с подпиточной водой проходит через деаэратор, который удаляет растворенный воздух из воды, дополнительно очищая ее и снижая ее коррозионную активность. После этого в воду может добавляться гидразин – химическое вещество, которое снижает содержание остаточного кислорода до уровня ниже 5 частей на миллиард (ppb). Также в нее добавляются агенты для контроля pH, такие как аммиак или морфолин, для поддержания низкой остаточной кислотности и, следовательно, предотвращения коррозии.

Работа котла

Котел представляет собой прямоугольную печь размером около 15 метров в длину и 40 метров в высоту. Его стены выполнены из сети высокопрочных стальных труб диаметром около. Топливо, такое как пылевидный уголь, подается в печь с помощью горелок, расположенных в четырех углах, вдоль одной стены или двух противоположных стен, и воспламеняется для быстрого сгорания, образуя большой огненный шар в центре. Тепловое излучение огненного шара нагревает воду, циркулирующую через трубы котла вблизи его периметра. Скорость циркуляции воды в котле в три-четыре раза превышает производительность. По мере циркуляции вода поглощает тепло и превращается в пар. Пар отделяется от воды внутри барабана, расположенного в верхней части печи. Насыщенный пар поступает в перегревательные подвесные трубы, расположенные в самой горячей части продуктов сгорания при их выходе из печи. Здесь пар перегревается для подготовки к подаче на турбину. На предприятиях, использующих газовые турбины для нагрева воды для производства пара, применяются котлы, известные как утилизаторы тепла (HRSG). Тепло отработанных газов газовых турбин используется для получения перегретого пара, который затем используется в обычном цикле парообразования, как описано в разделе "Газотурбинные установки комбинированного цикла".

Котельная печь и паровой барабан

Вода поступает в котел через участок в конвекционном проходе, называемый экономайзером. От экономайзера она переходит в паровой барабан, а оттуда по нисходящим трубопроводам к входным коллекторам в нижней части водяных стенок. Из этих коллекторов вода поднимается по водяным стенкам печи, где часть ее превращается в пар, а смесь воды и пара затем возвращается в паровой барабан. Этот процесс может осуществляться исключительно за счет естественной циркуляции (поскольку вода в нисходящих трубопроводах плотнее, чем водно-паровая смесь в водяных стенках) или поддерживаться насосами. В паровом барабане вода возвращается в нисходящие трубопроводы, а пар проходит через ряд пароотделителей и сушилок, которые удаляют капли воды из пара. Затем сухой пар поступает в змеевики перегревателя. Вспомогательное оборудование котла включает в себя форсунки подачи угля и запальные горелки, пародувки, водяное охлаждение и смотровые люки (в стенках печи) для наблюдения за внутренним пространством печи. Чтобы избежать взрывов в печи из-за накопления горючих газов после остановки, такие газы продуваются из зоны горения перед розжигом угля. Паровой барабан (а также змеевики перегревателя и коллекторы) оснащены воздушными клапанами и сливными устройствами, необходимыми для первоначального пуска.

Нагреватель

Электростанции, работающие на ископаемом топливе, часто имеют секцию перегревателя в парогенерирующей печи. Пар проходит через сушильное оборудование внутри парового барабана и затем поступает в перегреватель – набор труб в печи. Здесь пар поглощает дополнительную энергию от горячих дымовых газов, окружающих трубы, и его температура повышается выше температуры насыщения, становясь перегретым. Затем перегретый пар по главным паропроводам направляется к клапанам перед турбиной высокого давления. Паровые установки с ядерным питанием не имеют таких секций, но производят пар в основном в насыщенном состоянии. Экспериментальные атомные электростанции оснащались перегревателями, работающими на ископаемом топливе, в попытке снизить общую стоимость эксплуатации станции.

Конденсация пара

Конденсатор конденсирует пар из выхлопа турбины в жидкость для последующей откачки. Если конденсатор можно охладить сильнее, давление выхлопного пара снижается, а эффективность цикла возрастает. Поверхностный конденсатор представляет собой теплообменник типа «труба в оболочке», в котором охлаждающая вода циркулирует по трубам. Выхлопной пар от турбины низкого давления поступает в оболочку, где охлаждается и превращается в конденсат (воду), обтекая трубы, как показано на смежном чертеже. Такие конденсаторы используют паровые эжекторы или роторные вытяжные вентиляторы для непрерывного удаления воздуха и газов со стороны пара, чтобы поддерживать вакуум. Для достижения максимальной эффективности температура в конденсаторе должна быть максимально низкой, чтобы обеспечить минимально возможное давление в конденсирующемся паре. Поскольку температура конденсатора почти всегда может быть значительно ниже 100 °C, при которой давление паров воды намного ниже атмосферного, конденсатор обычно работает под вакуумом. Следовательно, необходимо предотвращать утечку неконденсируемого воздуха в замкнутый контур. Обычно охлаждающая вода вызывает конденсацию пара при температуре около 25 °C (77 °F), что создает абсолютное давление в конденсаторе около , то есть вакуум около относительно атмосферного давления. Значительное уменьшение объема, происходящее при конденсации водяного пара в жидкость, создает вакуум, который обычно повышает эффективность турбин. Ограничивающим фактором является температура охлаждающей воды, которая, в свою очередь, ограничена преобладающими средними климатическими условиями в районе расположения электростанции (возможно снижение температуры ниже пределов турбины зимой, вызывающее чрезмерную конденсацию в турбине). Электростанции, работающие в жарком климате, могут быть вынуждены снижать выходную мощность, если источник охлаждающей воды для конденсатора становится теплее; к сожалению, это часто совпадает с периодами высокого спроса на электроэнергию для кондиционирования воздуха. Конденсатор обычно использует циркулирующую охлаждающую воду из градирни для отвода отработанного тепла в атмосферу или однопроходную охлаждающую воду (OTC) из реки, озера или океана. В Соединенных Штатах около двух третей электростанций используют системы OTC, которые часто оказывают значительное негативное воздействие на окружающую среду. Воздействие включает тепловое загрязнение и гибель большого количества рыб и других водных видов на водозаборах охлаждающей воды. Тепло, поглощаемое циркулирующей охлаждающей водой в трубах конденсатора, также необходимо отводить для поддержания способности воды охлаждаться при ее циркуляции. Это достигается путем перекачки теплой воды из конденсатора через градирни с естественной, принудительной или индуктивной тягой (как показано на смежном изображении), которые снижают температуру воды за счет испарения примерно на 11–17 °C (20–30 °F), отводя отработанное тепло в атмосферу. Расход охлаждающей воды в блоке мощностью 500 МВт составляет около 14,2 м³/с (500 фут³/с или 225 000 галлонов США в минуту) при полной нагрузке. Трубы конденсатора обычно изготавливаются из нержавеющей стали или других сплавов для защиты от коррозии с обеих сторон. Тем не менее, они могут загрязняться изнутри во время работы бактериями или водорослями в охлаждающей воде или минеральными отложениями, что все это препятствует теплопередаче и снижает термодинамическую эффективность. Многие электростанции включают автоматическую систему очистки, которая циркулирует губчатые шарики по трубам для их очистки без необходимости вывода системы из эксплуатации. Охлаждающая вода, используемая для конденсации пара в конденсаторе, возвращается к источнику без изменения, за исключением нагрева. Если вода возвращается в местный водоем (а не в циркулирующую градирню), ее часто смешивают с холодной «сырой» водой, чтобы предотвратить тепловой удар при сбросе в этот водоем. Другой тип конденсаторной системы — конденсатор с воздушным охлаждением. Процесс аналогичен процессу, происходящему в радиаторе и вентиляторе. Выхлопное тепло из секции низкого давления паровой турбины проходит через конденсационные трубы, трубы обычно оребрены, а окружающий воздух продувается через ребра с помощью большого вентилятора. Пар конденсируется в воду для повторного использования в пароводяном цикле. Конденсаторы с воздушным охлаждением обычно работают при более высокой температуре, чем конденсаторы с водяным охлаждением. Хотя это позволяет экономить воду, эффективность цикла снижается (что приводит к увеличению выбросов углекислого газа на мегаватт-час электроэнергии). С нижней части конденсатора мощные насосы откачивают конденсированный пар (воду) обратно в пароводяной цикл.

The condenser condenses the steam from the exhaust of the turbine into liquid to allow it to be pumped. If the condenser can be made cooler, the pressure of the exhaust steam is reduced and efficiency of the cycle increases. The surface condenser is a shell and tube heat exchanger in which cooling water is circulated through the tubes. The exhaust steam from the low pressure turbine enters the shell, where it is cooled and converted to condensate (water) by flowing over the tubes as shown in the adjacent diagram. Such condensers use steam ejectors or rotary motor driven exhausts for continuous removal of air and gases from the steam side to maintain vacuum. For best efficiency, the temperature in the condenser must be kept as low as practical in order to achieve the lowest possible pressure in the condensing steam. Since the condenser temperature can almost always be kept significantly below 100 °C where the vapor pressure of water is much less than atmospheric pressure, the condenser generally works under vacuum. Thus leaks of non condensible air into the closed loop must be prevented. Typically the cooling water causes the steam to condense at a temperature of about 25 °C (77 °F) and that creates an absolute pressure in the condenser of about , i. e. a vacuum of about relative to atmospheric pressure. The large decrease in volume that occurs when water vapor condenses to liquid creates the vacuum that generally increases the efficiency of the turbines. The limiting factor is the temperature of the cooling water and that, in turn, is limited by the prevailing average climatic conditions at the power station's location (it may be possible to lower the temperature beyond the turbine limits during winter, causing excessive condensation in the turbine). Plants operating in hot climates may have to reduce output if their source of condenser cooling water becomes warmer; unfortunately this usually coincides with periods of high electrical demand for air conditioning. The condenser generally uses either circulating cooling water from a cooling tower to reject waste heat to the atmosphere, or once through cooling (OTC) water from a river, lake or ocean. In the United States, about two thirds of power plants use OTC systems, which often have significant adverse environmental impacts. The impacts include thermal pollution and killing large numbers of fish and other aquatic species at cooling water intakes. The heat absorbed by the circulating cooling water in the condenser tubes must also be removed to maintain the ability of the water to cool as it circulates. This is done by pumping the warm water from the condenser through either natural draft, forced draft or induced draft cooling towers (as seen in the adjacent image) that reduce the temperature of the water by evaporation, by about 11 to 17 °C (20 to 30 °F)—expelling waste heat to the atmosphere. The circulation flow rate of the cooling water in a 500 MW unit is about 14.2 m3/s (500 ft3/s or 225,000 US gal/min) at full load. The condenser tubes are typically made stainless steel or other alloys to resist corrosion from either side. Nevertheless, they may become internally fouled during operation by bacteria or algae in the cooling water or by mineral scaling, all of which inhibit heat transfer and reduce thermodynamic efficiency. Many plants include an automatic cleaning system that circulates sponge rubber balls through the tubes to scrub them clean without the need to take the system off line. The cooling water used to condense the steam in the condenser returns to its source without having been changed other than having been warmed. If the water returns to a local water body (rather than a circulating cooling tower), it is often tempered with cool 'raw' water to prevent thermal shock when discharged into that body of water. Another form of condensing system is the air cooled condenser. The process is similar to that of a radiator and fan. Exhaust heat from the low pressure section of a steam turbine runs through the condensing tubes, the tubes are usually finned and ambient air is pushed through the fins with the help of a large fan. The steam condenses to water to be reused in the water steam cycle. Air cooled condensers typically operate at a higher temperature than water cooled versions. While saving water, the efficiency of the cycle is reduced (resulting in more carbon dioxide per megawatt hour of electricity). From the bottom of the condenser, powerful condensate pumps recycle the condensed steam (water) back to the water/steam cycle.

Перегреватель

Печи электростанций могут иметь перегреватель, содержащий трубы, нагреваемые горячими дымовыми газами снаружи труб. Отработанный пар от турбины высокого давления проходит через эти нагретые трубы для получения дополнительной энергии перед тем, как вращать турбины среднего и низкого давления.

Воздушный путь

Для обеспечения достаточного количества воздуха для сгорания предусмотрены внешние вентиляторы. Вентилятор первичного воздуха забирает воздух из атмосферы и сначала подогревает его в воздушном подогревателе для повышения эффективности. Затем первичный воздух проходит через угольные мельницы и переносит угольную пыль к горелкам для подачи в топку. Вентилятор вторичного воздуха забирает воздух из атмосферы и сначала подогревает его в воздушном подогревателе для повышения эффективности. Вторичный воздух смешивается с потоком угля/первичного воздуха в горелках. Вентилятор принудительной тяги помогает вентилятору FD, удаляя дымовые газы из топки и поддерживая в ней незначительное разряжение для предотвращения утечки продуктов сгорания из корпуса котла.

Паротурбинный генератор

Паровой турбиногенератор состоит из ряда паровых турбин, соединенных между собой, и генератора, установленного на общем валу.

Паровая турбина

Обычно на одном конце расположена турбина высокого давления, за которой следует турбина среднего давления, и, наконец, одна, две или три турбины низкого давления, а также вал, соединяющий их с генератором. По мере движения пара по системе и потери давления и тепловой энергии, он расширяется в объеме, что требует увеличения диаметра и длины лопаток на каждой последующей ступени для извлечения остаточной энергии. Общая масса вращающихся частей может превышать 200 метрических тонн и достигать 30 метров в длину. Она настолько велика, что даже в выключенном состоянии её необходимо медленно вращать (со скоростью 3 об/мин), чтобы вал не прогнулся даже незначительно и не потерял баланс. Это критически важно, и является одной из шести функций резервных аккумуляторов, предназначенных для работы при отключении электроэнергии на станции. (Остальные пять функций – аварийное освещение, связь, сигнализация станции, система уплотнения генератора водородом и смазочное масло турбогенератора.) Для типичной электростанции, построенной в конце 20-го века, перегретый пар из котла подается по трубопроводам определенного диаметра в турбину высокого давления, где его давление снижается, а температура падает на протяжении ступени. Затем он выходит по холодным перепускным линиям диаметром и возвращается в котел, где пар повторно перегревается в специальных подвесных трубах до определенного значения. Горячий перегретый пар направляется в турбину промежуточного давления, где его температура и давление дополнительно снижаются, после чего он поступает непосредственно в турбины низкого давления с длинными лопастями и, наконец, в конденсатор.

Турбогенератор

Генератор, как правило, имеет длину около 9 метров (30 футов) и диаметр 4 метра (12 футов), и содержит неподвижный статор и вращающийся ротор, каждый из которых содержит километры толстого медного проводника. Постоянных магнитов обычно нет, что предотвращает автозапуск при отсутствии напряжения в сети. В рабочем режиме он генерирует до 21 000 ампер при 24 000 вольт переменного тока (504 МВт), вращаясь со скоростью 3000 или 3600 оборотов в минуту, синхронизированно с энергосистемой. Ротор вращается в герметичной камере, охлаждаемой газообразным водородом, который выбран из-за его наивысшего известного коэффициента теплопередачи среди газов и низкой вязкости, снижающей потери на сопротивление воздуха. Эта система требует специальных мер предосторожности при запуске: сначала воздух в камере вытесняется углекислым газом, а затем заполняется водородом. Это обеспечивает предотвращение образования взрывоопасной водородно-кислородной смеси. Частота электросети составляет 60 Гц в Северной Америке и 50 Гц в Европе, Океании, Азии (за исключением Кореи и некоторых частей Японии) и некоторых регионах Африки. Требуемая частота влияет на конструкцию крупных турбин, поскольку они высоко оптимизированы для определенной скорости вращения. Электроэнергия поступает на распределительную подстанцию, где трансформаторы повышают напряжение для передачи к месту назначения. Генераторы, приводимые в действие паровыми турбинами, оснащены вспомогательными системами, обеспечивающими их надежную и безопасную работу. Парогенератор, являясь вращающимся оборудованием, обычно имеет тяжелый вал большого диаметра. Поэтому вал требует не только опор, но и фиксации во время работы. Для минимизации сопротивления трению вращению вал оснащен несколькими подшипниками. Вкладыши подшипников, в которых вращается вал, футерованы материалом с низким коэффициентом трения, таким как сплав Баббита. Для дальнейшего снижения трения между валом и поверхностью подшипника и ограничения выделяемого тепла предусмотрена масляная смазка.

Путь и очистка от газов

Когда продукты сгорания покидают котел, они направляются через вращающуюся плоскую корзину из металлической сетки, которая поглощает тепло и возвращает его поступающему свежему воздуху по мере вращения корзины. Это называется рекуператором воздуха. Газ, выходящий из котла, содержит летучую золу – крошечные сферические частицы пепла. В дымовых газах содержится азот, а также продукты сгорания: диоксид углерода, диоксид серы и оксиды азота. Летучая зола удаляется с помощью рукавных фильтров в рукавных фильтрах или электростатических осадчиков. После удаления побочный продукт – летучая зола – иногда может использоваться в производстве бетона. Однако очистка дымовых газов происходит только на предприятиях, оснащенных соответствующими технологиями. Тем не менее, большинство угольных электростанций в мире не имеют такого оборудования. Законодательство в Европе оказалось эффективным в снижении загрязнения дымовых газов. Япония использует технологии очистки дымовых газов более 30 лет, а США – более 25 лет. Китай сейчас начинает бороться с загрязнением, вызванным угольными электростанциями. В случаях, предусмотренных законом, загрязняющие вещества – оксиды серы и азота – удаляются с помощью газоочистных установок, использующих измельченный известняк или другую щелочную водную суспензию для удаления этих загрязняющих веществ из отходящих газов. Другие устройства используют катализаторы для удаления оксидов азота из потока дымовых газов. К этому моменту газ, поднимающийся по дымовой трубе, может охладиться до примерно 50 °C (122 °F). Типичная дымовая труба может быть высокой, чтобы рассеивать оставшиеся компоненты дымовых газов в атмосфере. Самая высокая дымовая труба в мире находится на Экибастузской ГРЭС-2 в Казахстане. В Соединенных Штатах и ряде других стран требуются исследования моделирования рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере для определения необходимой высоты дымовой трубы для соответствия местным нормам по загрязнению воздуха. Соединенные Штаты также требуют, чтобы высота дымовой трубы соответствовала так называемой высоте, основанной на "хорошей инженерной практике" (GEP). В случае существующих дымовых труб, высота которых превышает высоту GEP, любые исследования моделирования рассеивания загрязняющих веществ для таких труб должны использовать высоту GEP, а не фактическую высоту трубы.

As the combustion flue gas exits the boiler it is routed through a rotating flat basket of metal mesh which picks up heat and returns it to incoming fresh air as the basket rotates. This is called the air preheater. The gas exiting the boiler is laden with fly ash, which are tiny spherical ash particles. The flue gas contains nitrogen along with combustion products carbon dioxide, sulfur dioxide, and nitrogen oxides. The fly ash is removed by fabric bag filters in baghouses or electrostatic precipitators. Once removed, the fly ash byproduct can sometimes be used in the manufacturing of concrete. This cleaning up of flue gases, however, only occurs in plants that are fitted with the appropriate technology. Still, the majority of coal fired power stations in the world do not have these facilities. Legislation in Europe has been efficient to reduce flue gas pollution. Japan has been using flue gas cleaning technology for over 30 years and the US has been doing the same for over 25 years. China is now beginning to grapple with the pollution caused by coal fired power stations. Where required by law, the sulfur and nitrogen oxide pollutants are removed by stack gas scrubbers which use a pulverized limestone or other alkaline wet slurry to remove those pollutants from the exit stack gas. Other devices use catalysts to remove nitrous oxide compounds from the flue gas stream. The gas travelling up the flue gas stack may by this time have dropped to about 50 °C (122 °F). A typical flue gas stack may be tall to disperse the remaining flue gas components in the atmosphere. The tallest flue gas stack in the world is tall at the Ekibastuz GRES 2 Power Station in Kazakhstan. In the United States and a number of other countries, atmospheric dispersion modeling studies are required to determine the flue gas stack height needed to comply with the local air pollution regulations. The United States also requires the height of a flue gas stack to comply with what is known as the "good engineering practice" (GEP) stack height. In the case of existing flue gas stacks that exceed the GEP stack height, any air pollution dispersion modeling studies for such stacks must use the GEP stack height rather than the actual stack height.

Водоподготовка котлов и их хранение

Поскольку происходит непрерывный отвод пара и непрерывный возврат конденсата в котел, потери от продувки и утечек необходимо восполнять для поддержания заданного уровня воды в паровом барабане котла. Для этого в систему водоснабжения котла непрерывно добавляется подпиточная вода. Примеси в исходной воде, поступающей на предприятие, обычно состоят из солей кальция и магния, которые придают воде жесткость. Жесткость подпиточной воды приведет к образованию отложений на внутренней поверхности труб, что вызовет их перегрев и выход из строя. Таким образом, соли необходимо удалять из воды, что осуществляется на установке водоподготовки для деминерализации (DM). Установка DM обычно состоит из катионных, анионных и смешанных фильтров. Ионы в конечной воде после этой обработки, по сути, состоят из ионов водорода и гидроксид-ионов, которые рекомбинируют, образуя чистую воду. Высокоочищенная вода DM становится сильно коррозионной, как только поглощает кислород из атмосферы из-за ее высокой способности к поглощению кислорода. Производительность установки DM определяется типом и количеством солей в исходной воде. Однако необходимо предусмотреть некоторый запас воды, так как установка DM может быть остановлена для технического обслуживания. Для этого устанавливается накопительный резервуар, из которого непрерывно отбирается вода для подпитки котла. Резервуар для хранения деминерализованной воды изготавливается из материалов, устойчивых к коррозионному воздействию воды, таких как ПВХ. Трубопроводы и запорная арматура обычно изготавливаются из нержавеющей стали. Иногда для предотвращения контакта воды с воздухом на поверхности воды в резервуаре предусматривается паровая подушка или поплавок в виде тора из нержавеющей стали. Подпиточная вода DM обычно добавляется в паровое пространство поверхностного конденсатора (т.е. со стороны вакуума). Эта конструкция не только распыляет воду, но и способствует деаэрации воды, при этом растворенные газы удаляются деаэратором через эжектор, подключенный к конденсатору.

Система подготовки топлива

На угольных электростанциях сырой уголь из угольного хранилища сначала дробят на мелкие куски, а затем подают в загрузочные бункеры у котлов. Далее уголь измельчают в очень мелкий порошок. Для измельчения могут использоваться шаровые мельницы, барабанные мельницы или другие типы дробилок. Некоторые электростанции используют мазут вместо угля. Мазут необходимо поддерживать в теплом состоянии (выше температуры застывания) в резервуарах для хранения, чтобы предотвратить его загустевание и потерю способности к перекачке. Обычно мазут нагревают примерно до 100 °C перед подачей через форсунки для распыления мазута в топке. На некоторых электростанциях в качестве основного топлива в котлах используется переработанный природный газ. Другие электростанции могут использовать переработанный природный газ в качестве вспомогательного топлива в случае перебоев с основным топливом (уголь или мазут). В таких случаях на топках котлов устанавливаются отдельные газовые горелки.

Защитное устройство

Запретная передача (или "поворотное устройство") – это механизм, предназначенный для вращения вала турбогенератора на очень низкой скорости после останова агрегата. После того, как агрегат "отключен" (то есть, закрыт впускной клапан пара), турбина замедляется до полной остановки. При полной остановке существует тенденция к отклонению или изгибу вала турбины, если он остается в одном положении слишком долго. Это происходит из-за того, что тепло внутри корпуса турбины концентрируется в его верхней части, нагревая верхнюю часть вала сильнее, чем нижнюю. В результате вал может деформироваться или изгибаться на доли миллиметра. Это незначительное отклонение вала, обнаруживаемое только с помощью измерителей эксцентриситета, может вызвать деструктивные вибрации всего паротурбинного генератора при его повторном запуске. Поэтому вал автоматически вращается на низкой скорости (около одного процента от номинальной скорости) запретной передачей до тех пор, пока он достаточно не остынет для полной остановки.

Масляная система

Вспомогательный насос масляной системы используется для подачи масла при запуске паротурбинного генератора. Он обеспечивает гидравлическую систему, необходимую для главного запорного клапана подачи пара паровой турбины, регулирующих клапанов, систем смазки и уплотнения подшипников, соответствующих гидравлических реле и других механизмов. При достижении турбиной заданной скорости в процессе запуска, функции вспомогательной системы перенимает насос, приводимый в действие главным валом турбины.

Охлаждение генератора

В то время как небольшие генераторы могут охлаждаться воздухом, проходящим через фильтры на входе, более крупные агрегаты обычно требуют специальных систем охлаждения. Охлаждение водородом в герметичном корпусе используется благодаря его наивысшему известному коэффициенту теплопередачи среди газов и низкой вязкости, что снижает потери на трение. Эта система требует специальных мер предосторожности при запуске: сначала воздух в корпусе генератора вытесняется углекислым газом, а затем заполняется водородом. Это обеспечивает отсутствие смешивания легковоспламеняющегося водорода с кислородом воздуха. Давление водорода внутри корпуса поддерживается незначительно выше атмосферного, чтобы предотвратить попадание воздуха снаружи, и до примерно двух атмосфер для повышения эффективности теплоотдачи. Необходимо обеспечить герметичность водорода, чтобы исключить утечку в месте выхода вала из корпуса. На небольших турбинах вокруг вала устанавливаются механические уплотнения с очень малым кольцевым зазором, чтобы избежать трения между валом и уплотнениями, а на более крупных машинах – лабиринтные уплотнения. Масло для уплотнений используется для предотвращения утечки водорода в атмосферу. Генератор также использует водяное охлаждение. Поскольку потенциал обмоток генератора составляет около 22 кВ, для соединения водопровода и обмоток генератора высокого напряжения используется изоляционный барьер, например, из тефлона. Применяется деминерализованная вода с низкой проводимостью.

Высоковольтная система генератора

Напряжение генератора современных генераторов, подключенных к энергосистеме, варьируется от 11 кВ для небольших установок до 30 кВ для крупных. Высоковольтные выводы генератора обычно изготавливаются из массивных алюминиевых шин из-за их высокой пропускной способности по току по сравнению с кабелями, используемыми в менее мощных машинах. Эти выводы помещены в хорошо заземленные алюминиевые кабельные каналы и поддерживаются на соответствующих изоляторах. Высоковольтные выводы генератора подключаются к повышающим трансформаторам для подключения к высоковольтной электрической подстанции (обычно в диапазоне от 115 кВ до 765 кВ) для дальнейшей передачи по местной энергосети. Необходимые устройства защиты и измерения предусмотрены для высоковольтных выводов. Таким образом, паротурбинный генератор и трансформатор образуют единый блок. Менее мощные установки могут использовать общий повышающий трансформатор генератора с индивидуальными выключателями для подключения генераторов к общей шине.

Система мониторинга и сигнализации

Большинство систем управления электростанцией автоматизированы. Однако в некоторых случаях может потребоваться ручное вмешательство. Поэтому станция оснащена мониторами и системами сигнализации, которые оповещают операторов при существенном отклонении определенных рабочих параметров от их нормального диапазона.

Аварийное освещение и связь на батарейках

Центральная аккумуляторная система, состоящая из свинцово-кислотных аккумуляторных блоков, предназначена для обеспечения аварийным электропитанием, при необходимости, критически важных систем, таких как системы управления электростанцией, системы связи, система уплотнения генератора водородом, насосы смазки турбин и аварийное освещение. Это необходимо для безопасной остановки оборудования без повреждений в аварийной ситуации.

Система циркуляции воды

Для рассеивания тепловой нагрузки отработанного пара главной турбины, конденсата паровых уплотнений и конденсата от низконапорного нагревателя предусмотрена непрерывная подача охлаждающей воды в основной конденсатор, что обеспечивает конденсацию. По оценкам, потребление охлаждающей воды внутренними электростанциями приведет к снижению доступности мощности для большинства тепловых электростанций к периоду 2040–2069 годов.