Введение
Паровая электростанция – это электростанция, в которой электрический генератор приводится в действие паром. Вода нагревается, превращается в пар и вращает паровую турбину, которая приводит в действие электрический генератор. После прохождения через турбину пар конденсируется в конденсаторе. Наибольшее разнообразие в конструкции паровых электростанций обусловлено использованием различных видов топлива. Почти все угольные, ядерные, геотермальные, солнечные тепловые электростанции, заводы по сжиганию отходов, а также многие газовые электростанции являются паровыми. Природный газ часто сжигается как в газовых турбинах, так и в котлах. Тепло, выделяемое газовой турбиной, может использоваться для производства пара в установках объединенного цикла, что повышает общую эффективность. Во всем мире большая часть электроэнергии производится паровыми электростанциями. Единственными широко используемыми альтернативами являются фотоэлектрические системы, прямое механическое преобразование энергии, используемое на гидроэлектростанциях и ветровых электростанциях, а также некоторые более экзотические применения, такие как приливная и волновая энергия, и, наконец, некоторые типы геотермальных электростанций. Нишевые применения таких методов, как бета-вольтаика или химическое преобразование энергии (включая электрохимию), актуальны только для батарей и атомных батарей. Топливные элементы рассматриваются как альтернатива для будущей водородной экономики.
История
С 18 века поршневые паровые двигатели использовались в качестве источников механической энергии, при этом значительные усовершенствования были внесены Джеймсом Уаттом. Самые первые коммерческие центральные электростанции в Нью-Йорке и Лондоне, запущенные в 1882 году, также использовали поршневые паровые двигатели. По мере увеличения размеров генераторов турбины постепенно вытеснили поршневые двигатели благодаря более высокой эффективности и меньшей стоимости строительства. К 1920-м годам любая центральная станция мощностью более нескольких тысяч киловатт использовала турбину в качестве первичного двигателя.
Эффективность
Эффективность обычной пароэлектростанции, определяемая как энергия, произведенная станцией, деленная на теплотворную способность потребляемого топлива, обычно составляет от 33 до 48% и ограничивается, как и все тепловые двигатели, законами термодинамики (см. цикл Карно). Остальная часть энергии должна отводиться от станции в виде тепла. Это отработанное тепло может отводиться с помощью охлаждающей воды или в градирнях. (В когенерации отработанное тепло используется для теплоснабжения). Важный класс паровых электростанций связан с установками опреснения, которые обычно располагаются в пустынных странах с большими запасами природного газа. На этих станциях пресная вода и электроэнергия являются продуктами одинаковой важности. Поскольку эффективность станции принципиально ограничена отношением абсолютных температур пара на входе и выходе турбины, повышение эффективности требует использования пара с более высокой температурой и, следовательно, с более высоким давлением. Исторически, другие рабочие тела, такие как ртуть, экспериментально использовались в электростанциях с паровой турбиной на ртути, поскольку они могут достигать более высоких температур, чем вода, при более низком рабочем давлении. Однако плохие теплофизические свойства и очевидная токсичность исключили ртуть из использования в качестве рабочего тела. Другой вариант – использование сверхкритических жидкостей в качестве рабочего тела. Сверхкритические жидкости в некоторых отношениях ведут себя как газы, а в других – как жидкости. Сверхкритическая вода или сверхкритический диоксид углерода могут нагреваться до гораздо более высоких температур, чем в обычных паровых циклах, что позволяет повысить тепловую эффективность. Однако эти вещества необходимо поддерживать под высоким давлением (выше критического давления) для сохранения сверхкритического состояния, и существуют проблемы, связанные с коррозией.
Конденсатор
Пароэлектростанции используют поверхностный конденсатор, охлаждаемый водой, циркулирующей в трубах. Пар, использованный для вращения турбины, выпускается в конденсатор и конденсируется при контакте с трубами, заполненными холодной циркулирующей водой. Образовавшийся конденсат отводится из нижней части конденсатора. Приведенная схема иллюстрирует устройство типичного поверхностного конденсатора. Для обеспечения максимальной эффективности температура в конденсаторе должна поддерживаться как можно более низкой, чтобы достичь минимально возможного давления пара при конденсации. 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 попадание не конденсирующихся газов, таких как воздух, в замкнутый контур. Электростанции, работающие в жарком климате, могут быть вынуждены снижать выработку, если температура воды, используемой для охлаждения конденсатора, повышается; к сожалению, это часто совпадает с периодами пикового спроса на электроэнергию для кондиционирования воздуха. Если подходящий источник охлаждающей воды недоступен, для отвода тепла в атмосферу могут использоваться градирни. Крупная река или озеро также могут служить теплоприемником для охлаждения конденсаторов; повышение температуры в естественных водоемах может иметь неблагоприятные экологические последствия, но в некоторых случаях может даже способствовать увеличению популяции рыбы.
Нагреватель кормовой воды
В случае обычной пароэлектростанции, использующей барабанный котел, поверхностный конденсатор отводит скрытую теплоту парообразования от пара при его переходе из парообразного состояния в жидкое. Затем конденсатный насос перекачивает конденсат через подогреватель питательной воды, который повышает ее температуру за счет использования отработанного пара из различных ступеней турбины. Это снижает эксплуатационные расходы станции и также помогает предотвратить тепловой удар металла котла при поступлении питательной воды обратно в паровой цикл.
Котельная
Как только эта вода попадает в котел или парогенератор, начинается процесс передачи скрытой теплоты парообразования. Котел передает энергию воде за счет химической реакции сгорания топлива. Вода поступает в котел через участок в конвекционном канале, называемый экономайзером. Из экономайзера она переходит в паровой барабан, откуда по нисходящим трубам поступает к нижним коллекторам водостенных панелей. Из этих коллекторов вода поднимается по водостенным панелям. Часть воды превращается в пар под воздействием тепла, выделяемого горелками, расположенными (как правило) на передней и задней водостенных панелях. Смесь воды и пара из водостенных панелей поступает в паровой барабан и проходит через последовательность сепараторов пара и воды, а затем сушилки внутри барабана. Сепараторы и сушилки удаляют капли воды из пара, поскольку попадание жидкой воды в турбину может привести к разрушительной эрозии лопастей. Затем цикл в водостенных панелях повторяется. Этот процесс известен как естественная циркуляция. Геотермальным электростанциям котел не требуется, так как они используют природные источники пара. Теплообменники могут применяться, если геотермальный пар обладает высокой коррозионной активностью или содержит избыточное количество взвешенных частиц. Атомные электростанции также используют кипячение воды для получения пара, либо напрямую пропуская рабочий пар через реактор, либо используя промежуточный теплообменник.
Нагреватель
После того, как пар обрабатывается сушильным оборудованием внутри барабана, он подается из верхней части барабана в сложную систему трубопроводов в различных зонах котла, известных как перегреватель и повторный перегреватель. Парообразная фаза поглощает энергию и перегревается до температуры выше температуры насыщения. Затем перегретый пар направляется по главным паропроводам к клапанам турбины высокого давления.