Введение
Электростанция, также называемая электроустановкой, а иногда и генераторной станцией, – это промышленный объект для выработки электроэнергии. Электростанции обычно подключены к электрической сети. Многие электростанции содержат один или несколько генераторов – вращающихся машин, преобразующих механическую энергию в трехфазный электрический ток. Относительное движение между магнитным полем и проводником создает электрический ток. Источник энергии, используемый для привода генератора, может сильно различаться. Большинство электростанций в мире используют ископаемое топливо, такое как уголь, нефть и природный газ, для выработки электроэнергии. К источникам энергии с низким уровнем выбросов относятся атомная энергетика, а также использование возобновляемых источников, таких как солнечная, ветровая, геотермальная и гидроэнергия.
A power station, also referred to as a power plant and sometimes generating station or generating plant, is an industrial facility for the generation of electric power. Power stations are generally connected to an electrical grid. Many power stations contain one or more generators, rotating machine that converts mechanical power into three phase electric power. The relative motion between a magnetic field and a conductor creates an electric current. The energy source harnessed to turn the generator varies widely. Most power stations in the world burn fossil fuels such as coal, oil, and natural gas to generate electricity. Low carbon power sources include nuclear power, and use of renewables such as solar, wind, geothermal, and hydroelectric.
История
В начале 1871 года бельгийский изобретатель Зеноб Грамм изобрел генератор, достаточно мощный для производства электроэнергии в коммерческих масштабах для промышленности. В 1878 году Уильям, лорд Армстронг, спроектировал и построил гидроэлектростанцию в Крагсайде, Англия. Он использовал воду из озер на своем поместье для питания динамо Siemens. Электричество обеспечивало освещение, отопление, горячее водоснабжение, работу лифта, а также энергосберегающие устройства и сельскохозяйственные постройки. В январе 1882 года в Лондоне была построена первая в мире общественная угольная электростанция – Edison Electric Light Station, проект Томаса Эдисона, организованный Эдвардом Джонсоном. Котел Babcock & Wilcox приводил в действие паровой двигатель, который вращал генератор. Это обеспечивало электроэнергией здания в окрестностях, до которых можно было проложить кабели через коллекторы виадука, не раскапывая дорогу, находившуюся в монополии газовых компаний. Среди клиентов были Городской храм и Старый Бейли. Еще одним важным клиентом была телеграфная служба Главного почтового отделения, но до нее нельзя было добраться по коллекторам. Джонсон организовал прокладку кабеля по надземной линии через таверну Холборн и Ньюгейт. В сентябре 1882 года в Нью-Йорке Эдисон основал станцию "Перл-стрит" для обеспечения электрическим освещением района Нижнего Манхэттена. Станция работала до 1890 года, когда была уничтожена пожаром. На станции использовались паровые двигатели для привода генераторов постоянного тока. Из-за распределения постоянного тока зона обслуживания была небольшой и ограничивалась падением напряжения в линиях электропередачи. В 1886 году Джордж Вестингхаус начал строительство системы переменного тока, использующей трансформатор для повышения напряжения для передачи на большие расстояния и последующего понижения для внутреннего освещения – более эффективной и дешевой системы, аналогичной современным. "Война токов" в конечном итоге завершилась победой системы распределения и использования переменного тока, хотя некоторые системы постоянного тока сохранялись до конца XX века. Системы постоянного тока с радиусом обслуживания около мили (километра) неизбежно были меньше, менее эффективны с точки зрения расхода топлива и более трудоемки в эксплуатации, чем гораздо более крупные центральные станции генерации переменного тока. Системы переменного тока использовали широкий диапазон частот в зависимости от типа нагрузки: для освещения использовались более высокие частоты, а для тяговых и мощных электродвигателей – более низкие. Экономика централизованной генерации значительно улучшилась с разработкой унифицированных систем освещения и электроснабжения, работающих на общей частоте. Та же электростанция, которая днем обеспечивала энергией крупные промышленные потребители, могла питать пригородные железные дороги в час пик и затем обслуживать освещение вечером, тем самым повышая коэффициент использования установленной мощности и снижая общую стоимость электроэнергии. Существовали и исключения: электростанции предназначались для электроснабжения или освещения в зависимости от выбранной частоты, а частотные преобразователи и преобразователи тока были особенно распространены для питания электрических железных дорог от общей сети освещения и электроснабжения. В течение первых нескольких десятилетий XX века центральные станции становились все больше, используя более высокое давление пара для повышения эффективности и полагаясь на взаимосвязь нескольких генерирующих станций для повышения надежности и снижения затрат. Высоковольтная передача переменного тока позволила удобно транспортировать гидроэлектроэнергию от отдаленных водопадов на городские рынки. Появление паровой турбины на центральных станциях около 1906 года позволило значительно увеличить генерирующую мощность. Генераторы больше не ограничивались передачей мощности ремнями или относительно низкой скоростью вращательных двигателей и могли достигать огромных размеров. Например, Себастьян Зиани де Ферранти планировал построить самый большой вращательный паровой двигатель, когда-либо созданный для новой центральной станции, но отказался от этих планов, когда появились турбины необходимого размера. Создание энергетических систем на основе центральных станций требовало сочетания инженерного мастерства и финансовых знаний. Пионерами централизованной генерации электроэнергии были Джордж Вестингхаус и Сэмюэл Инсулл в США, Ферранти и Чарльз Хестерман Мерц в Великобритании и многие другие.
Тепловые электростанции
В тепловых электростанциях механическая мощность вырабатывается тепловым двигателем, который преобразует тепловую энергию, часто получаемую при сжигании топлива, в энергию вращения. Большинство тепловых электростанций производят пар, поэтому их иногда называют паровыми электростанциями. Не вся тепловая энергия может быть преобразована в механическую энергию, согласно второму закону термодинамики; поэтому всегда происходит потеря тепла в окружающую среду. Если эта потеря тепла используется как полезное тепло для промышленных процессов или централизованного отопления, электростанция называется когенерационной электростанцией или ТЭЦ (комбинированная выработка тепла и электроэнергии). В странах с развитой системой централизованного отопления существуют специализированные тепловые установки, называемые котельными для производства только тепла. Важный класс электростанций на Ближнем Востоке использует вторичное тепло для опреснения воды. Эффективность теплового цикла ограничена максимальной температурой рабочего тела. Эффективность напрямую не зависит от используемого топлива. При одинаковых параметрах пара угольные, атомные и газовые электростанции имеют одинаковую теоретическую эффективность. В целом, система, работающая постоянно (на базовой нагрузке), будет более эффективной, чем система, используемая периодически (на пиковой нагрузке). Паровые турбины, как правило, работают с более высокой эффективностью при работе на полную мощность. Помимо использования вторичного тепла для технологических процессов или централизованного отопления, одним из способов повышения общей эффективности электростанции является объединение двух различных термодинамических циклов в установке с комбинированным циклом. Чаще всего отработанные газы газовой турбины используются для выработки пара для котла и паровой турбины. Сочетание "верхнего" и "нижнего" циклов обеспечивает более высокую общую эффективность, чем каждый цикл по отдельности. В 2018 году компании Inter RAO UES и State Grid планировали строительство тепловой электростанции мощностью 8 ГВт, что является крупнейшим проектом строительства угольной электростанции в России.
По источнику тепла
Электростанции, работающие на ископаемом топливе, могут также использовать паровую турбину или, в случае электростанций на природном газе, газотурбинную установку. Угольная электростанция производит тепло путем сжигания угля в паровом котле. Пар вращает паровую турбину и генератор, которые затем вырабатывают электроэнергию. Продуктами сгорания являются зола, диоксид серы, оксиды азота и диоксид углерода. Некоторые газы могут быть удалены из отходящих газов для снижения загрязнения. Атомные электростанции используют тепло, выделяемое в активной зоне ядерного реактора (в процессе деления), для создания пара, который затем приводит в действие паровую турбину и генератор. Около 20 процентов электроэнергии в США производится на атомных электростанциях. Геотермальные электростанции используют пар, извлеченный из горячих подземных пород. Эти породы нагреваются за счет распада радиоактивных материалов в ядре Земли. Электростанции, работающие на биомассе, могут использовать отходы сахарного тростника, твердые бытовые отходы, метан с полигонов или другие виды биомассы в качестве топлива. На интегрированных металлургических заводах отходящие газы доменных печей являются недорогим, хотя и малоэнергетичным топливом. Отходящее тепло промышленных процессов иногда достаточно концентрировано для использования в производстве электроэнергии, обычно в паровом котле и турбине. Солнечные тепловые электростанции используют солнечный свет для кипячения воды и производства пара, который вращает генератор. Водородные электростанции могут использовать "зеленый" водород, полученный электролизом, для балансировки спроса и предложения от переменных возобновляемых источников энергии.
Главный двигатель
Первичный двигатель – это машина, преобразующая энергию различных форм в энергию движения. Паротурбинные установки используют динамическое давление, создаваемое расширяющимся паром, для вращения лопаток турбины. Почти все крупные негидроэлектростанции используют эту систему. Около 90 процентов всей электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с помощью паровых турбин. Газотурбинные установки используют динамическое давление потока газов (воздуха и продуктов сгорания) для непосредственного привода турбины. Газотурбинные установки, работающие на природном газе (и нефти), могут быстро запускаться и поэтому используются для покрытия "пиковых" нагрузок в периоды высокого спроса, хотя и с более высокой стоимостью, чем у базовых электростанций. Это могут быть сравнительно небольшие установки, а иногда и полностью автоматизированные, управляемые дистанционно. Первые установки такого типа были разработаны в Великобритании, и электростанция в Принстоуне стала первой в мире, введенной в эксплуатацию в 1959 году. Комбинированные газопаровые установки (КГУ) включают в себя газовую турбину, работающую на природном газе, а также паровой котел и паровую турбину, использующие горячие выхлопные газы газовой турбины для производства электроэнергии. Это значительно повышает общую эффективность электростанции, и многие новые базовые электростанции являются КГУ, работающими на природном газе. Двигатели внутреннего сгорания используются для энергоснабжения изолированных населенных пунктов и часто применяются в небольших когенерационных установках. Больницы, офисные здания, промышленные предприятия и другие критически важные объекты также используют их для обеспечения резервного питания в случае отключения электроэнергии. Обычно они работают на дизельном топливе, мазуте, природном газе и свалкочном газе. Микротурбины, двигатели Стирлинга и двигатели внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движением являются экономичными решениями для использования вторичного топлива, такого как свалкочный газ, биогаз с очистных сооружений и попутный нефтяной газ.
Башни охлаждения
Все тепловые электростанции производят вторичное тепло как побочный продукт при выработке полезной электроэнергии. Количество вторичного тепла равно или превышает количество энергии, преобразованной в полезную электроэнергию. Газовые электростанции могут достигать эффективности преобразования до 65%, в то время как угольные и нефтяные электростанции – около 30–49%. Выделяемое тепло приводит к повышению температуры в атмосфере, которое, однако, незначительно по сравнению с повышением, вызванным выбросами парниковых газов с той же электростанции. На многих атомных электростанциях и крупных электростанциях, работающих на ископаемом топливе, используются градирни с естественной тягой, представляющие собой большие гиперболоидные сооружения, подобные дымовым трубам (как показано на изображении справа), которые рассеивают вторичное тепло в окружающую атмосферу за счет испарения воды. Однако градирни с принудительной или искусственной тягой, применяемые на многих крупных тепловых электростанциях, атомных электростанциях, электростанциях, работающих на ископаемом топливе, нефтеперерабатывающих заводах, нефтехимических заводах, геотермальных установках, установках, использующих биомассу и отходы для производства энергии, используют вентиляторы для создания восходящего потока воздуха, проходящего через ниспадающую воду, и не имеют формы гиперболоидных дымовых труб. Градирни с принудительной или искусственной тягой обычно представляют собой прямоугольные, коробчатые конструкции, заполненные материалом, который усиливает смешивание восходящего воздуха и ниспадающей воды. В районах с ограниченными водными ресурсами может потребоваться использование сухих градирен или радиаторов с воздушным охлаждением, поскольку стоимость или экологические последствия получения воды для испарительного охлаждения могут быть слишком высокими. Эти охладители имеют более низкую эффективность и более высокое энергопотребление для работы вентиляторов по сравнению с типичной влажной испарительной градирней.
Конденсатор с воздушным охлаждением (ACC)
Электростанции могут использовать воздушный конденсатор, как правило, в районах с ограниченными или дорогими водными ресурсами. Воздушные конденсаторы выполняют ту же функцию, что и градирни (отвод тепла), но не требуют использования воды. Они потребляют дополнительную вспомогательную мощность и, следовательно, могут иметь больший углеродный след по сравнению с традиционной градирней.
Системы охлаждения однократного прохождения
Электрокомпании часто предпочитают использовать охлаждающую воду из океана или озера, реки или охлаждающего пруда вместо градирни. Такая однопроходная система охлаждения, или система прямого протока, может снизить стоимость градирни и, возможно, уменьшить энергозатраты на перекачку охлаждающей воды через теплообменники электростанции. Однако отработанное тепло может вызывать термическое загрязнение при сбросе воды. Электростанции, использующие природные водоемы для охлаждения, оснащаются механизмами, такими как рыбозащитные сетки, для ограничения попадания организмов в охлаждающее оборудование. Эти сетки лишь частично эффективны, и в результате ежегодно миллиарды рыб и других водных организмов гибнут на электростанциях. Например, система охлаждения энергетического центра "Индиан Пойнт" в штате Нью-Йорк ежегодно уничтожает более миллиарда рыбьих яиц и личинок. Дополнительное воздействие на окружающую среду заключается в том, что водные организмы, адаптировавшиеся к более теплой воде, могут пострадать при остановке станции в холодную погоду. Водопотребление электростанциями – растущая проблема. В последние годы для охлаждения градирен используется переработанная сточная вода, или "серая вода". Среди таких объектов – электростанции Calpine Riverside и Calpine Fox в Висконсине, а также электростанция Calpine Mankato в Миннесоте.
Энергия из возобновляемых источников
Электростанции могут вырабатывать электроэнергию из возобновляемых источников энергии.
Гидроэлектростанция
На гидроэлектростанции вода течет через турбины, используя энергию воды для выработки электроэнергии. Энергия извлекается из силы тяжести падающей воды, направляемой по водоводам к водным турбинам, соединенным с генераторами. Объем доступной энергии зависит от высоты падения воды и ее расхода. Для повышения уровня воды могут строиться различные типы плотин, создавая водохранилища для накопления воды. Гидроэнергия производится в 150 странах, при этом в 2010 году Азиатско-Тихоокеанский регион обеспечил 32% мировой выработки гидроэлектроэнергии. Крупнейшим производителем гидроэлектроэнергии является Китай, с объемом производства в 721 тераватт-час в 2010 году, что составляет около 17% внутреннего потребления электроэнергии.
Солнечная энергия
Солнечная энергия может быть преобразована в электричество либо непосредственно в солнечных элементах, либо на солнечной электростанции, использующей концентрацию солнечной энергии, путем фокусировки света для приведения в действие теплового двигателя. Солнечная фотоэлектрическая электростанция преобразует солнечный свет в постоянный ток, используя фотоэлектрический эффект. Инверторы преобразуют постоянный ток в переменный для подключения к электрической сети. Этот тип электростанции не использует вращающиеся машины для преобразования энергии. Солнечные тепловые электростанции используют параболические желоба или гелиостаты для направления солнечного света на трубу, содержащую теплоноситель, например, масло. Затем нагретое масло используется для получения пара, который вращает турбину, приводящую в действие электрический генератор. Солнечная тепловая электростанция с центральной башней использует сотни или тысячи зеркал, в зависимости от размера, для направления солнечного света на приемник, расположенный на вершине башни. Тепло используется для производства пара, который вращает турбины, приводящие в действие электрические генераторы.
Ветер
Ветровые турбины могут использоваться для выработки электроэнергии в районах с сильными и устойчивыми ветрами, в том числе в открытом море. В прошлом применялись различные конструкции, но почти все современные турбины, выпускаемые сегодня, имеют трехлопастную схему с расположением ротора навстречу ветру. Ветровые турбины, подключаемые к сети и строящиеся сейчас, значительно больше по размеру, чем установки, смонтированные в 1970-х годах. Благодаря этому они производят электроэнергию дешевле и надежнее, чем более ранние модели. У крупных турбин (мощностью около одного мегаватта) лопасти вращаются медленнее, чем у старых, малогабаритных установок, что делает их менее заметными и более безопасными для птиц.
Морской
Морская энергия, или энергия океана (иногда также называемая океанической энергией) – это энергия, содержащаяся в океанских волнах, приливах, разнице в солености и температурных градиентах океана. Движение воды в мировом океане представляет собой огромный запас кинетической энергии, то есть энергии движения. Эту энергию можно использовать для выработки электроэнергии, необходимой для питания домов, транспорта и промышленности. Термин "морская энергия" охватывает как энергию волн – получаемую из поверхностных волн, так и энергию приливов – извлекаемую из кинетической энергии больших масс движущейся воды. Оффшорная ветроэнергетика не является формой морской энергии, поскольку ветровая энергия происходит от ветра, даже если ветряные турбины расположены над водой. Океаны обладают колоссальным запасом энергии и находятся вблизи многих, если не большинства, густонаселенных районов. Океаническая энергия обладает потенциалом обеспечения значительного объема новой возобновляемой энергии по всему миру.
Осмоз
Энергия градиента солености называется обратным осмосом под давлением. В этом методе морская вода закачивается в камеру давления, где давление ниже разности давлений между соленой и пресной водой. Пресная вода также подается в камеру давления через мембрану, что увеличивает как объем, так и давление в камере. По мере компенсации разницы давлений вращается турбина, вырабатывая энергию. Этот метод активно изучается норвежской энергетической компанией Statkraft, которая оценила потенциал получения до 25 ТВт⋅ч в год в Норвегии. Statkraft построила первую в мире экспериментальную электростанцию, использующую энергию осмоса, на Осло-фьорде, которая была открыта 24 ноября 2009 года. Однако в январе 2014 года Statkraft объявила о прекращении дальнейшей работы над этим пилотным проектом.
Биомасса
Энергию из биомассы можно получать путем сжигания отходов растительного сырья для нагрева воды до образования пара и приведения в движение паровой турбины. Биоэнергию также можно перерабатывать при различных температурах и давлениях в процессах газификации, пиролиза или торефикации. В зависимости от требуемого конечного продукта, эти процессы создают более энергоемкие продукты (сингаз, древесные пеллеты, биоуголь), которые затем могут использоваться в сопутствующем двигателе для производства электроэнергии с существенно более низким уровнем выбросов по сравнению с открытым сжиганием.
Сберегательные электростанции
Возможно накапливать энергию и вырабатывать электроэнергию в дальнейшем, как, например, в гидроаккумулирующих электростанциях, накопителях тепловой энергии, накопителях энергии на маховиках, аккумуляторных электростанциях и так далее.
Насосные хранилища
Самая большая в мире система хранения избыточной электроэнергии – это обратимая гидроэлектростанция (насосно-аккумулирующая электростанция). Она является нетто-потребителем энергии, но обеспечивает хранение электроэнергии, произведенной из любого источника, эффективно сглаживая пики и провалы в производстве и потреблении электроэнергии. Насосно-аккумулирующие электростанции обычно используют "избыточную" электроэнергию в периоды низкой нагрузки для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний. Поскольку перекачка осуществляется в периоды низкой нагрузки, электроэнергия в это время стоит дешевле, чем в пиковые часы. Эта менее ценная "избыточная" электроэнергия поступает от нерегулируемых ветровых электростанций и базовых электростанций, таких как угольные, атомные и геотермальные, которые продолжают вырабатывать электроэнергию даже ночью, когда спрос очень низок. В периоды пикового дневного спроса, когда цены на электроэнергию высоки, накопленная энергия используется для покрытия пиковых нагрузок: вода из верхнего резервуара направляется обратно в нижний через турбину и генератор. В отличие от угольных электростанций, для запуска которых требуется более 12 часов, гидрогенератор можно ввести в эксплуатацию всего за несколько минут, что идеально подходит для удовлетворения пикового спроса. В Южной Африке действуют две крупные насосно-аккумулирующие электростанции: Пальмиет и Ингула, расположенная в Дракенсберге.
Операции
У оперативного персонала электростанции есть несколько обязанностей. Операторы отвечают за безопасность ремонтных бригад, которые часто выполняют работы по ремонту механического и электрического оборудования. Они поддерживают работоспособность оборудования посредством периодических осмотров и регулярно записывают температуру, давление и другую важную информацию. Операторы отвечают за запуск и остановку генераторов в зависимости от потребностей. Они способны синхронизировать и регулировать выходное напряжение дополнительной генерации с существующей электрической системой, не вызывая её сбоев. Они должны хорошо знать электрические и механические системы для выявления и устранения неисправностей на станции и повышения её надёжности. Операторы должны уметь оперативно реагировать на аварийные ситуации и знать установленные процедуры для их ликвидации.