Tipuri de centrale pe gaz cu ciclu combinat. Centrală cu ciclu combinat
La centralele termice(CHP) includ centralele electrice care generează și furnizează consumatorilor nu numai energie electrică, ci și energie termică. În acest caz, lichidele de răcire sunt abur de la extracțiile intermediare ale turbinei, parțial deja utilizate în primele etape de expansiune a turbinei pentru a genera energie electrică, precum și apă caldă cu o temperatură de 100-150 ° C, încălzită de aburul preluat. de la turbină. Aburul de la cazanul de abur intră în turbină printr-o linie de abur, unde se extinde la presiunea din condensator și energia sa potențială este transformată în lucru mecanic de rotație a rotorului turbinei și a rotorului generatorului conectat la acesta. După mai multe etape de expansiune, o parte din abur este preluată din turbină și trimisă printr-o conductă de abur către consumatorul de abur. Locația extracției aburului și, prin urmare, parametrii acestuia, sunt stabilite ținând cont de cerințele consumatorului. Deoarece căldura la o centrală termică este cheltuită pentru producerea de energie electrică și termică, eficiența centralelor termice diferă în ceea ce privește producția și furnizarea de energie electrică și producția și furnizarea de energie termică.
Unități cu turbine cu gaz(GTU) constă din trei elemente principale: un compresor de aer, o cameră de ardere și o turbină cu gaz. Aerul din atmosferă intră în compresor, antrenat de motorul de pornire, și este comprimat. Acesta este apoi alimentat sub presiune în camera de ardere, unde combustibilul lichid sau gazos este furnizat simultan de o pompă de combustibil. Pentru a reduce temperatura gazului la un nivel acceptabil (750-770 ° C), camera de ardere este furnizată de 3,5-4,5 ori mai mult aer decât este necesar pentru arderea combustibilului. În camera de ardere, acesta este împărțit în două fluxuri: un flux intră în tubul de flacără și asigură arderea completă a combustibilului, iar al doilea curge în jurul tubului de flacără din exterior și, amestecându-se cu produsele de ardere, scade temperatura acestora. După camera de ardere, gazele intră în turbina cu gaz, care se află pe același arbore cu compresorul și generatorul. Acolo se extind (la presiunea atmosferică aproximativă), lucrează prin rotirea arborelui turbinei și apoi sunt aruncate afară prin coș. Puterea unei turbine cu gaz este semnificativ mai mică decât puterea unei turbine cu abur și în prezent eficiența este de aproximativ 30%.
Plante cu ciclu combinat(CCG) sunt o combinație de unități de turbină cu abur (STU) și turbină cu gaz (GTU). O astfel de combinație face posibilă reducerea pierderilor de căldură reziduală de la turbinele cu gaz sau a căldurii de la gazele de ardere ale cazanelor cu abur, ceea ce asigură o creștere a eficienței în comparație cu STU-urile și GTU-urile individuale. În plus, cu o astfel de combinație, se obțin o serie de avantaje de design, ceea ce duce la o instalare mai ieftină. S-au răspândit două tipuri de unități CCGT: cele cu cazane de înaltă presiune și cele cu evacuarea gazelor de eșapament ale turbinei în camera de ardere a unui cazan convențional. Un cazan de înaltă presiune funcționează cu gaz sau combustibil lichid purificat. Gazele de ardere care părăsesc cazanul la temperatură ridicată și presiune în exces sunt direcționate către o turbină cu gaz, pe același arbore cu care se află compresorul și generatorul. Compresorul forțează aerul în camera de ardere a cazanului. Aburul de la cazanul de înaltă presiune este direcționat către o turbină cu condensare, pe același arbore cu care se află generatorul. Aburul evacuat în turbină trece în condensator și, după condens, este furnizat înapoi la cazan de către pompă. Gazele de evacuare ale turbinei sunt alimentate la un economizor pentru a încălzi apa de alimentare a cazanului. În această schemă, un aspirator de fum nu este necesar pentru a elimina gazele de evacuare ale unui cazan de înaltă presiune, funcția unei pompe de suflare este îndeplinită de un compresor. Eficiența instalației în ansamblu ajunge la 42-43%. Într-o altă schemă a unei instalații cu ciclu combinat, căldura gazelor de evacuare a turbinei este utilizată în cazan. Posibilitatea de a descărca gazele de evacuare ale turbinei în camera de ardere a cazanului se bazează pe faptul că, în camera de ardere a unei unități cu turbină cu gaz, combustibilul (gazul) este ars cu un exces mare de aer și conținutul de oxigen din gazele de evacuare. (16-18%) este suficient pentru a arde cea mai mare parte a combustibilului.
29. CNE: proiectare, tipuri de reactoare, parametri, caracteristici de funcționare.
Centralele nucleare sunt clasificate ca centrale termice, deoarece dispozitivul lor conține generatoare de căldură, un lichid de răcire și un generator electric. curent - turbină.
CNE pot fi centrale în condensare, centrale termice și electrice combinate (CHP), centrale nucleare de alimentare cu căldură (HSP).
Reactoarele nucleare sunt clasificate după mai multe criterii:
1. după nivelul energiei neutronilor:
Pe neutroni termici
Pe neutroni rapizi
2. după tipul de moderator de neutroni: apă, apă grea, grafit.
3. după tipul de lichid de răcire: apă, apă grea, gaz, metal lichid
4. după numărul de circuite: unul, două, trei circuite
În reactoarele moderne, neutronii termici sunt utilizați în principal pentru fisiunea nucleelor de combustibil sursă. Toate au, în primul rând, așa-zisul miez, în care este încărcat combustibil nuclear care conține uraniu 235 moderator(de obicei grafit sau apă). Pentru a reduce scurgerea de neutroni din miez, acesta din urmă este înconjurat reflector , de obicei din același material ca și moderatorul.
În spatele reflectorului se află în afara reactorului protectia betonului din radiațiile radioactive. Sarcina reactorului cu combustibil nuclear depășește de obicei semnificativ sarcina critică. Pentru a menține continuu reactorul într-o stare critică pe măsură ce combustibilul se arde, în miez este introdus un absorbant puternic de neutroni sub formă de tije de bor uree. Astfel de tije numit reglementare sau compensatoare. În timpul fisiunii nucleare, se eliberează o cantitate mare de căldură, care este îndepărtată lichid de răcire la schimbătorul de căldură generator de abur, unde se transformă într-un fluid de lucru - abur. Intră aburi turbinăși își rotește rotorul, al cărui arbore este conectat la arbore generator. Intră aburul evacuat în turbină condensator, după care apa condensată intră din nou în schimbătorul de căldură și ciclul se repetă.
Centralele cu ciclu combinat produc energie electrică și energie termică. O instalație cu ciclu combinat constă din două blocuri separate: putere cu abur și turbină cu gaz. Combustibilul unităților CCGT autohtone este gaz natural, dar poate fi fie gaz natural, fie produse ale industriei petrochimice, cum ar fi păcură. În instalațiile cu ciclu combinat, primul generator este situat pe același arbore cu turbina cu gaz, care generează curent electric datorită rotației rotorului. Trecând prin turbina cu gaz, produsele de ardere îi conferă o parte din energia lor și apoi produsele de ardere intră în centrala electrică cu abur, cazanul de căldură reziduală, unde se generează vaporii de apă furnizați turbinei cu abur.
Construcția de centrale cu ciclu combinat (sau CCGT) a fost recent principala tendință în dezvoltarea ingineriei termice globale și casnice. O combinație de cicluri bazată pe turbine cu gaz, de ex. unitatea de turbină cu gaz și unitatea de turbină cu abur (ciclurile Brayton și, respectiv, Rankine) asigură un salt brusc în eficiența termică a centralei electrice, aproximativ două treimi din puterea acesteia provenind de la unitatea de turbină cu gaz. Aburul generat din căldura gazelor de evacuare a turbinei cu gaz, așa cum sa menționat deja, antrenează turbina cu abur.
O idee generală a cazanelor de căldură reziduală într-o schemă CCGT poate fi obținută pe baza unei scurte descriere a HRSG tip HRSG:
Cazanul de căldură reziduală de tip HRSG ca parte a unității CCGT este proiectat să producă abur supraîncălzit de înaltă, medie și joasă presiune prin utilizarea căldurii gazelor fierbinți de eșapament ale unității cu turbină cu gaz.
Cazanul de căldură reziduală HRSG este de tip tambur vertical, cu circulație naturală în circuite de evaporare la presiune mare, medie și joasă, cu cadru de susținere propriu.
Proiectarea cazanului de căldură reziduală oferă posibilitatea de prepornire și spălare cu apă-chimică a căii abur-apă, precum și conservarea suprafețelor interioare ale cazanului în timpul opririlor.
De-a lungul traseului abur-apă, circuitul hidraulic al cazanului de căldură reziduală este format din trei circuite independente cu niveluri de presiune diferite:
cale de joasă presiune;
tract de presiune medie;
cale de înaltă presiune.
Suprafețele de încălzire ale conductelor (evaporatoare, supraîncălzitoare etc.) ale acestui cazan sunt amplasate orizontal. Toate au o bobină de sisteme de conducte, care sunt combinate de colectoare și, folosind un sistem de conducte de evacuare, sunt conectate la tamburul separator. Cu acest design, tensiunile termice în timpul schimbărilor de sarcină și pornirilor sunt semnificativ mai mici, pachetele de țevi se pot extinde liber, ceea ce minimizează riscul de ciupire, ducând la distrugerea țevilor.
Tuburile schimbătoarelor de căldură ale secțiunilor HP, SD și LP sunt realizate cu aripioare continue, ținând cont de natura convectivă a schimbului de căldură între gazele fierbinți din turbina cu gaz și suprafețele de schimb de căldură. Aripioarele sunt din oțel carbon cu diametrul de 62-68 mm și grosimea de 1 mm.
Sistemul de curățare a aburului din picăturile de apă din cazan este simplificat, nu are cicloni intra-tambur, așa cum este prevăzut la cazanele de abur convenționale. Există linii de purjare periodică din butoaie, dar nu există linii speciale de purjare periodică a evaporatoarelor din punctele inferioare, unde aceste linii sunt mai relevante în raport cu îndepărtarea formațiunilor de nămol acumulat din cazan.
Din tambur, aburul saturat intră în supraîncălzitorul de înaltă presiune.
Cazanul de căldură reziduală HRSG funcționează pe gazele de evacuare ale turbinei cu gaz a unității. În direcția de mișcare a gazelor arse, suprafețele de încălzire ale cazanului sunt situate în următoarea secvență:
Etapă de ieșire supraîncălzitor HP;
etapa de reîncălzire a ieșirii;
a doua parte a etapei de intrare a supraîncălzitorului HP;
etapă de intrare reîncălzire;
prima parte a treptei de admisie a supraîncălzitorului HP;
evaporator HP;
Economizor HP a doua etapă;
supraîncălzitor SD;
supraîncălzitor LP;
Economizor HP prima etapă;
Evaporator LED;
Economizor LED, parte de ieșire din prima etapă / Economizor HP, parte de ieșire din prima etapă;
Evaporator LP;
economizor SD parte de intrare din prima treaptă / economizor HP parte de intrare din prima treaptă;
încălzitor de condens (economizor LP).
Un eșapament și un amortizor sunt instalate în partea de evacuare a cazanului pentru a preveni intrarea precipitațiilor în cazan în timpul opririi.
Informații mai detaliate despre acest cazan de căldură reziduală pot fi găsite în exemplul nostru "
Centralele cu ciclu combinat sunt o combinație de turbine cu abur și cu gaz. Această combinație face posibilă reducerea pierderilor de căldură reziduală de la turbinele cu gaz sau a căldurii gazelor de eșapament de la cazanele cu abur, ceea ce asigură o creștere a eficienței unităților de turbine cu gaz cu ciclu combinat (CCGT) în comparație cu turbinele cu abur și turbinele cu gaz individuale. .
În prezent, există două tipuri de centrale de gaz cu ciclu combinat:
a) cu cazane de înaltă presiune și cu evacuarea gazelor de eșapament ale turbinei în camera de ardere a unui cazan convențional;
b) folosirea căldurii gazelor de evacuare ale turbinei în cazan.
Diagramele schematice ale acestor două tipuri de unități CCGT sunt prezentate în Fig. 2.7 și 2.8.
În fig. 2.7 prezintă o diagramă schematică a unui CCGT cu un cazan de abur de înaltă presiune (HPB) 1 , în care sunt furnizate apă și combustibil, ca într-o stație termică convențională pentru a produce abur. Aburul de înaltă presiune intră în turbina de condensare 5 , pe același arbore cu care se află generatorul 8 . Aburul evacuat în turbină intră mai întâi în condensator 6 și apoi folosind o pompă 7 se întoarce la cazan 1 .
Figura 2.7. Schema schematică a pgu cu vpg
În același timp, gazele formate în timpul arderii combustibilului în cazan, care au temperatură și presiune ridicată, sunt trimise la turbina cu gaz. 2 . Compresorul este situat pe același arbore 3 , ca într-o unitate convențională cu turbină cu gaz și un alt generator electric 4 . Compresorul este proiectat pentru a pompa aer în camera de ardere a cazanului. Gazele de evacuare ale turbinei 2 Apa de alimentare a cazanului este, de asemenea, încălzită.
Această schemă CCGT are avantajul că nu necesită un extractor de fum pentru a elimina gazele de evacuare a cazanului. Trebuie remarcat faptul că funcția suflantei este îndeplinită de compresor 3 . Eficiența unui astfel de CCGT poate ajunge la 43%.
În fig. Figura 2.8 prezintă o diagramă schematică a unui alt tip de CCGT. Spre deosebire de PGU prezentat în Fig. 2.7, gaz la turbină 2 provine din camera de ardere 9 , nu de la cazan 1 . Mai petrecut în turbină 2 gazele saturate cu până la 16–18% oxigen din cauza prezenței unui compresor intră în cazan 1 .
Această schemă (Fig. 2.8) are un avantaj față de unitatea CCGT discutată mai sus (Fig. 2.7), deoarece folosește un cazan de design convențional cu capacitatea de a utiliza orice tip de combustibil, inclusiv solid. În camera de ardere 3 în acest caz, este ars un gaz sau un combustibil lichid semnificativ mai puțin costisitor decât într-o schemă CCGT cu un cazan cu abur de înaltă presiune.
Figura 2.8. Schema schematică a pgu (circuit de resetare)
Această combinație a două centrale (abur și gaz) într-o unitate comună cu ciclu combinat creează, de asemenea, oportunitatea de a obține o manevrabilitate mai mare în comparație cu o centrală termică convențională.
Schema schematică a centralelor nucleare
În ceea ce privește scopul și principiul tehnologic de funcționare, centralele nucleare nu sunt practic diferite de centralele termice tradiționale. Diferența lor semnificativă constă, în primul rând, în faptul că la o centrală nucleară, spre deosebire de centralele termice, aburul se formează nu în cazan, ci în miezul reactorului și, în al doilea rând, în faptul că centralele nucleare folosesc combustibil nuclear, care conține izotopi de uraniu-235 (U-235) și uraniu-238 (U-238).
O caracteristică a procesului tehnologic la centralele nucleare este, de asemenea, formarea unor cantități semnificative de produse radioactive de fisiune și, prin urmare, centralele nucleare sunt mai complexe din punct de vedere tehnic în comparație cu centralele termice.
Circuitul NPP poate fi cu un singur circuit, cu dublu circuit și cu trei circuite (Fig. 2.9).
Orez.2.9. Scheme schematice ale centralelor nucleare
Circuitul cu un singur circuit (Fig. 2.9a) este cel mai simplu. Eliberat într-un reactor nuclear 1 Datorită reacției în lanț de fisiune a nucleelor elementelor grele, căldura este transferată de lichidul de răcire. Aburul este adesea folosit ca lichid de răcire, care este apoi folosit ca în centralele convenționale cu turbine cu abur. Cu toate acestea, aburul produs în reactor este radioactiv. Prin urmare, pentru a proteja personalul centralei nucleare și mediul înconjurător, majoritatea echipamentelor trebuie protejate de radiații.
Conform schemelor cu două și trei circuite (Fig. 2.9, b și 2.9, c), căldura este îndepărtată din reactor de un lichid de răcire, care apoi transferă această căldură în mediul de lucru direct (de exemplu, ca în cazul unui schema de circuit printr-un generator de abur 3 ) sau prin intermediul lichidului de răcire din circuitul intermediar (de exemplu, ca într-un design cu trei circuite între un schimbător de căldură intermediar 2 si generator de abur 3 ). În fig. 2,9 în cifre 5 , 6 Şi 7 sunt indicate condensatorul si pompele care indeplinesc aceleasi functii ca intr-o centrala termica conventionala.
Reactorul nuclear este adesea numit „inima” unei centrale nucleare. În prezent, există destul de multe tipuri de reactoare.
În funcție de nivelul energetic al neutronilor, sub influența căruia are loc fisiunea combustibilului nuclear, centralele nucleare pot fi împărțite în două grupe:
centrala nucleara cu reactoare cu neutroni termici;
centrala nucleara cu reactoare rapide cu neutroni.
Sub influența neutronilor termici, numai izotopii uraniului-235 sunt capabili de fisiune, al căror conținut în uraniu natural este de numai 0,7%, restul de 99,3% sunt izotopi ai uraniului-238. Sub influența unui flux de neutroni de un nivel energetic mai ridicat (neutroni rapizi), uraniul-238 produce combustibil nuclear artificial plutoniu-239, care este utilizat în reactoarele cu neutroni rapizi. Marea majoritate a reactoarelor de putere aflate în funcțiune în prezent sunt de primul tip.
În Fig. 2.10.
Un reactor nuclear constă dintr-un miez, un reflector, un sistem de răcire, un sistem de control, reglare și control, o carcasă și protecție biologică.
Miezul reactorului este zona în care se menține reacția în lanț de fisiune. Se compune din material fisionabil, un moderator de lichid de răcire și reflector de neutroni, tije de control și materiale structurale. Principalele elemente ale miezului reactorului, care asigură eliberarea de energie și reacții auto-susținute, sunt materialul fisionabil și un moderator. Miezul este separat de dispozitivele externe, iar personalul lucrează printr-o zonă de protecție.
Centralele electrice cu ciclu combinat sunt numite centrale electrice în care căldura gazelor de eșapament ale unei turbine cu gaz este utilizată direct sau indirect pentru a genera energie electrică în ciclul turbinei cu abur. Se deosebește de centralele cu abur și turbinele cu gaz prin eficiența crescută.
Schema schematică a unei centrale de gaze cu ciclu combinat (din prelegerea lui Fomina).
GT EG abur
compresorul cazanului de căldură reziduală K
aer EG
apa de alimentare
KS – camera de ardere
GT – turbină cu gaz
K – turbină cu abur cu condensare
EG – generator electric
O instalație cu ciclu combinat constă din două unități separate: putere cu abur și turbină cu gaz.
Într-o unitate cu turbină cu gaz, turbina este rotită de produșii gazoși ai arderii combustibilului. Combustibilul poate fi fie gaz natural, fie produse petroliere (pacură, motorină). Primul generator este situat pe același arbore cu turbina, care generează curent electric datorită rotației rotorului. Trecând printr-o turbină cu gaz, produsele de ardere îi conferă doar o parte din energia lor și au încă o temperatură ridicată la ieșirea din turbina cu gaz. De la ieșirea din turbina cu gaz, produsele de ardere intră în centrala electrică cu abur, cazanul de căldură reziduală, unde sunt încălzite apa și vaporii de apă rezultați. Temperatura produselor de ardere este suficientă pentru a aduce aburul în starea necesară pentru utilizare într-o turbină cu abur (temperatura gazelor de ardere de aproximativ 500 de grade Celsius permite obținerea de abur supraîncălzit la o presiune de aproximativ 100 de atmosfere). Turbina cu abur antrenează un al doilea generator electric.
Perspective pentru dezvoltarea PSU (din manualul lui Amethystov).
1. O centrală cu ciclu combinat este cel mai economic motor folosit pentru a genera energie electrică. Un CCGT cu un singur circuit cu o unitate cu turbină cu gaz având o temperatură inițială de aproximativ 1000 °C poate avea o eficiență absolută de aproximativ 42%, care va fi de 63% din randamentul teoretic al CCGT. Eficiența unei unități CCGT cu trei circuite cu supraîncălzire intermediară cu abur, în care temperatura gazului în fața turbinei cu gaz este la nivelul de 1450 °C, ajunge astăzi la 60%, ceea ce reprezintă 82% din nivelul teoretic posibil. Nu există nicio îndoială că eficiența poate fi crescută și mai mult.
2. O centrală cu ciclu combinat este cel mai ecologic motor. Acest lucru se datorează în primul rând eficienței ridicate - la urma urmei, toată căldura conținută în combustibil, care nu a putut fi transformată în energie electrică, este eliberată în mediu și are loc poluarea termică a acestuia. Prin urmare, reducerea emisiilor termice de la un CCGT comparativ cu o centrală cu abur va fi exact în măsura în care consumul de combustibil pentru producerea de energie electrică este mai mic.
3. O centrală cu ciclu combinat este un motor foarte manevrabil, cu care doar o turbină cu gaz autonomă poate fi comparată ca manevrabilitate.
4. Cu aceeași putere a centralelor termice cu abur și ciclu combinat, consumul de apă de răcire al centralei CCGT este de aproximativ trei ori mai mic.
5. CCGT are un cost moderat al unei unități de putere instalate, care este asociat cu un volum mai mic al părții de construcție, absența unui cazan electric complex, un coș de fum scump, un sistem de încălzire regenerativă pentru apă de alimentare și utilizarea o turbină cu abur mai simplă și un sistem de alimentare cu apă de proces.
6. Unitățile CCGT au un ciclu de construcție semnificativ mai scurt. Unitățile CCGT, în special cele cu un singur arbore, pot fi introduse în etape. Acest lucru simplifică problema investițiilor.
Centralele cu ciclu combinat nu au practic niciun dezavantaj, mai degrabă ar trebui să vorbim despre anumite restricții și cerințe pentru echipamente și combustibil. Instalatiile in cauza necesita utilizarea gazelor naturale. Pentru Rusia, unde ponderea gazului relativ ieftin folosit pentru energie depășește 60% și jumătate din acesta este utilizat din motive de mediu la centralele termice, există toate posibilitățile de construire a unei centrale de gaze cu ciclu combinat.
Toate acestea sugerează că construcția de centrale CCGT este tendința predominantă în ingineria modernă a energiei termice.
Eficiența unei unități CCGT de tip recuperare:
ηPGU = ηGTU + (1- ηGTU)*ηKU*ηPTU
STU - unitate turbină cu abur
HRSG – cazan de căldură reziduală
În general, eficiența unei unități CCGT este:
Aici - Qgtu este cantitatea de căldură furnizată fluidului de lucru al unității turbinei cu gaz;
Qpsu este cantitatea de căldură furnizată mediului de abur din cazan.
1. Scheme termice principale ale alimentării cu abur și căldură din centralele termice. Coeficientul de încălzire α al instalației de cogenerare. Metode de acoperire a sarcinii termice de vârf la centralele termice,
CHP (centrale combinate de energie termică și electrică)- concepute pentru furnizarea centralizată de căldură și energie electrică a consumatorilor. Diferența lor față de IES este că folosesc căldura aburului evacuat în turbine pentru nevoile de producție, încălzire, ventilație și alimentare cu apă caldă. Datorită acestei combinații de generare de energie electrică și căldură, se realizează economii semnificative de combustibil în comparație cu furnizarea separată de energie (generarea de energie electrică la CPP și energie termică la cazanele locale). Datorită acestei metode de producție combinată, centralele CHP ating o eficiență destul de ridicată, ajungând până la 70%. Prin urmare, centralele de cogenerare s-au răspândit în zone și orașe cu consum mare de căldură. Puterea maximă a unei centrale CHP este mai mică decât cea a unei CPP.
Centralele de cogenerare sunt legate de consumatori, pentru că Raza de transfer de căldură (abur, apă caldă) este de aproximativ 15 km. Centralele termice suburbane transmit apa calda la o temperatura initiala mai mare pe o distanta de pana la 30 km. Aburul pentru nevoile de producție cu o presiune de 0,8-1,6 MPa poate fi transmis pe o distanță de cel mult 2-3 km. Cu o densitate medie de încărcare termică, puterea unei centrale termice nu depășește de obicei 300-500 MW. Numai în orașele mari precum Moscova sau Sankt Petersburg cu o densitate mare de încărcare termică are sens să construim stații cu o capacitate de până la 1000-1500 MW.
Puterea centralei termice și tipul de turbogenerator sunt selectate în conformitate cu cerințele de căldură și parametrii aburului utilizat în procesele de producție și pentru încălzire. Cele mai utilizate sunt turbinele cu una și două extractii de abur reglabile și condensatoarele (vezi figura). Selecțiile reglabile vă permit să reglați producția de căldură și electricitate.
Modul de cogenerare - zilnic și sezonier - este determinat în principal de consumul de căldură. Stația funcționează cel mai economic dacă puterea sa electrică se potrivește cu puterea termică. În acest caz, o cantitate minimă de abur intră în condensatoare. Iarna, când cererea de căldură este maximă, la temperatura de proiectare a aerului în timpul orelor de funcționare a întreprinderilor industriale, sarcina generatoarelor de cogenerare este apropiată de cea nominală. În perioadele în care consumul de căldură este scăzut, de exemplu vara, precum și iarna când temperatura aerului este mai mare decât temperatura de proiectare și noaptea, puterea electrică a centralei termice corespunzătoare consumului de căldură scade. Dacă sistemul de alimentare are nevoie de energie electrică, centrala termică trebuie să treacă în modul mixt, ceea ce crește fluxul de abur în partea de joasă presiune a turbinelor și în condensatoare. În același timp, eficiența centralei scade.
Producția maximă de energie electrică de către stațiile de încălzire „pe consum de căldură” este posibilă numai atunci când se lucrează împreună cu CPP-uri puternice și centrale hidroelectrice, care preiau o parte semnificativă a sarcinii în orele de consum redus de căldură.
analiza comparativă a metodelor de reglare a încărcăturii termice.
Reglementarea calitatii.
Avantaj: regim hidraulic stabil al rețelelor de încălzire.
Defecte:
■ fiabilitatea scăzută a surselor de putere termică de vârf;
■ necesitatea utilizării unor metode costisitoare de tratare a apei de completare a rețelei de încălzire la temperaturi ridicate ale lichidului de răcire;
■ program de temperatură crescut pentru a compensa prelevarea de apă pentru furnizarea de apă caldă și reducerea asociată a producerii de energie electrică din consumul de căldură;
■ întârziere mare de transport (inerție termică) în reglarea sarcinii termice a sistemului de alimentare cu încălzire;
■ intensitatea ridicată a coroziunii conductelor datorită funcționării sistemului de alimentare cu căldură în cea mai mare parte a perioadei de încălzire cu temperaturi ale lichidului de răcire de 60-85 °C;
■ fluctuaţiile temperaturii interioare a aerului datorită influenţei încărcăturii de ACM asupra funcţionării sistemelor de încălzire şi a diferitelor rapoarte ale ACM şi sarcinile de încălzire între abonaţi;
■ scăderea calității furnizării de căldură la reglarea temperaturii lichidului de răcire pe baza temperaturii medii a aerului exterior pe mai multe ore, ceea ce duce la fluctuații ale temperaturii aerului interior;
■ la temperaturi variabile ale apei din reţea, funcţionarea compensatoarelor devine semnificativ mai dificilă.
Abur-gaz se numesc centrale electrice (PGU), în care căldura din gazele de eșapament ale unei instalații cu turbine cu gaz este utilizată direct sau indirect pentru a genera energie electrică în ciclul turbinei cu abur.
În fig. Figura 4.10 prezintă o diagramă schematică a celei mai simple centrale cu ciclu combinat, așa-numitul tip de utilizare. Gazele de evacuare ale turbinei cu gaz intră în cazan de recuperare- un schimbător de căldură în contracurent, în care, din cauza căldurii gazelor fierbinți, se produce abur de parametri înalți, direcționat către o turbină cu abur.
Figura 4.10. Schema schematică a celei mai simple centrale cu ciclu combinat
Cazanul de căldură reziduală este un arbore dreptunghiular, în care sunt amplasate suprafețe de încălzire, formate din țevi argintii, în care este alimentat fluidul de lucru al unei turbine cu abur (apă sau abur). În cel mai simplu caz, suprafețele de încălzire ale cazanului de căldură reziduală sunt formate din trei elemente: economizor 3, evaporator 2 și supraîncălzitor 1. Elementul central este evaporatorul, constând dintr-un tambur 4 (un cilindru lung umplut pe jumătate cu apă), mai multe conducte de scurgere 7 și țevi verticale instalate destul de strâns ale evaporatorului însuși 8. Evaporatorul funcționează pe principiul convecției naturale. Conductele de evaporare sunt situate într-o zonă cu temperaturi mai ridicate decât conductele de coborâre. Prin urmare, apa se încălzește în ele, se evaporă parțial și, prin urmare, devine mai ușoară și se ridică în tambur. Spațiul eliberat este umplut cu apă mai rece prin conductele de scurgere din tambur. Aburul saturat este colectat în partea superioară a tamburului și trimis către conductele supraîncălzitorului 1. Debitul de abur din tamburul 4 este compensat de alimentarea cu apă de la economizorul 3. În acest caz, apa care intra va trece prin conductele de evaporare. de multe ori înainte de a se evapora complet. Prin urmare, se numește cazanul de căldură reziduală descris cazan cu circulatie naturala.
Economizorul încălzește apa de alimentare care ajunge până la punctul de fierbere aproape. Din tambur, aburul saturat uscat intră în supraîncălzitor, unde este supraîncălzit peste temperatura de saturație. Temperatura aburului supraîncălzit rezultat t 0 este întotdeauna, desigur, mai mică decât temperatura gazelor q G provenind de la turbina cu gaz (de obicei 25 - 30 °C).
Mai jos diagrama cazanului de căldură reziduală din Fig. Figura 4.10 arată modificarea temperaturii gazelor și a fluidului de lucru pe măsură ce se deplasează unul spre celălalt. Temperatura gazului scade treptat de la valoarea q Г la intrare la valoarea qух temperatura gazelor de eșapament.Îndreptându-se spre Apa de alimentare își ridică temperatura în economizor până la punctul de fierbere(punct O). La aceasta temperatura (pe punctul de a fierbe) apa intra in evaporator. Apa se evaporă în ea. În același timp, temperatura sa nu se modifică (proces o - b). La punctul b fluidul de lucru este sub formă de abur saturat uscat. Apoi, supraîncălzitorul se supraîncălzi până la o valoare t 0 .
Aburul generat la ieșirea supraîncălzitorului este direcționat către turbina cu abur, unde se extinde și funcționează. Din turbină, aburul evacuat intră în condensator și este condensat folosind o pompă de alimentare. 6 , crescând presiunea apei de alimentare, este trimis înapoi la cazanul de căldură reziduală.
Astfel, diferența fundamentală dintre o centrală electrică cu abur (SPU) a unei centrale CCGT și o sursă de alimentare convențională a unei centrale termice este doar aceea că combustibilul nu este ars în cazanul de căldură reziduală și căldura necesară funcționării sursei de alimentare din o instalație CCGT este preluată din gazele de eșapament ale GTU. Vederea generală a cazanului de căldură reziduală este prezentată în Fig. 4.11.
Figura 4.11. Vedere generală a cazanului de căldură reziduală
O centrală electrică cu o unitate CCGT este prezentată în Fig. 4.12, care prezintă o centrală termică cu trei unități de putere. Fiecare unitate de putere este formată din două unități de turbină cu gaz adiacente 4 firma de tip V94.2 Siemens, fiecare dintre ele își trimite gazele de evacuare la temperatură înaltă către propriul cazan de căldură reziduală 8 . Aburul generat de aceste cazane este direcționat către o turbină cu abur 10 cu generator electric 9 și un condensator situat în camera de condensare de sub turbină. Fiecare astfel de unitate de putere are o capacitate totală de 450 MW (fiecare turbină cu gaz și turbină cu abur are o capacitate de aproximativ 150 MW). Între difuzorul de ieșire 5 și cazan de căldură reziduală 8 instalat coș de ocolire (bypass) 12 si poarta etansa la gaz 6 .
Figura 4.12. Centrală electrică cu CCGT
Principalele avantaje ale PSU.
1. O centrală cu ciclu combinat este în prezent cel mai economic motor folosit pentru a genera energie electrică.
2. O centrală cu ciclu combinat este cel mai ecologic motor. Acest lucru se explică în primul rând prin randamentul ridicat - la urma urmei, toată căldura conținută în combustibil, care nu a putut fi transformată în energie electrică, este eliberată în mediu și are loc poluarea termică a acestuia. Prin urmare, reducerea emisiilor termice de la un CCGT comparativ cu o centrală cu abur corespunde aproximativ unei reduceri a consumului de combustibil pentru producerea de energie electrică.
3. O centrală cu ciclu combinat este un motor foarte manevrabil, cu care doar o turbină cu gaz autonomă poate fi comparată ca manevrabilitate. Manevrabilitatea potențial mare a unei turbine cu abur este asigurată de prezența unei turbine cu gaz în proiectarea acesteia, a cărei sarcină se modifică în câteva minute.
4. Cu aceeași putere a centralelor termice cu abur și ciclu combinat, consumul de apă de răcire al centralei CCGT este de aproximativ trei ori mai mic. Acest lucru este determinat de faptul că puterea părții de putere cu abur a CCGT este 1/3 din puterea totală, iar GTU practic nu necesită apă de răcire.
5. CCGT are un cost mai mic al unei unități de putere instalate, care este asociat cu un volum mai mic al părții de construcție, absența unui cazan electric complex, un coș de fum scump, un sistem de încălzire regenerativă pentru apă de alimentare, utilizarea unui turbină cu abur mai simplă și un sistem tehnic de alimentare cu apă.
CONCLUZIE
Principalul dezavantaj al tuturor centralelor termice este că toate tipurile de combustibili utilizate sunt resurse naturale de neînlocuit care se epuizează treptat. În plus, termocentralele consumă o cantitate semnificativă de combustibil (în fiecare zi o centrală raională de stat cu o capacitate de 2000 MW arde două trenuri de cărbune pe zi) și sunt cele mai „murdare” surse de energie electrică din punct de vedere ecologic, mai ales dacă funcționează. pe combustibili cu sulf bogat în cenuşă. Tocmai de aceea, în prezent, odată cu utilizarea centralelor nucleare și hidraulice, este în derulare și dezvoltarea centralelor care utilizează surse regenerabile sau alte surse alternative de energie. Cu toate acestea, în ciuda tuturor, centralele termice sunt principalii producători de energie electrică în majoritatea țărilor lumii și vor rămâne așa cel puțin în următorii 50 de ani.
ÎNTREBĂRI DE TEST PENTRU PRELEȚIA 4
1. Schema termică a unei centrale termice – 3 puncte.
2. Proces tehnologic de producere a energiei electrice la centrale termice – 3 puncte.
3. Amenajarea centralelor termice moderne – 3 puncte.
4. Caracteristici ale turbinelor cu gaz. Schema bloc a unei unități de turbină cu gaz. Eficiența GTU – 3 puncte.
5. Schema termică a turbinei cu gaz – 3 puncte.
6. Caracteristici ale CCGT. Diagrama structurală a PSUU. Eficiența CCGT – 3 puncte.
7. Schema termică a unității CCGT – 3 puncte.
PRELEZA 5
CENTRALE NUCLEARE. COMBUSTIBIL PENTRU CNE. PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL UNUI REACTOR NUCLEAR. PRODUCEREA DE ELECTRICITATE LA CNE CU REACTORI TERMICI. REACTORI DE NEUTRONI RAPIDI. AVANTAJE ȘI DEZAVANTAJE CNE MODERNE
Concepte de bază
Centrală nucleară(centrală nucleară) este o centrală electrică, generarea de energie electrică prin conversia energiei termice eliberate într-un reactor nuclear (reactoare) ca urmare a unei reacții controlate în lanț de fisiune (divizare) a nucleelor atomilor de uraniu. Diferența fundamentală dintre o centrală nucleară și o centrală termică este doar că, în loc de un generator de abur, se folosește un reactor nuclear - un dispozitiv în care se realizează o reacție nucleară controlată în lanț, însoțită de eliberarea de energie.
Proprietățile radioactive ale uraniului au fost descoperite pentru prima dată de un fizician francez Antoine Becquerelîn 1896. fizician englez Ernest Rutherford a efectuat pentru prima dată o reacție nucleară artificială sub influența particulelor în 1919. fizicienii germani Otto HahnŞi Fritz Strassmann deschis în 1938 , că fisiunea nucleelor grele de uraniu în timpul bombardamentului cu neutroni însoţită de eliberarea de energie. Utilizarea reală a acestei energii a devenit o chestiune de timp.
Primul reactor nuclear a fost construit în decembrie 1942 în SUA un grup de fizicieni de la Universitatea din Chicago condus de un fizician italian Enrico Fermi. Pentru prima dată, a fost realizată o reacție de fisiune neamortizată a nucleelor de uraniu. Reactorul nuclear, numit SR-1, era format din blocuri de grafit, între care erau amplasate bile de uraniu natural și dioxidul acestuia. Neutroni rapizi care apar după fisiunea nucleară 235U, au fost încetinite de grafit la energii termice, iar apoi au provocat noi fisiuni nucleare. Reactoarele în care majoritatea fisiunilor au loc sub influența neutronilor termici se numesc reactoare cu neutroni termici (lenti); în astfel de reactoare există mult mai mult moderator decât uraniul.
În Europa, primul reactor nuclear F-1 a fost fabricat și lansat în decembrie 1946 la Moscova un grup de fizicieni și ingineri condus de un academician Igor Vasilievici Kurchatov. Reactorul F-1 era realizat din blocuri de grafit și avea forma unei bile cu un diametru de aproximativ 7,5 m În partea centrală a bilei cu diametrul de 6 m, în orificiile blocurilor de grafit erau plasate tije de uraniu. . Reactorul F-1, ca și SR-1, nu avea un sistem de răcire, așa că funcționa la niveluri de putere scăzute: de la fracții la unități de watt.
Rezultatele cercetării la reactorul F-1 au servit drept bază pentru proiectarea reactoarelor industriale. În 1948, sub conducerea lui I.V Kurchatov, au început lucrările privind utilizarea practică a energiei atomice pentru a genera electricitate.
Prima centrală nucleară industrială din lume cu o capacitate de 5 MW a fost lansată la 27 iunie 1954 la Obninsk, regiunea Kaluga. În 1958, a fost pusă în funcțiune prima etapă a CNE din Siberia cu o capacitate de 100 MW (capacitate totală de proiectare 600 MW). În același an, a început construcția centralei nucleare industriale Beloyarsk, iar în aprilie 1964, generatorul din prima etapă a furnizat energie electrică consumatorilor. În septembrie 1964, a fost lansată prima unitate a CNE Novovoronezh cu o capacitate de 210 MW. A doua unitate cu o capacitate de 350 MW a fost lansată în decembrie 1969. În 1973, a fost lansată Centrala Nucleară Leningrad.
În Marea Britanie, prima centrală nucleară industrială cu o capacitate de 46 MW a fost pusă în funcțiune în 1956 la Calder Hall. Un an mai târziu, a intrat în funcțiune o centrală nucleară de 60 MW în Shippingport (SUA).
Liderii mondiali în producția de energie electrică nucleară sunt: SUA (788,6 miliarde kWh/an), Franța (426,8 miliarde kWh/an), Japonia (273,8 miliarde kWh/an), Germania (158,4 miliarde kWh/an) și Rusia (154,7 miliarde kWh/an). La începutul anului 2004, în lume funcționau 441 de reactoare nucleare, iar SA TTEL rusă furnizează combustibil pentru 75 dintre ele.
Cea mai mare centrală nucleară din Europa este Centrala nucleară Zaporozhye din Energodar (Ucraina) - 6 reactoare nucleare cu o capacitate totală de 6 GW. Cea mai mare centrală nucleară din lume - Kashiwazaki-Kariwa (Japonia) - cinci reactoare nucleare în fierbere ( BWR) și două reactoare nucleare avansate la fierbere ( ABWR), a cărui capacitate totală este de 8,2 GW.
În prezent, în Rusia funcționează următoarele centrale nucleare: Balakovo, Beloyarsk, Bilibinsk, Rostov, Kalinin, Kola, Kursk, Leningrad, Novovoronezh, Smolensk.
Evoluțiile proiectului de Strategie energetică a Rusiei pentru perioada până în 2030 prevăd o creștere de 4 ori a producției de energie electrică la centralele nucleare.
Centralele nucleare sunt clasificate în funcție de reactoarele instalate pe ele:
l reactoare cu neutroni termici , folosind moderatori speciali pentru a crește probabilitatea de absorbție a neutronilor de către nucleele atomilor de combustibil;
l reactoare rapide cu neutroni .
În funcție de tipul de energie furnizată, centralele nucleare sunt împărțite în:
l centrale nucleare (CNE) concepute pentru a genera numai energie electrică;
l centrale nucleare combinate de căldură și energie (CHP), care generează atât energie electrică, cât și energie termică.
În prezent, doar Rusia ia în considerare opțiuni pentru construcția de stații de alimentare cu căldură nucleară.
Centralele nucleare nu folosesc aer pentru a oxida combustibilul și nu emit cenușă, oxizi de sulf, carbon etc. în atmosferă, are un fond radioactiv mai mic decât la centralele termice, dar, ca și centralele termice, consumă o cantitate imensă de apă pentru a răci condensatoarele.
Combustibil pentru centrale nucleare
Principala diferență dintre centralele nucleare și centralele termice este folosind combustibil nuclear în locul combustibilului fosili. Combustibilul nuclear este obținut din uraniu natural, care este extras fie în mine (Niger, Franța, Africa de Sud), fie în cariere (Australia, Namibia), fie prin leșiere subterană (Canada, Rusia, SUA). Uraniul este larg răspândit în natură, dar nu există zăcăminte bogate de minereu de uraniu. Uraniul se găsește în diferite roci și în apă dispersată. Uraniul natural este un amestec dintr-un izotop de uraniu în mare parte nefisil 238 U(mai mult de 99%) și izotop fisionabil 235 U (aproximativ 0,71%), care este combustibil nuclear (1 kg 235U eliberează energie egală cu căldura de ardere a aproximativ 3000 de tone de cărbune).
Pentru exploatarea reactoarelor centralelor nucleare este necesar îmbogățirea uraniului. Pentru a face acest lucru, uraniul natural este trimis la o instalație de îmbogățire, după procesare, unde 90% din uraniul sărăcit natural este trimis pentru depozitare, iar 10% este îmbogățit la 3,3 - 4,4%.
Din uraniu îmbogățit (mai precis dioxid de uraniu UO 2 sau oxid de uraniu-azot U2O2) sunt realizate elemente de combustibil - tije de combustibil- tablete cilindrice cu diametrul de 9 mm si inaltimea de 15-30 mm. Aceste tablete sunt plasate în recipiente sigilate zirconiu(absorbția neutronilor de către zirconiu este de 32,5 ori mai mică decât de către oțel) tuburi cu pereți subțiri de aproximativ 4 m lungime, barele de combustibil sunt asamblate în ansambluri de combustibil (FA) de câteva sute de bucăți.
Toate procesele ulterioare de fisiune nucleară 235U cu formarea de fragmente de fisiune, gaze radioactive etc. se întâmplă în interiorul tuburilor de bare de combustibil sigilate.
După despicarea treptată 235Uși reducerea concentrației sale la 1,26%, când puterea reactorului scade semnificativ, ansamblurile combustibile sunt scoase din reactor, sunt depozitate într-un bazin de răcire pentru o perioadă de timp, apoi trimise la o fabrică radiochimică pentru procesare.
Astfel, spre deosebire de centralele termice, unde au tendința de a arde combustibilul complet, La centralele nucleare este imposibil să împărțiți combustibilul nuclear 100%. Prin urmare, la centralele nucleare este imposibil să se calculeze eficiența pe baza consumului specific de combustibil echivalent. Eficiența netă este utilizată pentru a evalua eficiența de funcționare a unei centrale nucleare
,
unde este energia generată, este căldura eliberată în reactor în același timp și în același timp.
Eficiența unei centrale nucleare calculată în acest fel este de 30 - 32%, dar nu este în întregime rezonabil să o comparăm cu eficiența unei centrale termice, care este de 37 - 40%.
Pe lângă izotopul de uraniu 235, următoarele sunt folosite și ca combustibil nuclear:
- izotopul de uraniu 233 ( 233U) ;
- izotop de plutoniu 239 ( 239 Pu);
- izotopul de toriu 232 ( 232 mi) (prin conversia în 233U).
