Тепловые электрические станции

4.1. Технологическая схема преобразования энергии на ТЭС

Как известно, сегодня основным производителем электрической энергии являются тепловые электрические станции, на которых в России вырабатывается более 60 % электроэнергии. При этом на ТЭС используется органическое топлива: природный и попутный газ, каменный и бурый уголь, мазут и продукты нефтепереработки и другие виды топлива. На паротурбинных электростанциях роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми турбинами, в которых тепловая энергия пара преобразуется в кинетическую, передаваемую ротору турбины. Таким образом, водяной пар является рабочим телом паротурбинной электростанции. Пар необходимых параметров вырабатывается в котле за счёт теплоты, выделяющейся при сгорании органического топлива.

Необходимо подчеркнуть, что если механическая, электрическая, химическая и другие виды энергии могут полностью превращаться в теплоту, то теплота не может быть полностью превращена в механическую и другие виды энергии, часть её неизбежно должна быть передана холодному источнику.

Преобразование теплоты в механическую работу возможно лишь при наличии разности температур между источником теплоты (горячим источником) и окружающей средой (холодным источником). Рабочее тело (газ или пар) должно совершить между этими источниками круговой процесс (термодинамический цикл), в результате которого оно вновь вернётся в первоначальное состояние.

Такой цикл предложен в середине прошлого века шотландским инженером-физиком У. Ренкиным и называется его именем. Цикл Ренкина в р и v координатах изображён на рисунке 4.1. Здесь р –давление, а v–объем.

Рисунок 4.1. Цикл Ренкина на перегретом паре

На тепловых электростанциях для повышения термического КПД цикла Ренкина применяют перегрев пара в специальном элементе котла – пароперегревателе до температуры, превышающей температуру насыщения при данном давлении. Схема установки, в которой реализован этот цикл, показана на рисунке 4.2.

Отработавший пар в конденсаторе полностью конденсируется по изобаре до точки A. Затем вода сжимается адиабатно насосом от давления p₂ до p₁ и поступает в котёл (точка В), где к ней в изобарном процессе подводится теплота Q₁ и вода нагревается до кипения, а затем происходит процесс парообразования и перегрева (точка С). Острый пар поступает далее в турбину, где расширяясь производит полезную работу (точка D).

Рисунок 4.2. Схема тепловой установки:

1–котел, 2–пароперегреватель, 3–паровая турбина, 4– синхронный генератор,

5– конденсатор, 6–питательный насос.

Конденсация пара происходит путем отвода тепла Q₂ с циркуляционной водой, в большом количестве пропускаемой через конденсатор. Разность теплоты, полученной от горячего источника Q₁, и переданной холодному источнику Q₂ определяет полезную работу цикла. Отношение количества теплоты, превращенной в работу, к подведенной теплоте называют термическим КПД цикла η_т

.

Преобразование теплоты в работу неразрывно связано с процессами теплообмена. Теплообмен осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах или между ними. Конвекция происходит в жидкостях и газах. Она состоит в том, что перенос теплоты осуществляется при перемещении объёмов жидкости и газа в пространстве из одной температурной области в другую и сопровождается переносом самой среды.

Тепловое излучение – это процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн. По природе это явление отлично от теплопроводности и конвекции и связано с двойным превращением энергии – тепловой энергии в лучистую и обратно.

В природе и технике перечисленные выше элементарные процессы теплообмена не обособлены, в чистом виде встречаются редко и обычно происходят совместно.