Тепловые конденсационные электрические станции

Тепловые конденсационные электрические станции (КЭС) вырабатывают около 50% всей электроэнергии в РФ. По виду используемого топлива различают угольные, мазутные, газовые и газомазутные КЭС. В соответствии с начальными параметрами пара различают КЭС с докритическим (около 13 МПа) и сверхкритическим (около 24 МПа) давлением пара. Для турбоагрегатов мощностью до 200 МВт применяют докритическое давление пара, а при мощности более 250 МВт – сверхкритическое.

Особенности КЭС:

1) строятся по возможности ближе к месторождениям топлива;

2) большую часть выработанной электроэнергии отдают в сети повышенных напряжений (110-750 кВ);

3) работают по свободному графику выработки электроэнергии;

4) низкоманевренны: разворот турбин и набор нагрузки из "холодного" состояния требует 3÷10 ч;

5) имеют относительно низкий КПД (h=25÷40%).

На рис. 3.21 приведена структурная схема угольной КЭС.

Рис. 3.21. Структурная схема КЭС:

ПН – питательный насос; Д – дымосос; ДВ – дутьевой вентилятор; Г – генератор;

СН – собственные нужды; ЦН –циркуляционный насос; КН – конденсатный насос,

Др – деаэратор; ХОВ – химически очищенная вода

В котел подается топливо (угольная пыль), подогретые воздух и питательная вода. Образующиеся при сгорании топлива дымовые газы отсасываются из котла дымососом и выбрасываются через дымовую трубу (высотой 100÷250 м) в атмосферу. Пар из котла при давлении до 30 МПа и температуре до 650°С (острый пар) подается в паровую турбину, где, проходя через ряд ступеней, совершает механическую работу – вращает турбину и жестко связанный с ней ротор генератора.

Отработанный пар поступает в конденсатор, где конденсируется. Источниками холодной (15÷25^oC) воды могут быть: река, озеро, искусственное водохранилище, специальные установки с охлаждающими башнями (градирни), откуда охлаждающая вода подается в конденсатор циркуляционными насосами.

Воздух, попадающий в конденсатор, удаляется с помощью эжектора. Конденсатным насосом конденсат подается в деаэратор, предназначенный для удаления из питательной воды кислорода, вызывающего коррозию труб котла. В деаэратор также поступает химически очищенная вода. После деаэратора питательная вода подается в котел.

На рис. 3.22 приведен тепловой баланс КЭС.

Мощность КЭС достигает 4 ГВт. На них устанавливаются энергоблоки мощностью 200, 300, 500, 800 и 1200 МВт.

К основному оборудованию КЭС относят паровые котлы, турбины, конденсаторы, теплообменники, электрические генераторы. Вспомогательное оборудование включает систему технического водоснабжения, насосы, тягодутьевые установки, механизированные склады твердого топлива, системы пылеприготовления, золоулавливания и золоудаления и др.

Рис. 3.22. Тепловой баланс КЭС:

ТСТ - тепло, полученное при сжигании топлива; ПКт - потери тепла в котельном агрегате; ПТр - потери тепла в трубопроводах; ПТ - поте­ри тепла в турбогенераторах;

ПК - потери тепла в конденсаторе; ТПЭ - тепло, превращенное в электроэнергию

Паровые турбины. Действие паровой турбины основано на непрерывном процессе преоб­разования в механическую работу энергии подводимого рабочего тела (пара). Полученный в парогенераторе перегретый пар (t = 540 °С, Р =24 МПа) по паропроводам через сопла 1 поступает в турбину (рис.3.23) – тепловой двигатель с вращательным движением ротора, снабженного рабочими диска­ми 3 с лопатками 2. Общий вид лопаток паровой турбины по­казан на рис. 3.24. Между рабочими диска­ми расположены неподвижные диски с каналами (соплами). В соплах внут­ренняя энергия пара преобра­зуется в кинетическую энер­гию упорядоченного движения молекул (рис. 3.25). После выхода пара из сопла в результате расширения происходит увеличение его скоро­сти от величины v ₀ до v ₁ и снижение давления от Р _о до Р ₁. Тем­пература пара также снижается. Движущиеся частицы пара, попадая на лопатки рабочих дисков ротора, оказывают на них давление и вращают ротор.

Совокупность соплового и рабочего дис­ков называют ступенью давления турбины. Пройдя все ступени (20...30 шт.) и отдав им свою энергию, пар (Р = 0,04 МПа, t = 35 °C) попадает в конденсатор. Регулиро­вание количества пара, проходящего через турбину, осуществляется путем изменения степени открытия регу­лирующих клапанов на входе в турбину.

По способу действия различают активные, реактивные и комбинированные тур­бины. В активной турбине рас­ширение пара между рабочими лопатками не происходит и его давление не изменяется (рис. 3.26). Скорость движения потока уменьшается вследствие враще­ния турбины со скоростью v.

Движущее усилие в активной турбине воз­никает вследствие по­ворота струи пара, при котором появля­ются центробежные силы f (рис. 3.27). При этом составляющие сил f ₁ взаимно унич­тожаются, а состав­ляющие f ₂ – суммируются и совершают работу по перемещению лопатки и всего ротора турбины.

Рис.3.26. Работа активной турбины	Рис. 3.27. Действие струи пара на лопатку активной турбины

Один из способов уменьшения числа оборотов вала состоит в применении многоступенчатых турбин [2] и реактивного принципа работы пара на лопатках турбины (рис. 3.28).

В реактивной турбине каналы между лопатками имеют се­чения, подобные соплам. В результате расширения пара появляется реактивная сила f_{р еакт} (рис.3.29). Движущая ло­пасти сила f складывается из активной f _акт и реактивной f _реакт сил. За счет разности давлений по сторонам лопат­ки создается аксиальная сила f _aкс, которая в сумме с f дает резуль­тирующее усилие f _Σ. Осевое усилие f _aкс уничтожается специальным раз­грузочным поршнем.

Рис.3.28. Работа реактивной турбины	Рис. 3.29. Работа струи пара в реактивной турбине

Конденсаторы. Пар, выходящий из турбины, направ­ляется для охлаждения и конденсации в специальное устройство – конденсатор. Конденсатор пред­ставляет собой цилиндрический корпус, внутри которого имеется большое число латунных трубок. По трубкам протекает охлаждающая вода, поступающая в конден­сатор обычно при температуре 10 ÷ 15°С и выходящая из него при температуре 20÷25°С. Пар обтекает трубки сверху вниз, конденсируется и удаляется. Давле­ние в конденсаторе поддерживается в пределах 3÷4 кПа, что достигается охлаждением пара.

Основными потребителями воды на КЭС являются конденсаторы, газоохладители генераторов, маслоохладители. Применяется прямоточная, оборотная и смешанная система водоснабжения. Наиболее простой является прямоточная система водоснабжения. Она предполагает наличие естественного источника воды (реки, озера, моря). При отсутствии источника воды один и тот же запас воды используется многократно. Такую систему водоснабжения называют оборотной. В нее входят охладитель воды, подводящие и сбросные водопроводы, циркуляционные насосы. В системе оборот­ного водоснабжения с градирней (рис. 3.30) охлажденная вода бассейна, расположенного в основании градирни, поступает к циркуляционным насосам, которыми она прокачивается через конденсаторы и возв­ращается в оросительное устройство.

Рис. 3.30. Система оборотного водоснабжения КЭС с градирней:

ВХВ – вход холодного воздуха

Паровые котлы требуют большого количества воздуха для сжигания топлива, при котором образуется еще больше продуктов сгорания. Совокупность газовоздухопроводов и теплообменных поверхностей нагрева, тягодутьевых машин и золоуловителей, дымовой трубы и внешних газоходов составляет газовоздушный тракт КЭС (рис. 3.31).

Рис. 3.31. Газовоздушный тракт КЭС

Воздух к котлу подается дутьевым вентилятором, создающим необходимый напор для преодоления максимального сопротивления воздушного трак­та. После воздухоподогревателя поток воздуха разделяется на две части: первичный, поступающий в систему пылеприготовления в ка­честве сушильного агента и через дроссель 1 для транспортировки топлива в топку, и вторичный, направляемый через дроссель 2 непос­редственно к устройствам для сжигания топлива (рис. 3.31).

Продукты сгорания топлива охлаждаются в воздухоподогревателе, очищаются от золы в золоуловителях, и дымососом выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу.

Экономичность работы КЭС принято оценивать расходами теплоты и топлива на выработку энергии и КПД. Различают КПД брутто h^б_с, не учитывающий расход энергии на собственные нужды, и КПД нетто h^н_с – с учетом расхода энергии на собственные нужды. КПД брутто:

, (3.45)

где Q _С – теплота, подведенная с топливом, кДж/кг; B – расход топлива, кг;

Q ^р_н – низшая удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг.

Если известны КПД котла h_к и турбоустановки h_ту , то КПД КЭС:

,

где h_тр – КПД теплового потока, учитывающего потери теплоты при движении пара от котла к турбине (h_тр = 0,98–0,99).

КПД нетто:

,

где W _э^отп – электроэнергия, отпущенная потребителю; Э_сн – доля расхода энергии на собственные нужды (от 4 до 6%).

Показателем тепловой экономичности КЭС также служит удельный расход теплоты:

, если h_бс = 0,32÷0,37, то q _c = 2,7÷3,1.

Из (3.45) можно найти удельный расход топлива на выработку 1 кДж или 1 кВт·ч энергии (в кг/кДж или кг/(кВт·ч)):

или . (3.46)

В РФ принято оценивать тепловую экономичность КЭС расходом условного топлива. Тогда из (3.47) расход условного топлива в _y (кг/МДж или кг/кВт·ч):

или .

На лучших КЭС величина b _y составляет 310÷320 г/(кВт·ч).