Пароэлектростанция — это электростанция , в которой электрогенератор приводится в действие паром : вода нагревается, испаряется и вращает паровую турбину , которая приводит в действие электрогенератор. После прохождения турбины пар конденсируется в конденсаторе . Наибольшее разнообразие конструкций пароэлектростанций обусловлено различными источниками топлива.
Почти все угольные , атомные , геотермальные , солнечные тепловые электростанции, мусоросжигательные заводы , а также многие газовые электростанции являются пароэлектрическими. Природный газ часто сжигается в газовых турбинах, а также в котлах . Отходящее тепло газовой турбины может использоваться для повышения пара в парогазовой установке, что повышает общую эффективность.
Во всем мире большая часть электроэнергии вырабатывается пароэлектрическими электростанциями. [1] Единственными широко используемыми альтернативами являются фотоэлектричество , прямое механическое преобразование энергии, как в гидроэлектростанциях и ветряных турбинах, а также некоторые более экзотические приложения, такие как приливная энергия или энергия волн, и, наконец, некоторые формы геотермальных электростанций. [2] Нишевые приложения для таких методов, как бета-вольтаика или химическое преобразование энергии (включая электрохимию ), актуальны только для аккумуляторов и атомных батарей . Топливные элементы являются предлагаемой альтернативой для будущей водородной экономики .
Поршневые паровые двигатели использовались в качестве источников механической энергии с XVIII века, и заметные усовершенствования были сделаны Джеймсом Уаттом . Самые первые коммерческие центральные электростанции в Нью-Йорке и Лондоне в 1882 году также использовали поршневые паровые двигатели. По мере увеличения размеров генераторов турбины в конечном итоге взяли верх из-за более высокой эффективности и более низкой стоимости строительства. К 1920-м годам любая центральная станция мощностью более нескольких тысяч киловатт использовала турбинный первичный двигатель.
Эффективность обычной пароэлектрической электростанции, определяемая как энергия, вырабатываемая установкой, деленная на теплотворную способность потребляемого ею топлива, обычно составляет от 33 до 48%, что ограничено законами термодинамики всех тепловых двигателей ( см. цикл Карно ). Остальная энергия должна покидать установку в виде тепла. Это отработанное тепло может быть удалено охлаждающей водой или в градирнях ( когенерация использует отработанное тепло для централизованного теплоснабжения ). Важный класс паровых электростанций связан с опреснительными установками, которые обычно находятся в пустынных странах с большими запасами природного газа . На этих установках пресная вода и электричество являются одинаково важными продуктами.
Поскольку эффективность установки принципиально ограничена соотношением абсолютных температур пара на входе и выходе турбины, для повышения эффективности требуется использование пара более высокой температуры и, следовательно, более высокого давления. Исторически другие рабочие жидкости, такие как ртуть, экспериментально использовались в электростанции с турбиной на ртутном паре , поскольку они могут достигать более высоких температур, чем вода, при более низком рабочем давлении. Однако плохие свойства теплопередачи и очевидная опасность токсичности исключили ртуть в качестве рабочей жидкости.
Другой вариант — использование сверхкритической жидкости в качестве рабочей жидкости. Сверхкритические жидкости ведут себя подобно газам в некоторых отношениях и подобно жидкостям в других. Сверхкритическая вода или сверхкритический диоксид углерода могут быть нагреты до гораздо более высоких температур, чем достигаются в обычных паровых циклах, что позволяет достичь более высокой тепловой эффективности . Однако эти вещества необходимо поддерживать при высоких давлениях (выше критического давления ) для поддержания сверхкритичности, и существуют проблемы с коррозией. [3] [4]
Пароэлектрические электростанции используют поверхностный конденсатор, охлаждаемый водой, циркулирующей по трубкам. Пар, который использовался для вращения турбины, выпускается в конденсатор и конденсируется, когда он вступает в контакт с трубками, заполненными холодной циркулирующей водой. Конденсированный пар, обычно называемый конденсатом , отводится из нижней части конденсатора. На соседнем изображении представлена схема типичного поверхностного конденсатора. [5] [6] [7] [8]
Для лучшей эффективности температура в конденсаторе должна поддерживаться настолько низкой, насколько это возможно, чтобы достичь минимально возможного давления в конденсирующемся паре. Поскольку температура конденсатора почти всегда может поддерживаться значительно ниже 100 °C, где давление паров воды намного меньше атмосферного давления, конденсатор обычно работает под вакуумом . Таким образом, необходимо предотвратить утечки неконденсирующегося воздуха в замкнутый контур. Установки, работающие в жарком климате, могут быть вынуждены снизить производительность, если их источник охлаждающей воды конденсатора становится теплее; к сожалению, это обычно совпадает с периодами высокого спроса на электроэнергию для кондиционирования воздуха . Если хороший источник охлаждающей воды недоступен, можно использовать градирни для сброса отработанного тепла в атмосферу. Большую реку или озеро также можно использовать в качестве теплоотвода для охлаждения конденсаторов; повышение температуры в естественных водах может иметь нежелательные экологические последствия, но также может попутно улучшить улов рыбы в некоторых обстоятельствах. [ необходима цитата ]
В случае обычной пароэлектрической электростанции с использованием барабанного котла поверхностный конденсатор удаляет скрытую теплоту испарения из пара, когда он меняет состояние с пара на жидкость. Затем конденсатный насос перекачивает конденсатную воду через подогреватель питательной воды , который повышает температуру воды за счет использования отборного пара из различных ступеней турбины. [5] [6]
Предварительный нагрев питательной воды снижает необратимости, связанные с выработкой пара, и, следовательно, повышает термодинамическую эффективность системы. [9] Это снижает эксплуатационные расходы установки, а также помогает избежать теплового удара по металлу котла, когда питательная вода снова вводится в паровой цикл.
Как только эта вода попадает в котел или парогенератор , начинается процесс добавления скрытой теплоты парообразования . Котел передает энергию воде посредством химической реакции сжигания некоторого вида топлива. Вода поступает в котел через секцию в конвекционном проходе, называемую экономайзером . Из экономайзера она проходит в паровой барабан, откуда спускается по опускным трубам в нижние коллекторы входных водяных стенок. Из входных коллекторов вода поднимается через водяные экраны. Часть ее превращается в пар из-за тепла, вырабатываемого горелками, расположенными на передних и задних водяных экранах (обычно). Из водяных экранов смесь воды и пара поступает в паровой барабан и проходит через ряд сепараторов пара и воды, а затем через сушилки внутри парового барабана . Сепараторы пара и сушилки удаляют капли воды из пара; жидкая вода, переносимая в турбину, может вызвать разрушительную эрозию лопаток турбины. и цикл через водяные экраны повторяется. Этот процесс известен как естественная циркуляция .
Геотермальным станциям не нужен котел, поскольку они используют естественные источники пара. Теплообменники могут использоваться там, где геотермальный пар очень едкий или содержит избыточное количество взвешенных твердых частиц. Атомные станции также кипятят воду для получения пара, либо напрямую пропуская рабочий пар через реактор, либо используя промежуточный теплообменник.
После того, как пар кондиционируется сушильным оборудованием внутри барабана, он подается по трубам из верхней части барабана в сложную систему труб в различных зонах котла, которые называются пароперегревателем и промежуточным пароперегревателем. Пары пара набирают энергию и перегреваются выше температуры насыщения. Затем перегретый пар подается по трубам через главные паропроводы к клапанам турбины высокого давления.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )