Тепловая электростанция — это тип электростанции , в которой тепловая энергия преобразуется в электрическую энергию . В парогенерирующем цикле тепло используется для кипячения воды в большом сосуде под давлением для производства пара высокого давления , который приводит в движение паровую турбину , соединенную с электрическим генератором . Выхлопные газы низкого давления из турбины поступают в конденсатор пара , где они охлаждаются с образованием горячего конденсата , который рециркулируется в процесс нагрева для получения большего количества пара высокого давления. Это известно как цикл Ренкина .
Конструкция тепловых электростанций зависит от предполагаемого источника энергии: используются ископаемое топливо , атомная и геотермальная энергия , солнечная энергия , биотопливо и сжигание отходов . Некоторые тепловые электростанции также предназначены для производства тепла для промышленных целей; для централизованного теплоснабжения ; или опреснение воды, помимо выработки электроэнергии.
Такое топливо, как природный газ или нефть, также можно сжигать непосредственно в газовых турбинах ( внутреннее сгорание ). Эти установки могут быть открытого цикла или более эффективного типа с комбинированным циклом .
Почти все угольные электростанции , нефтяные, атомные , геотермальные , солнечные теплоэлектростанции и мусоросжигательные заводы , а также все электростанции, работающие на природном газе, являются тепловыми. Природный газ часто сжигается в газовых турбинах , а также в котлах . Отходящее тепло газовой турбины в виде горячего выхлопного газа можно использовать для поднятия пара путем пропускания этого газа через парогенератор-утилизатор (HRSG). Затем пар используется для привода паровой турбины в электростанции с комбинированным циклом , что повышает общий КПД. Электростанции, сжигающие уголь, мазут или природный газ, часто называют электростанциями, работающими на ископаемом топливе . Появились также некоторые тепловые электростанции, работающие на биомассе . Неатомные тепловые электростанции, особенно электростанции, работающие на ископаемом топливе, которые не используют когенерацию, иногда называют традиционными электростанциями .
Коммерческие электростанции обычно строятся в больших масштабах и рассчитаны на непрерывную работу. Практически все электростанции используют трехфазные электрические генераторы для производства электроэнергии переменного тока (AC) частотой 50 или 60 Гц . Крупные компании или учреждения могут иметь собственные электростанции для обеспечения теплом или электричеством своих объектов, особенно если пар все равно создается для других целей. Паровые электростанции использовались для привода большинства кораблей на протяжении большей части 20 - го века . Судовые электростанции обычно напрямую соединяют турбину с гребными винтами корабля через редукторы. Электростанции на таких кораблях также обеспечивают паром небольшие турбины, приводящие в движение электрогенераторы для выработки электроэнергии. Атомные морские силовые установки , за редким исключением, используются только на кораблях ВМФ. Было много турбоэлектрических кораблей, на которых паровая турбина приводит в движение электрический генератор, который приводит в движение электродвигатель .
Когенерационные установки, часто называемые установками комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ), производят как электроэнергию, так и тепло для технологического тепла или отопления помещений, например, пар и горячую воду.
Возвратно -поступательный паровой двигатель использовался для производства механической энергии с 18 века, при этом заметные усовершенствования были сделаны Джеймсом Уаттом . Когда в 1882 году на станции Перл-Стрит в Нью-Йорке и на электростанции Холборн-Виадук в Лондоне были созданы первые коммерчески развитые центральные электростанции , использовались поршневые паровые двигатели. Разработка паровой турбины в 1884 году позволила создать более крупные и эффективные конструкции машин для центральных электростанций. К 1892 году турбина считалась лучшей альтернативой поршневым двигателям; [1] турбины предлагали более высокие скорости, более компактное оборудование и стабильное регулирование скорости, позволяющее параллельно синхронно работать генераторам на общей шине. Примерно после 1905 года турбины полностью заменили поршневые двигатели почти на всех крупных центральных электростанциях.
Крупнейшие из когда-либо построенных поршневых двигателей-генераторов были построены в 1901 году для Манхэттенской надземной железной дороги . Каждый из семнадцати агрегатов весил около 500 тонн и имел мощность 6000 киловатт; современная турбинная установка аналогичной мощности весила бы примерно на 20% больше. [2]
Энергоэффективность традиционной тепловой электростанции определяется как произведенная товарная энергия в процентах от теплотворной способности потребляемого топлива. Газовая турбина простого цикла обеспечивает эффективность преобразования энергии от 20 до 35%. [3] Типичные угольные электростанции, работающие при давлении пара 170 бар и температуре 570 °C, работают с КПД от 35 до 38%, [4] с современными электростанциями, работающими на ископаемом топливе, с КПД 46%. [5] Системы с комбинированным циклом могут достигать более высоких значений. Как и у всех тепловых двигателей, их эффективность ограничена и регулируется законами термодинамики .
Эффективность Карно означает, что более высокая эффективность может быть достигнута за счет увеличения температуры пара. Электростанции, работающие на ископаемом топливе подкритическим давлением, могут достичь эффективности 36–40%. Сверхкритические конструкции имеют эффективность в диапазоне от низких до средних 40%, а новые «сверхкритические» конструкции, использующие давление выше 4400 фунтов на квадратный дюйм (30,3 МПа) и многоступенчатый повторный нагрев, достигают эффективности 45–48%. [4] Выше критической точки для воды 705 °F (374 °C) и 3212 фунтов на квадратный дюйм (22,06 МПа) фазовый переход от воды к пару отсутствует , а происходит только постепенное снижение плотности .
В настоящее время большинство атомных электростанций должны работать при температурах и давлениях ниже, чем у угольных электростанций, чтобы обеспечить более консервативный запас прочности в системах, отводящих тепло от ядерного топлива. Это, в свою очередь, ограничивает их термодинамическую эффективность 30–32%. Некоторые изучаемые конструкции усовершенствованных реакторов, такие как сверхвысокотемпературный реактор , усовершенствованный реактор с газовым охлаждением и сверхкритический водяной реактор , будут работать при температурах и давлениях, аналогичных нынешним угольным электростанциям, обеспечивая сопоставимую термодинамическую эффективность.
Энергия ТЭЦ, не используемая в производстве электроэнергии, должна покидать станцию в виде тепла в окружающую среду. Это отходящее тепло может проходить через конденсатор и утилизироваться с охлаждающей водой или в градирнях . Если вместо этого отходящее тепло используется для централизованного теплоснабжения , это называется когенерацией . Важным классом тепловых электростанций являются опреснительные установки; они обычно встречаются в пустынных странах с большими запасами природного газа , и на этих заводах производство пресной воды и электроэнергия являются одинаково важными побочными продуктами.
Другие типы электростанций имеют другие ограничения по эффективности. Большинство гидроэлектростанций в США имеют КПД преобразования энергии падающей воды в электричество примерно на 90 процентов [6], в то время как КПД ветряной турбины ограничен законом Бетца примерно до 59,3 %, а реальные ветряные турбины показывают меньший КПД.
Прямая стоимость электроэнергии, производимой тепловой электростанцией, является результатом стоимости топлива, капитальных затрат на установку, труда оператора, технического обслуживания и таких факторов, как обработка и утилизация золы. Косвенные социальные или экологические издержки, такие как экономическая ценность воздействия на окружающую среду или воздействие на окружающую среду и здоровье полного топливного цикла и вывода электростанций из эксплуатации, обычно не относят к затратам на выработку электроэнергии на тепловых станциях в коммунальной практике, но могут составлять часть экологических издержек. Оценка воздействия на. Эти косвенные затраты относятся к более широкой концепции внешних эффектов .
В области атомных электростанций парогенератор относится к конкретному типу большого теплообменника, используемому в реакторе с водой под давлением (PWR) для термического соединения первичной (реакторная установка) и вторичной (паровая установка) систем, которые генерируют пар. В реакторе с кипящей водой (BWR) отдельный парогенератор не используется, и вода кипит в активной зоне реактора.
В некоторых промышленных условиях также могут использоваться теплообменники для производства пара, называемые парогенераторами-утилизаторами (HRSG), которые используют тепло некоторых промышленных процессов, чаще всего с использованием горячих выхлопов газовой турбины. Парогенерирующий котел должен производить пар высокой чистоты, давления и температуры, необходимых для паровой турбины, приводящей в движение электрический генератор.
Геотермальным электростанциям не нужны котлы, поскольку они используют естественные источники пара. Теплообменники могут использоваться там, где геотермальный пар очень агрессивен или содержит чрезмерное количество взвешенных твердых частиц.
Парогенератор на ископаемом топливе включает в себя экономайзер , паровой барабан и печь с парогенерирующими трубками и змеевиками пароперегревателя. Необходимые предохранительные клапаны расположены в подходящих точках для защиты от избыточного давления в котле. Оборудование путей подачи воздуха и дымовых газов включает в себя: вентилятор с принудительной тягой (FD) , воздухоподогреватель (AP), топку котла, вентилятор с принудительной тягой (ID), коллекторы летучей золы ( электрофильтр или рукавный фильтр ) и дымовую трубу . [7] [8] [9]
Питательная вода, используемая в паровом котле, является средством передачи тепловой энергии горящего топлива в механическую энергию вращающейся паровой турбины . Общая питательная вода состоит из оборотной конденсатной воды и очищенной подпиточной воды . Поскольку металлические материалы, с которыми она контактирует, подвержены коррозии при высоких температурах и давлениях, подпиточная вода перед использованием подвергается высокой очистке. Система умягчения воды и ионообменной деминерализации производит воду настолько чистую, что она по совпадению становится электрическим изолятором с проводимостью в диапазоне 0,3–1,0 микросименса на сантиметр. Подпиточная вода на электростанции мощностью 500 МВт составляет примерно 120 галлонов США в минуту (7,6 л/с) для замены воды, отбираемой из барабанов котла для управления чистотой воды, а также для компенсации небольших потерь из-за утечек пара в системе.
Цикл питательной воды начинается с откачки конденсатной воды из конденсатора после прохождения через паровые турбины. Скорость потока конденсата при полной нагрузке на электростанции мощностью 500 МВт составляет около 6000 галлонов США в минуту (400 л/с).
Вода обычно находится под давлением в два этапа и обычно проходит через ряд из шести или семи нагревателей промежуточной питательной воды, нагреваясь в каждой точке паром, отбираемым из соответствующего отборочного соединения на турбинах, и нагреваясь до температуры на каждой стадии. Обычно в середине этой серии подогревателей питательной воды и перед второй ступенью наддува конденсат плюс подпиточная вода проходит через деаэратор [ 10] [11] , который удаляет из воды растворенный воздух, дополнительно очищая и снижая ее коррозионную активность. . После этого в воду можно добавить гидразин — химическое вещество, которое удаляет оставшийся кислород в воде до уровня ниже 5 частей на миллиард (частей на миллиард). [ неопределенно ] В него также добавляют агенты контроля pH , такие как аммиак или морфолин, чтобы поддерживать низкую остаточную кислотность и, следовательно, не вызывать коррозии.
Котел представляет собой прямоугольную печь со стороной около 50 футов (15 м) и высотой 130 футов (40 м). Его стены состоят из сети стальных труб высокого давления диаметром около 2,3 дюйма (58 мм). [ нужна цитата ]
Топливо, такое как пылевидный уголь, вдувается в печь воздухом через горелки, расположенные по четырем углам, вдоль одной стены или двух противоположных стен, и воспламеняется, чтобы быстро сгореть, образуя большой огненный шар в центре. Тепловое излучение огненного шара нагревает воду, циркулирующую по трубам котла вблизи периметра котла. Скорость циркуляции воды в котле в три-четыре раза превышает пропускную способность. Когда вода в котле циркулирует, она поглощает тепло и превращается в пар. Он отделяется от воды внутри барабана наверху печи. Насыщенный пар вводится в подвесные трубы перегрева, которые висят в самой горячей части дымовых газов при выходе из печи. Здесь пар перегревается до 1000 °F (540 °C), чтобы подготовить его для подачи в турбину.
На электростанциях, которые используют газовые турбины для нагрева воды для преобразования в пар, используются котлы, известные как парогенераторы-утилизаторы (HRSG). Тепло выхлопных газов газовых турбин используется для производства перегретого пара, который затем используется в обычном пароводяном цикле производства пара, как описано в разделе , посвященном газотурбинным установкам с комбинированным циклом .
Вода поступает в котел через секцию конвекционного канала, называемую экономайзером . Из экономайзера он поступает в паровой барабан , а оттуда через сливные трубы во впускные коллекторы в нижней части водяных стенок. Из этих коллекторов вода поднимается через водяные стенки печи, где часть ее превращается в пар, а затем смесь воды и пара снова поступает в паровой барабан. Этот процесс может осуществляться исключительно за счет естественной циркуляции (поскольку вода в сливных трубах более плотная, чем смесь воды и пара в водяных стенках) или с помощью насосов. В паровом барабане вода возвращается в сливные трубы, а пар проходит через ряд пароотделителей и сушилок, которые удаляют капли воды из пара. Затем сухой пар поступает в змеевики перегревателя.
Вспомогательное оборудование топки котла включает сопла для подачи угля и запальные пистолеты, сажеобдувочные устройства , продувочные устройства для воды и смотровые окна (в стенках печи) для наблюдения за внутренним пространством печи. Взрывов печи из-за скопления горючих газов после отключения можно избежать, вымывая такие газы из зоны горения перед воспламенением угля.
Паровой барабан (а также змеевики и коллекторы перегревателя ) имеют вентиляционные и дренажные отверстия, необходимые для первоначального запуска.
Электростанции, работающие на ископаемом топливе, часто имеют секцию пароперегревателя в парогенерирующей печи. [ нужна цитата ] Пар проходит через сушильное оборудование внутри парового барабана в пароперегреватель, набор трубок в печи. Здесь пар получает больше энергии от горячих дымовых газов за пределами труб, и его температура теперь превышает температуру насыщения. Затем перегретый пар подается по основным паропроводам к клапанам перед турбиной высокого давления.
На атомных электростанциях таких секций нет, но они производят пар практически в насыщенных условиях. Экспериментальные атомные электростанции были оснащены пароперегревателями, работающими на ископаемом топливе, в попытке снизить общие эксплуатационные расходы станции. [ нужна цитата ]
Конденсатор конденсирует пар из выхлопных газов турбины в жидкость, которую можно перекачивать. Если конденсатор можно сделать более холодным, давление отходящего пара снижается и эффективность цикла увеличивается .
Поверхностный конденсатор представляет собой кожухотрубный теплообменник, в котором по трубкам циркулирует охлаждающая вода. [8] [12] [13] [14] Выхлопной пар из турбины низкого давления поступает в кожух, где охлаждается и преобразуется в конденсат (воду), проходя по трубкам, как показано на схеме рядом. В таких конденсаторах используются паровые эжекторы или вытяжные устройства с приводом от роторного двигателя для непрерывного удаления воздуха и газов со стороны пара для поддержания вакуума .
Для достижения максимальной эффективности температура в конденсаторе должна поддерживаться настолько низкой, насколько это возможно, чтобы достичь минимально возможного давления конденсирующегося пара. Поскольку температуру конденсатора почти всегда можно поддерживать значительно ниже 100 °C, где давление паров воды намного меньше атмосферного давления, конденсатор обычно работает в вакууме . Таким образом, необходимо предотвратить утечку неконденсируемого воздуха в замкнутый контур.
Обычно охлаждающая вода вызывает конденсацию пара при температуре около 25 ° C (77 ° F), что создает абсолютное давление в конденсаторе около 2–7 кПа (0,59–2,07 дюйма рт. ст. ), то есть вакуум около — 95 кПа (-28 дюймов рт.ст.) относительно атмосферного давления. Значительное уменьшение объема, которое происходит, когда водяной пар конденсируется в жидкость, создает вакуум, который обычно увеличивает эффективность турбин.
Ограничивающим фактором является температура охлаждающей воды, которая, в свою очередь, ограничивается преобладающими средними климатическими условиями в месте расположения электростанции (зимой может оказаться возможным понизить температуру за пределы турбины, что приведет к чрезмерному образованию конденсата в турбина). Заводам, работающим в жарком климате, возможно, придется снизить производительность, если источник охлаждающей воды для конденсаторов станет теплее; к сожалению, это обычно совпадает с периодами высокого спроса на электроэнергию для кондиционирования воздуха .
В конденсаторе обычно используется либо циркулирующая охлаждающая вода из градирни для отвода отработанного тепла в атмосферу, либо прямоточная охлаждающая вода (OTC) из реки, озера или океана. В Соединенных Штатах около двух третей электростанций используют безрецептурные системы, которые часто оказывают значительное неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Последствия включают тепловое загрязнение и гибель большого количества рыбы и других водных видов в водозаборах охлаждающей воды . [15] [16]
Тепло, поглощаемое циркулирующей охлаждающей водой в трубках конденсатора, также должно отводиться, чтобы поддерживать способность воды охлаждаться во время ее циркуляции. Это делается путем перекачивания теплой воды из конденсатора через градирни с естественной тягой, принудительной тягой или принудительной тягой ( как показано на соседнем изображении), которые снижают температуру воды за счет испарения примерно на 11–17 °C (20 °С). до 30 °F) — выбрасывая отходящее тепло в атмосферу. Скорость циркуляционного потока охлаждающей воды в агрегате мощностью 500 МВт составляет около 14,2 м 3 /с (500 фут 3 /с или 225 000 галлонов США/мин) при полной нагрузке. [17]
Трубки конденсатора обычно изготавливаются из нержавеющей стали или других сплавов, чтобы противостоять коррозии с обеих сторон. Тем не менее, во время работы они могут загрязниться изнутри бактериями или водорослями в охлаждающей воде или минеральными отложениями, которые препятствуют теплопередаче и снижают термодинамическую эффективность . Многие заводы оснащены автоматической системой очистки, которая циркулирует по трубам с помощью губчатых резиновых шариков для их очистки без необходимости отключения системы. [ нужна цитата ]
Охлаждающая вода, используемая для конденсации пара в конденсаторе, возвращается к источнику без каких-либо изменений, кроме нагревания. Если вода возвращается в местный водоем (а не в циркуляционную градирню), ее часто смягчают прохладной «сырой» водой, чтобы предотвратить тепловой шок при сбросе в этот водоем.
Другой формой конденсационной системы является конденсатор с воздушным охлаждением. Процесс аналогичен процессу работы радиатора и вентилятора. Отработанное тепло из секции низкого давления паровой турбины проходит через конденсационные трубы, которые обычно имеют оребрения, и окружающий воздух проталкивается через ребра с помощью большого вентилятора. Пар конденсируется в воду, которая повторно используется в пароводяном цикле. Конденсаторы с воздушным охлаждением обычно работают при более высокой температуре, чем версии с водяным охлаждением. При экономии воды эффективность цикла снижается (в результате чего на мегаватт-час электроэнергии выделяется больше углекислого газа).
Из нижней части конденсатора мощные конденсатные насосы перерабатывают сконденсированный пар (воду) обратно в пароводяной цикл.
Печи электростанций могут иметь секцию промперегрева, содержащую трубы, нагреваемые горячими дымовыми газами снаружи труб. Выхлопной пар из турбины высокого давления проходит через эти нагретые трубы для сбора большего количества энергии перед приводом турбин промежуточного, а затем и низкого давления.
Внешние вентиляторы обеспечивают подачу достаточного количества воздуха для горения. Вентилятор первичного воздуха забирает воздух из атмосферы и сначала нагревает воздух в воздухоподогревателе для большей экономии. Затем первичный воздух проходит через угольные распылители и переносит угольную пыль к горелкам для впрыска в печь. Вентилятор вторичного воздуха забирает воздух из атмосферы и сначала нагревает воздух в воздухоподогревателе для большей экономии. Вторичный воздух смешивается с потоком угля/первичного воздуха в горелках.
Вытяжной вентилятор помогает вентилятору ФД, вытягивая горючие газы из топки, поддерживая в топке давление немного ниже атмосферного, чтобы избежать утечки продуктов сгорания из корпуса котла.
Паротурбогенератор состоит из ряда паровых турбин , соединенных между собой, и генератора на общем валу.
Обычно на одном конце находится турбина высокого давления, за ней следует турбина среднего давления и, наконец, одна, две или три турбины низкого давления, а также вал, который соединяется с генератором. По мере того, как пар движется через систему и теряет давление и тепловую энергию, он расширяется в объеме, что требует увеличения диаметра и удлинения лопастей на каждом последующем этапе для извлечения оставшейся энергии. Вся вращающаяся масса может составлять более 200 метрических тонн и иметь длину 100 футов (30 м). Он настолько тяжел, что его необходимо продолжать медленно вращать даже в выключенном состоянии (со скоростью 3 об/мин ), чтобы вал не прогнулся даже слегка и не вышел из равновесия. Это настолько важно, что это одна из шести функций аварийных батарей аварийного электроснабжения на объекте. (Остальные пять — это аварийное освещение , связь , сигнализация станции, система водородных уплотнений генератора и смазочное масло турбогенератора.)
На типичной электростанции конца 20-го века перегретый пар из котла подается по трубопроводу диаметром 14–16 дюймов (360–410 мм) при давлении 2400 фунтов на квадратный дюйм (17 МПа; 160 атм) и 1000 ° F (540 ° C). к турбине высокого давления, где давление через ступень падает до 600 фунтов на квадратный дюйм (4,1 МПа; 41 атм) и до 600 ° F (320 ° C). Он выходит через линии холодного повторного нагрева диаметром 24–26 дюймов (610–660 мм) и возвращается обратно в котел, где пар повторно нагревается в специальных подвесных трубках повторного нагрева до 1000 ° F (540 ° C). Горячий пар промперегрева подается в турбину промежуточного давления, где его температура и давление падают , он выходит непосредственно к турбинам низкого давления с длинными лопатками и, наконец, выходит в конденсатор. [ нужна цитата ]
Генератор, обычно длиной около 30 футов (9 м) и диаметром 12 футов (3,7 м), содержит неподвижный статор и вращающийся ротор , каждый из которых содержит мили тяжелого медного проводника. Обычно постоянный магнит отсутствует , что предотвращает черный запуск . В процессе работы он генерирует до 21 000 ампер при 24 000 вольт переменного тока (504 МВт) при вращении со скоростью 3 000 или 3 600 об/мин и синхронизируется с электросетью . Ротор вращается в герметичной камере, охлаждаемой газообразным водородом , выбранным из-за того, что он имеет самый высокий известный коэффициент теплопередачи среди всех газов и из-за его низкой вязкости , что снижает потери на парусность . Эта система требует особого обращения во время запуска: воздух в камере сначала вытесняется углекислым газом, а затем заполняется водородом. Это гарантирует, что не будет создана взрывоопасная водородно- кислородная среда.
Частота электросети составляет 60 Гц в Северной Америке и 50 Гц в Европе , Океании , Азии ( Корея и некоторые районы Японии являются заметными исключениями) и некоторых частях Африки . Желаемая частота влияет на конструкцию больших турбин, поскольку они оптимизированы для одной конкретной скорости.
Электричество поступает на распределительную станцию, где трансформаторы повышают напряжение для передачи к месту назначения.
Генераторы с паровой турбиной имеют вспомогательные системы, обеспечивающие их удовлетворительную и безопасную работу. Паровая турбина-генератор, будучи вращающимся оборудованием, обычно имеет тяжелый вал большого диаметра. Поэтому вал требует не только опор, но и удерживается на месте во время работы. Чтобы свести к минимуму сопротивление трения вращению, вал имеет несколько подшипников . Вкладыши подшипников, в которых вращается вал, покрыты материалом с низким коэффициентом трения, например, баббитовым металлом . Масляная смазка обеспечивает дальнейшее снижение трения между валом и поверхностью подшипника и ограничение выделяемого тепла.
Когда дымовые газы выходят из котла, они направляются через вращающуюся плоскую корзину из металлической сетки, которая собирает тепло и возвращает его поступающему свежему воздуху при вращении корзины. Это называется подогревателем воздуха . Газ, выходящий из котла, насыщен летучей золой , которая представляет собой крошечные сферические частицы золы. Дымовые газы содержат азот , а также продукты сгорания диоксид углерода , диоксид серы и оксиды азота . Летучая зола удаляется с помощью тканевых рукавных фильтров в рукавных камерах или электрофильтрах . После удаления побочный продукт летучей золы иногда можно использовать при производстве бетона . Однако такая очистка дымовых газов происходит только на установках, оснащенных соответствующей технологией. Тем не менее, большинство угольных электростанций в мире не имеют таких мощностей. [ нужна цитата ] Законодательство в Европе эффективно снижает загрязнение дымовыми газами. Япония использует технологию очистки дымовых газов уже более 30 лет, а США делают то же самое уже более 25 лет. В настоящее время Китай начинает бороться с загрязнением окружающей среды, вызванным работой угольных электростанций.
Там, где это требуется по закону, загрязняющие вещества , содержащие оксиды серы и азота, удаляются с помощью скрубберов дымовых газов , в которых для удаления этих загрязняющих веществ из выходного дымового газа используется измельченный известняк или другая щелочная влажная суспензия. В других устройствах используются катализаторы для удаления соединений закиси азота из потока дымовых газов. Температура газа, поднимающегося по дымовой трубе, к этому времени может упасть примерно до 50 °C (120 °F). Типичная дымовая труба может иметь высоту 150–180 метров (490–590 футов) для рассеивания оставшихся компонентов дымовых газов в атмосфере. Самая высокая дымовая труба в мире имеет высоту 419,7 метра (1377 футов) на Экибастузской ГРЭС-2 в Казахстане .
В США и ряде других стран исследования по моделированию атмосферной дисперсии [18] необходимы для определения высоты дымовой трубы, необходимой для соблюдения местных норм по загрязнению воздуха . В Соединенных Штатах также требуется, чтобы высота дымовой трубы соответствовала высоте дымовой трубы, известной как « надлежащая инженерная практика » (GEP). [19] [20] В случае существующих дымовых труб, высота которых превышает высоту дымовой трубы GEP, в любых исследованиях по моделированию рассеивания загрязнения воздуха для таких дымовых труб должна использоваться высота дымовой трубы GEP, а не фактическая высота дымовой трубы.
Поскольку происходит непрерывный отбор пара и непрерывный возврат конденсата в котел, необходимо восполнять потери из-за продувки и утечек для поддержания желаемого уровня воды в паровом барабане котла. Для этого в систему котловой воды постоянно добавляется подпиточная вода. Примеси в сырой воде, поступающей на установку, обычно состоят из солей кальция и магния , которые придают воде жесткость . Жесткость подпиточной воды в котле приведет к образованию отложений на поверхности трубок воды, что приведет к перегреву и выходу труб из строя. Таким образом, соли необходимо удалить из воды, и это осуществляется на установках деминерализации воды (ДМ). Установка ДМ обычно состоит из катионных, анионных и смешанных обменников. Любые ионы в конечной воде, полученной в результате этого процесса, состоят в основном из ионов водорода и ионов гидроксида, которые рекомбинируют с образованием чистой воды. Очень чистая деминерализованная вода становится очень коррозийной, когда поглощает кислород из атмосферы из-за ее очень высокого сродства к кислороду.
Производительность установки ДМ определяется типом и количеством солей в подаваемой сырой воде. Однако некоторое хранилище необходимо, поскольку завод DM может быть остановлен на техническое обслуживание. Для этого устанавливается накопительный бак, из которого непрерывно забирается деминерализованная вода для подпитки котла. Резервуар для хранения деминерализованной воды изготовлен из материалов, не подверженных воздействию агрессивной воды, таких как ПВХ . Трубопроводы и клапаны обычно изготавливаются из нержавеющей стали. Иногда поверх воды в резервуаре устанавливают паровую подушку или поплавок-пончик из нержавеющей стали, чтобы избежать контакта с воздухом. Подпиточная вода DM обычно добавляется в паровое пространство поверхностного конденсатора (т.е. со стороны вакуума). Эта установка не только распыляет воду, но и деаэрирует деаэрированную воду, при этом растворенные газы удаляются деаэратором через эжектор, прикрепленный к конденсатору.
На угольных электростанциях сырьевой уголь из угольного склада сначала измельчается на мелкие куски, а затем подается в бункеры для подачи угля котлов. Затем уголь измельчают в очень мелкий порошок. Измельчителями могут быть шаровые мельницы , вращающиеся барабанные мельницы или измельчители других типов.
Некоторые электростанции сжигают мазут, а не уголь. Масло должно сохраняться теплым (выше точки застывания ) в резервуарах для хранения мазута, чтобы масло не загустело и не стало непригодным для перекачки. Масло обычно нагревается примерно до 100 °C перед прокачкой через форсунки для распыления мазута печи.
Котлы на некоторых электростанциях используют в качестве основного топлива переработанный природный газ . Другие электростанции могут использовать переработанный природный газ в качестве вспомогательного топлива в случае прекращения подачи основного топлива (угля или нефти). В таких случаях на топках котла предусматриваются отдельные газовые горелки.
Запирающее устройство (или «поворотное устройство») — это механизм, предназначенный для вращения вала турбогенератора на очень низкой скорости после остановки агрегата. Как только агрегат «отключен» (т. е. впускной паровой клапан закрыт), турбина останавливается по инерции. Когда он полностью останавливается, вал турбины имеет тенденцию отклоняться или изгибаться, если ему разрешено оставаться в одном положении слишком долго. Это связано с тем, что тепло внутри корпуса турбины имеет тенденцию концентрироваться в верхней половине корпуса, в результате чего верхняя половина вала становится более горячей, чем нижняя половина. Таким образом, вал может деформироваться или согнуться на миллионные доли дюйма.
Этого небольшого отклонения вала, обнаруживаемого только с помощью измерителей эксцентриситета, было бы достаточно, чтобы вызвать разрушительные вибрации для всей паротурбогенераторной установки при ее перезапуске. Поэтому вал автоматически вращается на низкой скорости (около одного процента номинальной скорости) с помощью запирающего механизма до тех пор, пока он не остынет достаточно, чтобы обеспечить полную остановку.
Для подачи масла [ нужны разъяснения ] при пуске паротурбинного генератора используется вспомогательный насос масляной системы . Он снабжает систему гидравлического масла, необходимую для главного входного парового запорного клапана паровой турбины, регулирующих клапанов, систем подшипников и уплотнений, соответствующих гидравлических реле и других механизмов.
При заданной частоте вращения турбины при пусках функции вспомогательной системы берет на себя насос с приводом от главного вала турбины. [ нужна цитата ]
В то время как небольшие генераторы могут охлаждаться воздухом, проходящим через фильтры на входе, более крупные агрегаты обычно требуют специальных устройств охлаждения. Охлаждение газообразного водорода в корпусе с масляным уплотнением используется потому, что он имеет самый высокий известный коэффициент теплопередачи среди всех газов и из-за его низкой вязкости , что снижает потери на герметичность . Эта система требует особого обращения во время запуска: воздух в корпусе генератора сначала вытесняется углекислым газом, а затем заполняется водородом. Это гарантирует, что легковоспламеняющийся водород не смешивается с кислородом воздуха.
Давление водорода внутри корпуса поддерживается немного выше атмосферного давления , чтобы избежать проникновения наружного воздуха, и примерно до двух атмосфер для улучшения способности теплопередачи. Водород должен быть герметизирован от утечки наружу в месте выхода вала из корпуса. Механические уплотнения вокруг вала устанавливаются с очень маленьким кольцевым зазором, чтобы избежать трения между валом и уплотнениями на небольших турбинах, а на более крупных машинах - с уплотнениями лабиринтного типа. Уплотнительное масло используется для предотвращения утечки газообразного водорода в атмосферу.
Генератор также использует водяное охлаждение. Поскольку катушки генератора имеют потенциал около 22 кВ , для соединения ватерлинии и высоковольтных обмоток генератора используется изолирующий барьер, такой как тефлон. Используется деминерализованная вода низкой проводимости.
Напряжение генератора для современных генераторов, подключенных к электросети, колеблется от 11 кВ в небольших установках до 30 кВ в более крупных установках. Высоковольтные провода генератора обычно представляют собой большие алюминиевые каналы из-за их большого тока по сравнению с кабелями, используемыми в небольших машинах. Они заключены в хорошо заземленные алюминиевые шинопроводы и закреплены на подходящих изоляторах. Высоковольтные выводы генератора подключаются к повышающим трансформаторам для подключения к высоковольтной электрической подстанции (обычно в диапазоне от 115 кВ до 765 кВ) для дальнейшей передачи по местной электросети.
Для высоковольтных проводов предусмотрены необходимые устройства защиты и учета. Таким образом, паротурбогенератор и трансформатор образуют один блок. Меньшие агрегаты могут использовать общий повышающий трансформатор генератора с отдельными автоматическими выключателями для подключения генераторов к общей шине.
Большинство органов управления электростанцией являются автоматическими. Однако иногда может потребоваться ручное вмешательство. Таким образом, установка оснащена мониторами и системами сигнализации, которые предупреждают операторов установки, когда определенные рабочие параметры серьезно отклоняются от нормального диапазона.
Центральная аккумуляторная система, состоящая из блоков свинцово-кислотных элементов, предназначена для подачи аварийной электроэнергии, когда это необходимо, к важным объектам, таким как системы управления электростанцией, системы связи, система водородного уплотнения генератора, насосы смазочного масла турбины и аварийное освещение. Это необходимо для безопасного и безаварийного отключения агрегатов в аварийной ситуации.
Рассеять тепловую нагрузку выхлопного пара главной турбины, конденсата из сальникового парового конденсатора и конденсата из подогревателя низкого давления путем обеспечения непрерывной подачи охлаждающей воды в главный конденсатор, что приводит к образованию конденсата.
По оценкам, потребление охлаждающей воды внутренними электростанциями приведет к снижению энергообеспеченности большинства тепловых электростанций к 2040–2069 гг. [21]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: |author=имеет общее имя ( справка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )