На рис.1 представлена схема пристрою ТЕС.
Малюнок 1 Схема пристрою ТЕС
1 - пароперегреватель; 2 - парова турбіна; 3 - генератор електричної енергії; 4 - насос; 5 - топка котла; 6 - котел; 7 - конденсатор.
Органічне паливо (вугілля, сланці, газ, мазут) подається в топку котла 5 і там спалюється. Вода в котел 6 подається насосом 4. Там вона нагрівається і випаровується, утворюється насичена пара (насичена пара має температуру насичення, величина якої залежить від тиску: чим більший тиск, тим вище температура насичення). У пароперегрівача 1 температура пара підвищується до необхідної величини. Далі пар надходить в парову турбіну 2, в якій теплова енергія перетворюється в механічну енергію. В електричному генераторі 3, ротор якого приводиться в обертання турбіною, механічна енергія перетворюється в електричну енергію. Виходить з турбіни пар надходить на конденсатор 7, по трубках якого пропускається охолоджена вода, температура якої дорівнює температурі навколишнього повітря. Вода з конденсатора подається в котел. Цикл замикається.
Ефективність ТЕС визначається в першу чергу вартістю встановленого кіловата К () (тобто. Величина капітальних вкладень) і собівартістю виробленої енергії С ().
Замість них може бути використаний так званий наведений або розрахунковий коефіцієнт, що розраховується за формулою:
де (ч / рік) - число годин роботи теплової електростанції за рік на повній потужності;
(1 / рік) - коефіцієнт, що представляє собою зворотну величину терміну окупності (зазвичай приймається. Що відповідає 7-ми років окупності).
Таким чином, у формулі (1) перше згідне - це "податок", яким обкладається одиниця продукції, що випускається (тобто, КВт · год електроенергії), щоб
Якщо порівняти питомі капіталовкладення для ТЕС, то вони значно, нижче, ніж для ГЕС і АЕС. Терміни будівництва ТЕС значно коротше. Єдине, що собівартість виробленої електроенергії на ГЕС і АЕС нижче, ніж на ТЕС. Проте, неможливо зробити висновок, що в різних випадках найбільш вигідна саме ГЕС і АЕС. Природно ГЕС будують на річках, ТЕС - поблизу видобутку палива, а АЕС не можна будувати поблизу населених пунктів. Загалом, вибір типу станції більшою мірою обумовлений її місця розташування.
Встановлені потужності і вироблення електроенергії
на ТЕС, ГЕС і АЕС в країнах СНД,%
Питання про ресурсах для ТЕС розглянуто, звідки видно, що його вистачить на кілька сотень років.
3) Питання про екологію.
Найважчим і складним є питання про екологію, так як ТЕС є найбільшим джерелом забруднення (газоподібними продуктами). Якщо при боротьбі з сажею і окисями вуглецю (СО) золоуловители, то боротьба з оксидами азоту і особливо сірки вимагає величезних витрат.
Найбільш нешкідливим паливом для ТЕС є газ (метан СН4). Якщо газ містить сірку, то її зазвичай беруть із нього до спалювання.
Приклади побудови газотурбінних енергетичних установок
Можна впевнено сказати, що газові турбіни знайдуть широке застосування в енергетиці. Розглянемо схему газотурбінної установки (рис. 1).
Малюнок 1 Принципова схема газотурбінної установки
з і регенерацією тепла
Р - регенератор; ВК - повітряний компресор; КС - камера згоряння;
ГТ - газова турбіна; ПД - пусковий двигун; ТН - паливний насос;
ГК - газовий компресор
Рідке або газоподібне паливо подається за допомогою паливного насоса (ТН) або газового компресора (ГК) в камеру згоряння (КС). Туди ж подається повітря, попередньо підігрітий в регенеративної підігрівачі (Р) за рахунок тепла відпрацьованих газів.
Утворилися при горінні палива гази (продукти згоряння) надходять з камери згоряння (КС) в газову турбіну (ГТ).
Відпрацьовані гази, які переважно мають температуру понад. надходять в сопла турбіни (виконані з металу канали, встановлені в статорі турбіни, тобто залишаються нерухомими). В соплах теплова енергія продуктів згорання перетвориться в кінетичну енергію потоку газу. При цьому температура і тиск продуктів згоряння зменшуються, а швидкість струменя газу зростає. Струмінь продуктів згоряння надходить на робочі лопатки турбіни, укріплені на її диску, жорстко пов'язаний з валом. Таким чином, вал, диск і робочі лопатки, що обертаються як єдине ціле, є ротор турбіни.
Кінетична енергія струменя газу під час протікання по каналах, утвореним робочими лопатками, зменшується, але зате збільшується кінетична енергія ротора турбіни, що і потрібно.
Якщо ротор турбіни пов'язаний з електричним генератором, то виробляється електрична енергія, а якщо з повітряним компресором, то здійснюється стиснення повітря і подача його споживачеві. Якщо газова турбіна призначена для перекачування природного газу по газопроводу, то турбіна приводить в рух вже не повітряний, а газовий компресор.
Який же механізм перетворення кінетичної енергії струменя газу на робочих лопатках в кінетичну енергію ротора турбіни?
Було б неправильно думати, що ротор турбіни набуває обертальний рух за рахунок удару струменя газу про робочі лопатки.
Навпаки, конструктори намагаються уникнути вхідного удару струменя газу про робочі лопатки, так як такий удар лише знижував би ККД турбіни.
Тому канали, утворені робочими лопатками, мають криволінійний характер. Протікаючи по такому каналу, потік газу змінює свій напрямок і величину швидкості. Завдяки відцентрової сили він чинить тиск на увігнуті поверхні робочих лопаток. Саме в силу цього робочі лопатки, диск турбіни, вал, тобто, ротор турбіни, а, отже, і жорстко пов'язаний з ним ротор електричного генератора, наводяться в обертальний рух і відбувається вироблення електроенергії.
Сучасні газові турбіни вчинені, як правило багатоступінчасті (мають кілька рядів соплових пристроїв і робочих лопаток) машини, розраховані на високу початкову температуру продуктів згоряння.
Найбільш широке поширення газові турбіни отримали в авіації. У 40-х роках XX ст. на зміну поршневі двигуни внутрішнього згоряння, які опинилися не в змозі подолати звуковий бар'єр. для чого було потрібно різке підвищення потужності, прийшли реактивні двигуни, в яких використовуються газові турбіни.
На рис. 2 і 3 представлені відповідно схеми турбогвинтового і турбореактивного авіаційних двигунів.
У турбогвинтових двигунах тяга створюється як повітряним гвинтом, так і за рахунок виділення продуктів згорання через реактивне сопло, в той час як в турбореактивних авіаційних двигунах тяга створюється тільки в результаті виділення з реактивного сопла продуктів згоряння з великою швидкістю.
В обох типах цих авіаційних двигунів обов'язковим елементом є газова турбіна, завдання якої полягає в приводі повітряного компресора, а в турбогвинтовому двигуні - також в приводі повітряного гвинта.
В енергетиці газова турбіна використовується в якості пікового двигуна. Протягом доби споживання електроенергії не однаково. У години пік вони значно вище середньодобового. Тобто доцільно мати потужність електричної станції відповідну середньодобовим споживанням, а в години пік - покривати дефіцит за рахунок спеціальної пікової потужності, так як вона необхідна протягом 1,5-2 годин.
Рисунок2 Турбогвинтовий авіаційний двигун:
1 - вхідний пристрій; 2 - компресор; 3 - камера згоряння; 4 - турбіна,
5 - реактивне сопло; 6 - повітряний гвинт
Малюнок 3 Турбореактивний авіаційний двигун:
1 - вхідний пристрій; 2 компресор; 3 - камера згоряння; 4 корпус двигуна; 5 соплової апарат; 6 турбіна; 7 - реактивне сопло
Недоліками газових турбін є велика витрата палива.
Газові турбіни знаходять широке поширення в парогазових установках теплових електростанцій. На рис. 4 представлена схема найпростішої установки зі скиданням ще гарячих газів (продуктів згоряння) - 3, що надходять з газової турбіни Т в котел-утилізатор КУ.
Паливо 2 (газотурбінне, рідке) надходить в камеру згоряння КС. куди також за допомогою компресора К подається повітря. Компресор розміщений на одному валу з газовою турбіною Т і електричним генератором; компресор К і генератор приводяться в дію газовою турбіною Т.
У котлі-утилізатори КУ за рахунок тепла продуктів згоряння 3вода 6 перетворюється в пар 5, що надходить в парову турбіну ПВ. на одному валу з якою знаходиться другий електричний генератор. Такого роду парогазова установка дозволяє використовувати (утилізувати) тепло відпрацьованих в газовій турбіні продуктів згоряння 3. охолодити в котлі-утилізатори продукти згоряння 4вибрасиваются назовні. Отработавший в паровій турбіні ПТ пар надходить, як зазвичай, в конденсатор, в якому віддає тепло охолоджуючої води, перетворюється в конденсат і потім за допомогою живильного насоса 6снова надходить в котел-утилізатор.
Малюнок 4 Принципова схема ПГУ з парогенератором
1 - повітря з атмосфери; 2 - паливо; 3 - відпрацьовані в турбіні гази;
4 - гази, що йдуть; 5 - свіжий пар; 6 - живильна вода;
КС - камера згоряння; ГТ - газова турбіна; ВК - компресор; ПТ - парова турбіна; КУ - котел-утилізатор.