Содержание
2. КОНДЕНСАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
6
Схема электрических соединений любой электростанции находится в прямой зависимости от ее технологической схемы, поэтому вполне логично начать именно с нее. Принципиальную тепловую схему КЭС см. на рисунке 2.1.
T
ПН
К ЦН
Др
КН
ХВО
Г
а к е р
Рисунок 2.1 ПКпаровой котел, Т- турбина, Г- генератор, К- конденсатор, КНконденсатный
насос, Дрдеаэратор, ПНпитательный насос, ЦНциркуляционный насос, ХВО
–химводоочистка.
Вкотел с помощью питательного насоса (ПН) подводится химически очищенная подогретая вода, подается топливо и воздух для горения. В процессе сгорания в топке котла химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию, которая передается питательной воде, последняя нагревается до температуры кипения и испаряется.
Полученный пар с температурой 540 — 560 градусов и давлением 13-24 МПа по трубопроводу подается в паровую турбину, в которой потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора турбины.
Турбина приводит в действие генератор, в нем кинетическая энергия вращения ротора преобразуется в электрическую энергию.
Пар, поступающий со сверхкритическими параметрами, в турбине расширяется до очень низкого давления (примерно в 20 раз меньше атмосферного). Для
создания глубокого разряжения и конденсации пара служит конденсатор. На
7
ГРЭС весь пар, прошедший через турбину, направляется в конденсатор, поэтому их называют конденсационными электростанциями (КЭС).
Для конденсации пара необходимо большое количество охлаждающей воды. Холодная вода с помощью циркуляционных насосов (ЦН) подается в конденсатор из реки или пруда-охладителя. Пойдя через конденсатор, вода опять возвращается в водоем. С циркуляционной водой выбрасывается около 50% тепла, что является одной из главных причин низкого КПД КЭС.
С помощью конденсатного насоса (КН) конденсат направляется в деаэратор (Др), где происходит его очистка от пузырьков воздуха, и далее с помощью питательного насоса (ПН) вновь подается в котел.
На КЭС одна и та же вода циркулирует по замкнутому контуру, а потери, возникающие вследствие неизбежных утечек пара и воды, восполняются добавками химически очищенной воды из цеха химводоочистки.
Особенности КЭС следующие:
1.Являются наиболее мощными ТЭС с агрегатами по 500-800МВт, потребляют огромное количество топлива (несколько тысяч тонн угля в сутки), загрязняют атмосферу и располагаются вдали от крупных населенных пунктов, как правило, рядом с топливной базой.
2.Выработанную электроэнергию выдают в систему на повышенном напряжении.
3.Сооружаются вблизи реки или водохранилища, так как требуют большого количества воды для охлаждения пара в конденсаторе.
4.Имеют низкий (38-40%) КПД.
5.Низко маневренные. Пуск и остановка агрегатов занимает от нескольких часов до нескольких суток. Работают в базовой части графика нагрузки. Блоки останавливают лишь на две-три недели в летний период для планового ремонта.
6.Работают по свободному графику выработки электроэнергии.
Современные КЭС, с агрегатами мощностью по 500 – 1200 МВт, могут
иметь установленную мощность 4000 – 6000 МВт. На них отсутствуют попереч-
8
ные связи по воде, по пару и по электрической энергии. И в тепловой и в электрической части используется блочный принцип построения (рисунок 2.2). В каждом блоке котел, турбина, генератор и повышающий трансформатор последовательно соединены в единую технологическую цепь и не связаны с одноименным оборудованием других блоков.
C
Н
РУ ВН
110-500 кВ
ПТ
Г
Т К
Рисунок 2.2. Структурная схема КЭС
К– котел, Т – турбина, Г – генератор, ПТ – повышающий трансформатор, РУ ВН
–распределительное устройство высшего напряжения, С – система, Н – нагрузка.
9
3. ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ
Основное назначение ТЭЦ – выработка тепла для производственных нужд, отопления и горячего водоснабжения. Поэтому они сооружаются вблизи крупных городов с числом жителей более ста тысяч и развитой промышленностью.
В отличие от КЭС, на ТЭЦ не все тепло, произведенное котлом, идет на производство электроэнергии. Частично отработавший пар с температурой 250300 градусов станция отдает предприятиям, использующим его для производства продукции (например, на шинный завод, производящий автопокрышки).
Другая часть пара с температурой 120-130 градусов направляется в подогреватели сетевой воды или в водогрейные котлы (на рисунке 3.1 не показаны) и используется для отопления и горячего водоснабжения потребителей. Оставшийся пар срабатывается полностью и направляется в конденсатор. Количество выработанной электроэнергии на ТЭЦ находится в прямой зависимости от теплового потребления. Чем больше тепла будет истрачено на промышленные и коммуналь- но-бытовые нужды, тем меньше будет произведено электроэнергии.
10
Рисунок 3.1 Теплофикационные турбины в режиме теплового потребления работают с
наивысшим КПД (до 60%). Высокий КПД ТЭЦ объясняется комплексным использованием пара, уменьшающим количество тепла, отдаваемого через конденсатор в окружающее пространство.
Площадку для строительства ТЭЦ выбирают как можно ближе к потребителю, но с учетом «розы ветров», чтобы выбросы из труб были направлены преимущественно в сторону от города. При этом станция зачастую оказывается вдали от естественных водоемов. В таких случаях применяют оборотную систему водоснабжения, при которой для охлаждения циркуляционной воды используют градирни (см. рисунок 3.1).
Градирня – это пустотелая вытяжная башня высотой до 150 м и диаметром 40 – 70 м, которая создает естественную тягу с направлением воздушного потока снизу вверх. Внутри градирни на высоте 10 – 20 м устанавливают разбрызгивающее устройство. Капли воды летят вниз навстречу воздуху. При этом часть капель
Комплексные решения ЧЭАЗ для электростанций
ЧЭАЗ осуществляет комплексные поставки широкого спектра оборудования для котлотурбинных электростанций:
Комплектные трансформаторные подстанции
- Комплектные трансформаторные подстанции внутренней установки 10/0,4 кВ
Комплектные распределительные устройства
- Камеры сборные одностороннего обслуживания серии КСО 306, 306 ШВВ;
- Камеры сборные одностороннего обслуживания серии КСО 307;
- Камеры сборные одностороннего обслуживания серии КСО 202В, 202 ВМ;
- Камеры сборные одностороннего обслуживания серии КСО 207В;
- Комплектные распределительные устройства серии КСВ 10;
- Комплектные распределительные устройства серии КНВ 10;
- Комплектные распределительные устройства наружной установки серии КРУН КНВ 10
Низковольные комплектные устройства распределения электроэнергии и управления электроприводами
Низковольные комплектные устройства собственных нужд электростанций и подстанций
- Комплектные трансформаторные подстанции для собственных нужд серии РУСН 0,4 (КТПСН);
- Шкафы собственных нужд переменного тока для подстанций до 750 кВ серии ШСН8300;
- Шкафы собственных нужд серии ШЭ8350;
- Панели собственных нужд переменного тока серии ПСН1100В;
- Шкаф оперативного постоянного тока ШОТВ;
- Щиты распределения постоянного тока серии ШТЭ (ШСЭ) 8700;
- Панели собственных нужд постоянного тока серии ПСН1200В;
- Система «КУЭС»: устройства комплектные низковольтные распределения и управления c выдвижными блоками;
- НКУ для питания электроприводов запорной арматуры и электродвигателей механизмов до 28 кВт серии РТЗО-88М, РТЗО-88В, РТЗО-88SE, РТЗО-88BSO;
- НКУ управления электроприводами системы топливоподачи УРСН-50М, УРСН-600М
Унифицированная система Modul-X, подсистема НКУ-СТ, распределения электроэнергии и управления электроприводами на токи до 5000 А для промышленности и энергетики;
- Шкафы распределительные серии ШР11В;
- Устройства вводно-распределительные серии ВРУ1В;
- Ящики управления серии Я5000;
- Ящики управления и распределения энергии серии РУСМВ
Распределительные пункты, щитки осветительные, ящики, посты управления кнопочные
- пункты (шкафы распределительные);
- ящики;
- посты управления кнопочные
Устройства релейной защиты и автоматики
Микропроцессорные аппараты для защиты присоединений на напряжение 6 – 35 кВ
- Микропроцессорные аппараты серии БЭМП 1;
- Микропроцессорные аппараты серии БЭМП РУ
Электромеханические и микроэлектронные устройства релейной защиты на напряжение 0,4 – 1150 кВ
- Реле тока;
- Реле напряжения;
- Реле времени;
- Реле промежуточные;
- Реле автоматики и контроля мощности;
- Реле и устройства защиты и сигнализации однофазных замыканий на землю в сетях 6-10 кВ;
Блоки, комплекты и устройства релейной защиты и автоматики
- Микропроцессорные блоки релейной защиты серии БЭМП
- Блоки, комплекты и устройства защиты генераторов, трансформаторов и линий электропередач
- Блоки питания, заряда, испытательные и фильтров
Системы релейной защиты и автоматики
Шкафы и панели серии ШМ и ПМ с микропроцессорными блоками серии БЭМП
- Шкафы (панели) защиты линий и АУВ присоединений 110-220 кВ (ШМЗЛ/ПМЗЛ);
- Шкафы (панели) дифференциально-фазной защиты линий 110-220 кВ (ШМДФЗ/ПМДФЗ);
- Шкафы (панели) защиты трансформаторов и АУВ (ШМЗТ/ПМЗТ);
- Шкафы (панели) регулятора напряжения под нагрузкой (ШМРН/ПМРН);
- Шкафы (панели) защиты ошиновки и шин (ШМЗШ/ПМЗШ);
- Шкафы (панели) защиты присоединений 6-35 кВ (ШМ35/ПМ35);
- Шкафы (панели) центральной сигнализации (ШМЦС/ПМЦС);
- Шкафы частотной разгрузки и системной автоматики (ШМЧР);
- Шкафы оперативных блокировок (ШМОБ)
Шкафы, панели защиты и автоматики на электромеханических и микроэлектронных устройствах
- Шкафы и панели защиты линий;
- Панели защиты трансформаторов и автотрансформаторов;
- Панели защиты шин;
- Шкафы автоматики;
- Шкафы и панели УРОВ;
- Панель АПВ;
- Панель сигнализации
Низковольтная аппаратура управления
- Реле управления;
- Контакторы;
- Пускатели;
- Аппаратура ручного управления;
- Дополнительная аппаратура;
- Выключатель ручного управления
Монтажные, пусконаладочные работы
Объекты поставок:
- Уренгойская ГРЭС
- Яйвинская ГРЭС
- Томская ГРЭС-2
- Харанорская ГРЭС
- Невинномысская ГРЭС
- Калининградская ТЭЦ-2
- Улан-Удэнская ТЭЦ
- Ливенская ТЭЦ
- Тюменская ТЭЦ-1
- Уфимская ТЭЦ-2
- Красноярская ТЭЦ-3
- Новгородская ТЭЦ
- Красноярская ТЭЦ-3
- Владивостокская ТЭЦ-2
- Тобольская ТЭЦ
- Адлерская ТЭЦ
Поверхностный конденсатор на ТЭЦ
В поверхностных конденсаторах пара отсутствует смешивание отработанного пара и охлаждающей воды.
Конденсат можно повторно использовать в котле: в поверхностном конденсаторе для охлаждения можно использовать даже загрязненную воду, тогда как в струйных конденсаторах охлаждающая вода должна быть чистой. Хотя капитальные затраты и требуемое пространство больше для поверхностных конденсаторов, они по-прежнему предпочтительнее из-за низких эксплуатационных расходов и высокой тепловой эффективности установки.
Поверхностные конденсаторы можно разделить на различные типы в зависимости от положения насоса для отвода конденсата, расхода конденсата и расположения трубок.
Поверхностный конденсатор с нисходящим потоком
В этих конденсаторах с нисходящим потоком отработанный пар движется вниз вместе с охлаждающей водой, протекающей по трубам в двухходовой схеме (вход в нижнюю половину в одном направлении и выход в противоположном направлении в верхней половина).
Центральный поверхностный конденсатор
В этой центральной проточной поверхности пар конденсаторного типа поступает по окружности кожуха.
Конденсат течет радиально к центру трубного пучка.
Конденсатор пара с обратным потоком
В конденсаторе с обратным потоком пар поступает в нижнюю часть кожуха, а насос для отвода воздуха подключается вверху. Пар сначала поднимается вверх, а затем возвращается в нижнюю часть конденсатора, к которому подключен насос для отвода конденсата.
Цикл Ренкина состоит из следующих этапов:
- Изобарный теплообмен в котле
- Изэнтропическое расширение в турбине
- Изобарический отвод тепла в конденсаторе
- Изэнтропическое сжатие в насосах
. Питающий насос подает жидкость под высоким давлением в котел для нагрева до температуры насыщения. Добавление тепловой энергии вызывает испарение жидкости до тех пор, пока она полностью не превратится в насыщенный пар.
Изэнтропическое расширение
Эффективность конденсационной паровой турбины
Изэнтропическое расширение . Когда пар расширяется в турбине, он приводит в действие турбину, и энергия может быть преобразована в электричество.
Температура охлаждающей среды ограничивает степень расширения. Более низкая температура охлаждения в конденсаторе создает более высокий вакуум (более низкое абсолютное давление) и допускает большее расширение.
Изобарический отвод тепла
Функция конденсатора на паросиловой установке
Изобарический отвод тепла . От турбины расширенная парожидкостная смесь поступает в поверхностный конденсатор с водяным охлаждением. Эффективные конденсаторы снижают давление пара ниже атмосферного, близкого к давлению насыщения воды при температуре охлаждающей воды.
Изэнтропическое сжатие
Сброс пара на электростанции
Изэнтропическое сжатие . Питающий насос, повышающий давление конденсата, потребляет относительно мало энергии и поэтому часто не включается в термодинамические расчеты.
От турбины низкого давления отработавший пар поступает в кожух. Пар охлаждается и превращается в воду (конденсат), протекая по трубкам конденсатора.
Паровые эжекторы (или выхлопные трубы с приводом от роторного двигателя) непрерывно удаляют воздух и газы из пара, поддерживая при этом вакуум.
Минимально возможные температуры конденсатора обеспечивают минимально возможное давление конденсирующегося пара, что обеспечивает оптимальную эффективность. Поскольку температуру конденсатора почти всегда можно поддерживать значительно ниже 100 °C, когда давление паров воды намного меньше атмосферного давления, конденсатор обычно работает под вакуумом. Утечка (неконденсируемого) воздуха в замкнутый контур снизит вакуум и, следовательно, эффективность, и ее необходимо предотвращать.
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 ртутного столба), т. е. около −95 кПа (-28 дюймов ртутного столба) ниже атмосферного давления. Вакуум, который создается за счет значительного уменьшения объема при конденсации водяного пара, помогает пропускать пар через турбину для достижения оптимальной эффективности.
Конденсатор обычно использует либо циркулирующую охлаждающую воду из градирни для отвода отработанного тепла в атмосферу, либо однократно охлаждающую поверхностную воду (из рек, озер или океана). Во многих районах градирни обязательны даже для прямоточных установок, чтобы избежать нагрева поверхностных вод и связанного с этим биологического воздействия.
Градирни с естественной тягой, принудительной тягой или принудительной тягой снижают температуру воды за счет испарения примерно на 11–17 °C (от 20 до 30 °F) и рассеивают неутилизируемое отработанное тепло в атмосферу. Блок мощностью 500 МВт будет циркулировать со скоростью около 50 000 м³/ч (500 фут³/с или 225 000 галлонов США/мин) при полной нагрузке.
Трубки конденсатора изготовлены из латуни или нержавеющей стали для оптимальной теплопередачи и коррозионной стойкости. Бактерии, водоросли, грязь или пыль, а также отложения охлаждающей воды вызывают внутреннее загрязнение и препятствуют теплопередаче, что приводит к снижению вакуума и, следовательно, к снижению термодинамической эффективности.
Проблемы, обычные для тепловых электростанций
Максимальное повышение эффективности преобразования энергии и мощности электростанции
Оптимальная производительность конденсатора для максимальной эффективности электростанции. Постоянной задачей тепловых электростанций является максимальное повышение эффективности и мощности преобразования энергии. Обычно КПД достигает максимума около 38%. С упором на управление горением, настройку печи, переключатели топлива и модернизацию турбины для повышения теплоотдачи производительность конденсатора может быть недооценена. Результат: частые перерывы на очистку и ремонт, что существенно влияет на теплопроизводительность и выходную мощность установки.
важность вакуума в паровой турбине
Высокий вакуум в конденсаторе повышает мощность электростанции. Загрязнение конденсатора приводит к снижению вакуума в конденсаторе, что, в свою очередь, влияет на эффективность преобразования топлива и приводит к снижению производительности или мощности установки.
Когда конденсатор работает под вакуумом, он вытягивает пар, что улучшает общую производительность турбины.
Повышение вакуума конденсатора в среднем на 0,35 дюйма ртутного столба или 12 мбар (1,6 %) улучшит тепловой КПД установки примерно на 3–3,5 %. Этот средний КПД или увеличение производительности можно было бы реализовать, если бы трубы конденсатора постоянно содержались в чистоте для обеспечения постоянной оптимальной эффективности теплопередачи.
Предотвращение выхода из строя труб котла
Избежание выхода из строя труб котла, основной причины вынужденных отключений. Загрязнение конденсатора также влияет на исправность труб конденсатора, что в сочетании с вакуумом, создаваемым на стороне пара, может иметь катастрофические последствия, когда трубы конденсатора начинают протекать. Охлаждающая вода попадает в трубы котла и способствует коррозии, что является одной из наиболее частых причин выхода из строя труб котла. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшей потере мощности и дорогостоящему ремонту.
Как повысить эффективность пароконденсатора и тепловой электростанции
Эффективная работа тепловых электростанций имеет первостепенное значение для минимизации затрат (и углеродного следа) потребления электроэнергии. Для этого требуется тщательно синхронизированная работа отдельных частей. Со всеми технологиями, которые были внедрены для повышения эффективности за последние десятилетия, автоматическая очистка щеток конденсатора может быть самым простым решением, которое часто упускается из виду как эффективное решение, которое может значительно повысить эффективность работы электростанции.
Хорошие характеристики конденсатора пара в значительной степени способствуют повышению общей тепловой эффективности. Как было сказано выше, это позволяет поддерживать высокий вакуум в конденсаторе и избежать выхода из строя труб котла, что приводит к высокому преобразованию энергии.
Для постоянного поддержания чистоты трубок конденсатора рассмотрите возможность использования автоматической системы очистки труб, такой как EQOBRUSH.
При автоматической очистке труб мы используем реверсивный клапан, чтобы регулярно (раз в 4 часа) реверсировать поток охлаждающей воды через конденсатор. Это затем будет продвигать щетки (которые расположены в корзинах-уловителях на конце каждой трубы) через трубы, чтобы удалить любое загрязнение со стенок трубы. Загрязнение не успевает осесть и начать образовывать накипь и будет осаждаться в бассейне градирни.
После установки автоматической системы очистки труб больше нет необходимости открывать конденсатор для очистки. Сокращение времени простоя и затрат на техническое обслуживание являются дополнительными преимуществами для увеличения производительности.
EQOBRUSH можно использовать для конденсаторов с диаметром труб входа и выхода воды до 600 мм с нашим компактным реверсивным клапаном. Это означает, что мы можем приспособить наши стандартные системы к установкам с паровыми турбинами мощностью до 40 МВт на единицу. Это делает его идеальным для биомассы и небольших геотермальных электростанций.
Конденсаторы большего размера могут быть приспособлены с помощью специально разработанных решений.
Узнайте больше о преимуществах системы Eqobrush Предложение и заказ
Тонкое покрытие на конденсаторах может повысить эффективность электростанций | MIT News
Большинство электростанций в мире, работающих на угле, природном газе или ядерном топливе, производят электричество, вырабатывая пар, вращающий турбину. Затем этот пар конденсируется обратно в воду, и цикл начинается снова.
Но конденсаторы, которые собирают пар, довольно неэффективны, и их усовершенствование может сильно повлиять на общую эффективность электростанции.
Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института разработала способ покрытия этих поверхностей конденсаторов слоем графена толщиной всего в один атом и обнаружила, что это может улучшить скорость теплопередачи в четыре раза, а потенциально даже более того, с дальнейшей работой. И в отличие от полимерных покрытий, графеновые покрытия доказали свою высокую износостойкость в лабораторных испытаниях.
О результатах сообщается в журнале Nano Letters аспирантом Массачусетского технологического института Дэниелом Престоном, профессорами Эвелин Ван и Цзин Конгом и двумя другими. По словам Престона, улучшение теплопередачи конденсатора, которое является всего лишь одним шагом в цикле производства электроэнергии, может привести к общему повышению эффективности электростанции на 2-3 процента, согласно данным Исследовательского института электроэнергетики. значительное сокращение глобальных выбросов углерода, поскольку такие электростанции обеспечивают подавляющее большинство производства электроэнергии в мире. «Это составляет миллионы долларов на электростанцию в год», — объясняет он.
Существует два основных способа взаимодействия конденсаторов, которые могут иметь форму спиральных металлических труб, часто изготовленных из меди, с потоком пара. В некоторых случаях пар конденсируется, образуя тонкий слой воды, покрывающий поверхность; в других он образует капли воды, которые вытягиваются с поверхности под действием силы тяжести.
Когда пар образует пленку, поясняет Престон, это препятствует теплопередаче — и тем самым снижает эффективность — конденсации. Таким образом, цель многих исследований состояла в том, чтобы улучшить образование капель на этих поверхностях, сделав их водоотталкивающими.
Часто это достигается с помощью полимерных покрытий, но они имеют тенденцию быстро разрушаться при высокой температуре и влажности электростанции. И когда покрытия делаются более толстыми, чтобы уменьшить эту деградацию, сами покрытия препятствуют передаче тепла.
«Мы подумали, что графен может быть полезен, — говорит Престон, — поскольку мы знаем, что он гидрофобен по своей природе». Поэтому он и его коллеги решили проверить как способность графена отводить воду, так и его долговечность в типичных условиях электростанции — среде чистого водяного пара при температуре 100 градусов по Цельсию.
Они обнаружили, что графеновое покрытие толщиной в один атом действительно улучшает теплопередачу в четыре раза по сравнению с поверхностями, на которых конденсат образует слои воды, такими как голые металлы.
Дальнейшие расчеты показали, что оптимизация разницы температур может увеличить это улучшение в 5-7 раз. Исследователи также показали, что после двух полных недель в таких условиях производительность графена заметно не ухудшилась.
Для сравнения, аналогичные тесты с использованием обычного водоотталкивающего покрытия показали, что покрытие начало разрушаться всего за три часа, говорит Престон, и полностью вышло из строя в течение 12 часов.
Поскольку процесс, используемый для покрытия графена на поверхности меди, называемый химическим осаждением из паровой фазы, был тщательно протестирован, новый метод может быть готов к испытаниям в реальных условиях «всего за год», — говорит Престон. И этот процесс должен легко масштабироваться для змеевиков конденсатора размером с электростанцию.
«Эта работа чрезвычайно важна, потому что, насколько мне известно, это первый отчет о стойкой капельной конденсации с однослойным поверхностным покрытием», — говорит Джонатан Борейко, доцент биомедицинской инженерии и механики в Технологическом институте Вирджинии, изучавший конденсация на супергидрофобной поверхности.