Содержание
Принцип работы и область применения газопоршневых электростанций
Каталог
Бренды
Главная
»
Помощь покупателю
»
Газопоршневые электростанции: принцип работы и область применения
29 мая 2020
Содержание
- Виды газопоршневых генераторов
- Особенности конструкции ГПЭС на базе газопоршневых двигателей внутреннего сгорания
- Принцип работы газопоршневых электростанций
- Преимущества использования ГПЭС
- Сферы применения газопоршневых электростанций
Газопоршневой двигатель внутреннего сгорания благодаря компактным габаритам и широкому диапазону выходных мощностей идеально подходит для электрогенераторов, предназначенных для организации автономного основного, резервного или аварийного электропитания жилых, строительных и производственных объектов. Газопоршневые электростанции (ГПЭС), работающие на базе газопоршневого ДВСА, являются комплектными генерирующими агрегатами, которые вырабатывают не только электрическую, но и тепловую энергию.
Виды газопоршневых генераторов
В зависимости от рабочего режима и видов вырабатываемой энергии ГПЭС делят на 2 типа:
- Когенерационные. Такие станции вырабатывают два вида энергии – электрическую и тепловую. Это наиболее распространенные устройства, общее КПД которых составляет до 90 %.
- Тригенерационные. Эти агрегаты помимо электроэнергии и тепла вырабатывают холод. В холодное время года их используют для отопления помещений, а в теплое – для их кондиционирования.
Для бесперебойного функционирования газопоршневой электростанции могут использоваться следующие виды топлива:
- газы, при сгорании которых выделяется значительное количество тепла, – пропан, бутан, факельный газ;
- природный магистральный, сжиженный газ;
- газ с малым содержанием метана и низкими детонационными характеристиками;
- попутный нефтяной газ;
- промышленные газы – коксовый, пиролизный, шахтный.
Особенности конструкции ГПЭС на базе газопоршневых двигателей внутреннего сгорания
Поршневые газогенераторы могут иметь открытое исполнение, при котором все узлы агрегата расположены на раме, или закрытое, которое предполагает наличие всепогодного шумозащитного кожуха.
Бесперебойную и безопасную работу ГПЭС обеспечивает комплекс инженерных систем: снабжения топливом и маслом, удаления дыма, вентиляции, утилизации тепловой энергии, электромеханики, связи, автоматики, контроля, сигнализации.
Принцип работы газопоршневых электростанций
ГПЭС когенерационного типа функционируют по следующему принципу:
- Топливо поступает в цилиндрическую камеру сгорания, в которой оно сжимается поршнем и воспламеняется.
- Энергия, выделяемая при сгорании топлива, приводит в движение коленвал газопоршневого ДВС. Цикл работы ДВС обычно четырехтактный.
- Вращающийся коленвал передает движение через специальную муфту генератору электрического тока. При вращении ротора с обмоткой в магнитном поле статора происходит выработка электроэнергии.
- Выработанная электроэнергия поступает через кабельные линии на генераторное распределительное устройство (генераторную ячейку).
- Во время выработки электроэнергии высвобождается значительное количество тепла, которое снимается с дымовых газов и нагретого масла с помощью теплообменников и котлов-утилизаторов. Вода, нагретая за счет этого тепла, циркулирует по замкнутому контуру и выполняет функции теплоносителя в отопительной системе объекта. Неиспользованное попутное тепло сбрасывают в атмосферу.
Высококачественные газопоршневые электростанции, при работе которых используются турбонаддув и двухступенчатое охлаждение, имеют электрический КПД около 45 %. На 1 кВт вырабатываемой электроэнергии затрачивается всего 0,22 м3 газа.
Преимущества использования ГПЭС
Популярность генерирующих агрегатов на основе газопоршневых ДВС обеспечивают следующие эксплуатационные преимущества:
- высокий коэффициент полезного действия, минимальное количество сопутствующих энергопотерь;
- сохранение рабочих характеристик в неблагоприятных условиях окружающей среды, при резких температурных перепадах;
- экологичность – работа газопоршневых электрогенераторов сопровождается малым количеством вредных выбросов;
- наличие автоматизированной системы, защищающей агрегат от перегрева, и других защит;
- длительный эксплуатационный период.
Установка ГПЭС, подобранной под конкретные характеристики объекта, позволяет значительно снизить затраты на его энергоснабжение. Компактные характеристики этих установок и экологичность позволяют устанавливать их на обслуживаемом объекте или в непосредственной близости от него, благодаря чему отпадает необходимость в устройстве дорогостоящих опор, прокладке линий электропередач, использовании мощных трансформаторов.
Сферы применения газопоршневых электростанций
Благодаря комплексной выработке электрической и тепловой энергии, ГПЭС широко используются в отдаленных районах, в которые сложно провести коммуникационные системы, области их применения:
- жилищно-коммунальное хозяйство;
- промышленные предприятия;
- предприятия по добыча угля, нефти и газа;
- насосные станции, котельные;
- в качестве резервного и аварийного энергетического оборудования – медицинские учреждения, аэропорты и другие объекты, в которых важны бесперебойность электропитания.
Агрегаты комплексной выработки тепловой и электрической экономически выгодно устанавливать в торговых комплексах и на других коммерческих объектах, в общественных учреждениях.
Тепловые электростанции: виды и принцип работы
Превращение природных энергетических ресурсов в электричество осуществляется с помощью специальных установок, функционирующих на различных принципах. Среди них наиболее широкое распространение получили тепловые электростанции, применяющие для работы жидкое, твердое и газообразное органическое топливо. Они вырабатывают более 70% всей мировой электроэнергии и располагаются поблизости от месторождений природных ресурсов. Многие ТЭС производят не только электричество, но и тепловую энергию.
Содержание
Виды тепловых электростанций
Стандартная тепловая электростанция представляет собой целый комплекс, включающий в себя различные устройства и оборудование, преобразующие топливную энергию в электричество и тепло.
Подобные установки отличаются параметрами и техническими характеристиками, по которым и выполняется их классификация:
- В соответствии с видами и назначением поставляемой электроэнергии, тепловые станции могут быть районными и промышленными. Районные установки известны как ГРЭС или КЭС и предназначены для обслуживания всех потребителей региона. Электростанции, вырабатывающие тепло, называются ТЭЦ. Мощность районных станций превышает 1 млн. кВт. Промышленные электростанции предназначены для электро- и теплоснабжения конкретных предприятий и производственных комплексов. Их мощность значительно меньше, чем у ГРЭС и устанавливается в соответствии с потребностями того или иного объекта.
- Все типы тепловых электростанций работают на различных источниках энергии. Прежде всего, это обычные органические ресурсы, используемые большинством ТЭС и продукты нефтепереработки. Наибольшее распространение получили уголь, природный газ, мазут. Наиболее прогрессивные установки работают на ядерном топливе и называются атомными электростанциями – АЭС.
- Силовые установки, преобразующие энергию тепла в электричество, бывают паротурбинными, газотурбинными и смешанной парогазовой конструкции.
- Технологическая схема паропроводов ТЭС может быть разной. В блочных конструкциях тепловые электрические станции используют одинаковые энергетические установки или энергоблоки. В них пар от котла подается лишь к собственной турбине и после конденсации он вновь возвращается в свой котел. По данной схеме построено большинство ГРЭС (КЭС) и ТЭЦ. Другой вариант предполагает использование поперечных связей, когда пар от котлов подается к общему коллектору – паропроводу, обеспечивающему работу всей паровых турбин станции.
- По параметрам начального давления ТЭС могут быть с критическим и сверхкритическим давлением. В первом случае российские стандарты для ТЭС-ТЭЦ составляют 8,8-12,8 Мпа или 90-130 атмосфер. Второй вариант имеет более высокие параметры, составляющие 23,5 Мпа или 240 атмосфер. В таких конструкциях используется промежуточный перегрев и блочная схема.
Принцип работы тепловой электростанции
Основной принцип работы тепловой электростанции заключается в производстве тепловой энергии из органического топлива, которая в дальнейшем используется для выработки электрического тока.
Понятия ТЭС и ТЭЦ существенно различаются между собой. Первые установки относятся к так называемым чистым электростанциям, вырабатывающим только электрический ток. Каждая из них известна еще и как конденсационная электростанция – КЭС. ТЭЦ расшифровывается как теплоэлектроцентраль и является разновидностью ТЭС. Данные установки не только генерируют электричество, но и являются тепловыми, то есть дают тепло в системы отопления и горячего водоснабжения. Такое комбинированное использование требует специальных паровых турбин с противодавлением или системой промежуточного отбора пара.
Несмотря на разнообразие конструкций, работа всех ТЭС осуществляется по общей схеме. В котел постоянно подается топливо в виде угля, газа, торфа, мазута или горючих сланцев. На многих электростанциях используется заранее приготовленная угольная пыль. Вместе с топливом поступает воздух в подогретом виде, выполняющий функцию окислителя.
В процессе горения топлива создается тепло, нагревающее воду в паровом котле. Происходит образование насыщенного пара, подаваемого в паровую турбину через паропровод. Далее тепловая энергия становится механической.
Вал и остальные движущиеся части турбины связаны между собой и представляют единое целое. Струя пара под высоким давлением и при высокой температуре выходит из сопел и воздействует на лопатки турбины. Закрепленные на диске, они начинают вращаться и приводят в движение вал, соединенный с генератором. В результате вращения происходит преобразование механической энергии в электрический ток.
Пройдя через паровую турбину, пар снижает свою температуру и давление. Далее он попадает в конденсатор и прокачивается по трубкам, охлаждаемым водой. Здесь пар окончательно превращается в воду и поступает в деаэратор для очистки от растворенных газов. Очищенная вода с помощью насоса подается в котельную установку через подогреватель.
ТЭС на угле
Уголь уже давно стал одним из основных источников энергии в повседневной жизни и производственной деятельности людей. Широкое распространение данного вида топлива стало возможным благодаря его доступности. Во многих месторождениях он расположен в нескольких метрах от поверхности земли и может добываться более дешевым открытым способом. Кроме того, уголь не требует каких-то особых условий хранения и складируется в обычные кучи неподалеку от объекта.
Промышленное использование угля началось в конце 18-го века. В дальнейшем, когда появился железнодорожный транспорт, уголь стал источником движущей силы для паровозов. Позднее он стал применяться на первых тепловых электростанциях, построенных в конце 19-го века. Многие ТЭС и в настоящее время работают на угле.
На самых первых электростанциях сжигание угля осуществлялось путем его укладки на колосниковые решетки. Загрузка топлива и удаление шлака выполнялось вручную. Постепенно эти процессы были механизированы и уголь попадал на решетки из верхнего бункера. Решетка приводилась в движение и отработанный шлак ссыпался в специальный приемник.
Современные тепловые электростанции уже давно не пользуются кусковым углем. Вместо него в котлы загружается угольная пыль, получаемая в дробилках или мельницах. Подача топлива к горелкам производится сжатым воздухом. Попадая в топку, угольная пыль вперемешку с воздухом начинает гореть, выделяя большое количество тепла.
Газовые ТЭС
Вторым после угля по своей значимости является природный газ, используемый многими ТЭС. Данный вид топлива обладает несомненными преимуществами. Вредные выбросы, отравляющие атмосферу, значительно ниже, чем при сжигании угля. После сжигания не остается побочных продуктов в виде шлака или золы.
Эксплуатация ТЭС на газе становится значительно проще, поскольку в этом случае не требуется приготовление угольной пыли. Газу не требуется какая-либо специальная подготовка, и он сразу готов к использованию. Газовые тепловые электростанции считаются более маневренными, что немаловажно в ситуациях с изменяющимися нагрузками.
Эффективность и коэффициент полезного действия газовых ТЭС значительно увеличились при переходе в рабочий режим с циклом парогазовых установок. Сжигание топлива производится не в котле, а в газовой турбине. Такие установки предназначены только для газа и не могут работать на угольной пыли.
Другие виды топлива для ТЭС
Помимо традиционных видов топлива тепловые электростанции применяют в своей работе и другие источники энергии. Одним из таких энергоресурсов является мазут, который использовался на многих электростанциях во второй половине 20-го века.
В современных условиях цена продуктов нефтепереработки существенно увеличилась, поэтому мазут перестал быть основным топливом. Его частично используют угольные электростанции для растопки. Эксплуатационные качества мазута аналогичны с природным газом, однако при его сжигании в большом количестве выделяется оксид серы, загрязняющий окружающую среду.
В 20-м веке некоторые ТЭС работали на торфе. В настоящее время этот ресурс практически не используется из-за низкой эффективности по сравнению с газом и углем. Установки на дизельном топливе применяются на небольших объектах, где не требуются значительные объемы электроэнергии. В основном, они предназначены для удаленных районов, расположенных на значительном расстоянии от сетей централизованного электроснабжения.
КПД тепловой электростанции
Основным показателем любой тепловой электростанции является ее коэффициент полезного действия. Например, для угольных ТЭС существует термический КПД, определяемый количеством угля, необходимого для выработки 1 кВт*ч электроэнергии. Если в начале 20-х годов прошлого века этот показатель составлял 15,4 кг, то в 60-е годы он снизился до 3,95 кг. В дальнейшем расход угля вновь незначительно поднялся до 4,6 кг.
Причиной такого подъема стали газоочистители, уловители пыли и золы, из-за которых угольная электростанция снизила выходную мощность на 10%. Многие станции пользуются более чистым в экологическом плане углем, что также привело к увеличению потребления топлива.
Процентное выражение термического КПД тепловой электростанции составляет не более 36%, что связано с высокими тепловыми потерями, вызываемыми отходящими газами при горении. У атомных электростанций, отличающимися низкими температурами и давлением термический КПД еще ниже – 32%. Самый высокий показатель у газотурбинных установок, оборудованных котлами-утилизаторами и дополнительными паровыми турбинами. КПД электростанций с таким оборудованием превышает 40%. Этот показатель полностью зависит от величины рабочих температур и давления пара.
Современные паротурбинные электростанции используют промежуточный перегрев пара. После того как он частично отработает в турбине, происходит его отбор в промежуточной точке для последующего повторного нагрева до первоначальной температуры. Система промежуточного перегрева может состоять из двух ступеней и более, что способствует значительному увеличению термического КПД.
Самые мощные ТЭС
В настоящее время лидером тепловой энергетики по праву считается тепловая электростанция Туокетуо, находящаяся в Китае в провинции Внутренняя Монголия. До недавних пор она являлась лишь третьей в мире, уступая по мощности ТЭС, расположенным в Тайчжуне и Сургуте. В результате проведенной реконструкции в 2017 году добавились два энергоблока по 660 Мвт каждый, после чего общая мощность станции достигла 6720 мегаватт. После этого Сургутская ГРЭС стала занимать 3-е место в мире и 1-е – в России.
В российской Энергосистеме доля тепловых электростанций составляет около 70%, а общее количество в натуральных цифрах – 358 единиц. Самые крупные ТЭС расположены возле крупных месторождений полезных ископаемых, используемых в качестве топлива. Установки, применяющие мазут, привязаны к крупным нефтеперерабатывающим предприятиям.
Крупнейшей российской ТЭС является Сургутская, производительность которой составляет 5600 МВт. На карте географическое положение объекта определяется на примерно одинаковом расстоянии от Нефтеюганска и Ханты-Мансийска.
Строительство объекта началось в 1979 году, а в 1985 году был введен в эксплуатацию 1-й энергоблок. Далее за 3 года в строй вступили все оставшиеся энергоблоки, производительностью 800 МВт. Работа станции осуществляется на попутном газе, образованном в местах разрабатываемых газовых месторождений. Такой газ должен утилизироваться, однако он превратился в энергетический ресурс. К настоящему времени построены еще 2 энергоблока по 400 МВт, что позволило вывести станцию на проектную мощность.
Следует отметить еще одну крупную российскую ГРЭС – Рефтинскую. Она работает на каменном угле, а производительность составляет 3800 мегаватт. Объект расположен примерно в 100 км от Екатеринбурга. Строительство велось с 1963 по 1980 годы, в течение всего периода энергоблоки вводились в строй поэтапно.
Гидроэлектростанции улавливают энергию падающей воды для выработки электроэнергии. Турбина преобразует кинетическую энергию падающей воды в механическую энергию. Затем генератор преобразует механическую энергию турбины в электрическую энергию. Размер гидроэлектростанций варьируется от «микрогидроэлектростанций», питающих лишь несколько домов, до гигантских плотин, таких как плотина Гувера, обеспечивающих электроэнергией миллионы людей. На фотографии справа изображена Александровская гидроэлектростанция на реке Висконсин, электростанция среднего размера, которая производит достаточно электроэнергии, чтобы обслуживать около 8000 человек.
Детали гидроэлектростанцииБольшинство обычных гидроэлектростанций состоят из четырех основных компонентов (см. рисунок ниже):
Сколько электроэнергии может производить гидроэлектростанция?Количество электроэнергии, производимой гидроэлектростанцией, зависит от двух факторов:
Могу ли я рассчитать, сколько энергии может производить плотина в моем районе?Конечно. Это не так сложно. Допустим, в вашем районе есть небольшая плотина, которая не используется для производства электроэнергии. Возможно, плотина используется для подачи воды для орошения сельскохозяйственных угодий, а может быть, она была построена для создания озера для отдыха. Как мы объяснили выше, вам нужно знать две вещи:
Теперь все, что нам нужно сделать, это немного математики. Инженеры обнаружили, что мы можем рассчитать мощность плотины, используя следующую формулу: Мощность = (Высота плотины) x (Расход реки) x (КПД) / 11,8
Для плотины в нашем районе, скажем, мы покупаем турбину и генератор с КПД 80%. Тогда мощность нашей плотины будет: Мощность = (10 футов) x (500 кубических футов в секунду) x (0,80) / 11,8 = 339 киловатт Чтобы понять, что означают 339 киловатт, давайте посмотрим, сколько электроэнергии мы можем произвести за год. Поскольку электрическая энергия обычно измеряется в киловатт-часах, мы умножаем мощность нашей плотины на количество часов в году. Электроэнергия = (339 киловатт) х (24 часа в сутки) х (365 дней в году) = 2 969 000 киловатт-часов. Среднегодовое потребление энергии в жилых домах в США составляет около 3000 киловатт-часов на каждого человека. Таким образом, мы можем вычислить, сколько людей может обслуживать наша плотина, разделив годовое производство энергии на 3000. человек Обслужено = 2 969 000 киловатт-часов / 3 000 киловатт-часов на человека) = 990 человек. Таким образом, наша местная ирригационная или рекреационная плотина могла бы обеспечить достаточное количество возобновляемой энергии для удовлетворения бытовых потребностей 990 человек, если бы мы добавили турбину и генератор. Примечание. Прежде чем вы решите добавить гидроэнергию к плотине, попросите инженера-гидроэнергетика проверить ваши расчеты и проконсультироваться с местными агентствами по ресурсам, чтобы убедиться, что вы можете получить все необходимые разрешения. |
Принцип работы атомной электростанции
Принцип работы атомной электростанции зависит в основном от четырех компонентов.
1. Ядерный реактор
2. Теплообменник
3. Паровая турбина
4. Генератор переменного тока
Ядерный реактор используется для производства тепла в ядерном реакторе, а теплообменник используется для преобразования воды, вырабатываемой в ядерном реакторе, в пар. . Этот пар подается в паровую турбину и конденсируется в конденсаторе. Теперь паровая турбина должна управлять электрическим генератором или генератором переменного тока, который соединен с паровой турбиной и, таким образом, вырабатывает электроэнергию. Это очень просто принцип работы атомной электростанции . Вот подробное описание работы отдельного блока этой станции. Блок-схема атомной электростанции показана на рисунке: —
БЛОК-СХЕМА АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ:
1.
Ядерный реактор: —
Ядерный реактор является основным компонентом атомной электростанции и ядерным топливом. подвергается ядерному делению. Ядерное деление — это процесс, при котором тяжелое ядро распадается на два или более меньших ядра. . Тяжелый изотоп, как правило, уран-235 (U-235), используется в качестве ядерного топлива в ядерном реакторе, поскольку он обладает способностью контролировать цепную реакцию в ядерном реакторе. Деление ядер происходит путем бомбардировки ядер урана медленными нейтронами. Энергия, выделяемая при делении ядер, называется энергией ядерного деления или ядерной энергией. При торможении атома урана в реакторе образуется огромное количество тепловой энергии и излучения, и цепная реакция протекает непрерывно, пока не будет контролироваться цепной реакцией управления реактором. В этом процессе удаляется большое количество нейтронов деления, для выработки электроэнергии используется лишь небольшое количество делящегося урана.
БЛОК-СХЕМА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА:
Ядерный реактор цилиндрической формы. Основной корпус реактора закрыт активной зоной, отражателем и тепловой защитой. Это предотвратит нагрев стенки реактора. Он также используется для защиты альфа (α), бита (β), гамма (γ) лучей и нейтронов, которые отскакивают во время деления внутри реактора. В основном ядерный реактор состоит из топливных стержней из урана, замедлителя и управляющих стержней. Топливные стержни изготовлены из делящихся материалов и выделяют большое количество энергии в момент бомбардировки медленно движущимися нейтронами. Замедлитель состоит из графита, который заключен в твэлы. Замедлитель поддерживает цепную реакцию, высвобождая нейтроны соответствующим образом, прежде чем они смешаются с делящимися материалами. Стержни управления изготовлены из бора-10 и кадмия или гафния, который является сильным поглотителем нейтронов, и вставляется в ядерный реактор. Когда регулирующие стержни вдавливаются в активную зону реактора, она поглощает большую часть нейтронов деления, и мощность реактора снижается. Но когда он вырывается из реактора, он высвобождает нейтроны деления и мощность увеличивается. Реальная практика, это расположение зависит от требований нагрузки. Хладагент, в основном металлический натрий, используется для уменьшения тепловыделения в реакторе и переносит тепло в теплообменник.
2. Теплообменник:-
Охлаждающая жидкость используется для повышения тепла теплообменника, которое используется для поднятия пара. После этого он возвращается в реактор.
3. Паровая турбина:-
Пар поступает из теплообменника в паровую турбину через клапан. После этого пар отводится в конденсатор. Этот сконденсированный пар подается в теплообменник через насос питательной воды.
4. Генератор переменного тока: —
Паровая турбина соединена с генератором переменного тока, который преобразует механическую энергию в электрическую. Выход генератора переменного тока вырабатывает электрическую энергию для сборных шин через основные электрические устройства, такие как трансформатор, автоматические выключатели, изоляторы и т.