Тепловые электрические станции. Схемы и оборудование


    ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ

    серия основана в 1 996 г.




        А.А. КУДИНОВ


ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ Схемы и оборудование


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ



                                Допущено УМО вузов России по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»



znanium.com
электронно-библиотечная система

Москва
ИНФРА-М


2024

УДК 621.31(075.8)
ББК 31.37я73

     К88





     Рецензенты:
        А.С. Седлов, зав. кафедрой «Тепловые электрические станции» Московского энергетического института (технического университета), д-р техн. наук, профессор;
        Н.Д. Чичирова, зав. кафедрой «Тепловые электрические станции» Казанского энергетического университета, д-р хим. наук, профессор





     Кудинов А.А.
К88 Тепловые электрические станции. Схемы и оборудование : учебное пособие / А.А. Кудинов. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 325 с. — (Высшее образование).

         ISBN 978-5-16-019521-6 (print)
         ISBN 978-5-16-102017-3 (online)

          Изложены основы теории повышения тепловой экономичности электростанций за счет применения пара высоких и сверхвысоких параметров, комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, регенеративного подогрева питательной воды, промежуточного перегрева пара, использования газотурбинных и парогазовых установок. Описаны принципиальные тепловые схемы современных ТЭС, освещены вопросы выбора основного и вспомогательного оборудования, расчета тепловых схем, компоновки главного здания, технического водоснабжения и подготовки добавочной воды, топливного хозяйства и очистки уходящих газов.
          Для студентов энергетических вузов и специальностей, а также инженерно-технических работников электростанций.


УДК 621.31(075.8)
ББК 31.37я73







ISBN 978-5-16-019521-6 (print)
ISBN 978-5-16-102017-3 (online)

© Кудинов А.А., 2012

        ПРЕДИСЛОВИЕ


   Учебное пособие предназначено для студентов теплоэнергетических факультетов направления 140100 - Теплоэнергетика и теплотехника (профили «Тепловые электрические станции», «Технология воды и топлива на ТЭС и АЭС») в соответствии с содержанием дисциплины «Тепловые электрические станции» (116 ч аудиторных занятий, включая лекции, практику и лабораторные занятия). Курс «Тепловые электрические станции» является базовым в системе подготовки специалистов указанного профиля.
   В книге изложены основы теории повышения тепловой экономичности электростанций за счет применения пара высоких и сверхвысоких параметров, комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, регенеративного подогрева питательной воды, промежуточного перегрева пара, использования газотурбинных и парогазовых установок. Описаны принципиальные тепловые схемы современных ТЭС, освещены вопросы выбора основного и вспомогательного оборудования, расчета тепловых схем, компоновки главного здания, технического водоснабжения и подготовки добавочной воды, ведения топливного хозяйства и очистки уходящих газов.
   Предлагаемое читателю учебное пособие написано в соответствии с курсом «Тепловые электрические станции» и может быть использовано также при изучении ряда смежных дисциплин, таких как «Тепломеханическое и вспомогательное оборудование электростанций», «Газотурбинные и парогазовые ТЭС», «Режимы работы и эксплуатация ТЭС», «Расчет тепловых схем и проектирование ТЭС». Материал пособия изложен в наиболее простой и доступной форме при сохранении научной строгости. Большое внимание уделено физической трактовке рассматриваемых явлений и их техническому приложению.
   Отдельная глава посвящена газотурбинным и парогазовым установкам и тепловым электростанциям на базе этих технологий. Применение парогазовых установок с различными вариантами схем для 3

строительства новых и модернизации существующих тепловых электростанций является одним из основных направлений развития современной энергетики в соответствии с энергетической стратегией развития России на период до 2030 г. Переход на парогазовые и газовые циклы в России планируется путем создания газотурбинных установок мощностью 300-350 МВт и на их основе строительства высокоэффективных конденсационных парогазовых установок мощностью 500-1000 МВт, работающих на природном газе с коэффициентом полезного действия, превышающим 60%. Одновременно будут создаваться экологически чистые парогазовые установки мощностью 200-600 МВт с газификацией твердого топлива с коэффициентом полезного действия 50-52% и парогазовые установки на угольном синтез-газе.
   Предполагается, что студент изучил курсы «Водоподготовка», «Котельные установки и парогенераторы», «Турбины ТЭС и АЭС», «Природоохранные технологии на ТЭС», знаком с основами гидрогазодинамики, термодинамики и тепломассообмена.
   Настоящее издание разработано на кафедре «Тепловые электрические станции» Самарского государственного технического университета и, по мнению автора, дополняет фундаментальные учебники В.Я. Рыжкина «Тепловые электрические станции» (1987), Л.С. Стермана, В.М. Лавыгина, С.Г. Тишина «Тепловые и атомные электростанции» (2008) и В.Д. Бурова, Е.В. Дорохова, Д.П. Елизарова и др. «Тепловые электрические станции» (2007), по которым читается курс в МЭИ (ТУ) и других вузах.
   Автор пособия выражает благодарность д.т.н., профессору, зам. председателя УМО вузов РФ по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» В.М. Лавыгину за ценные критические замечания, способствующие улучшению настоящего издания.
   Автор будет весьма благодарен за критические замечания и пожелания, которые возникнут у читателя. Отзывы и пожелания просим направлять по адресу: 127282, Москва, Полярная ул., 31В, стр.1, ООО «Издательство ИНФРА-М».

        ВВЕДЕНИЕ

          1. Особенности функционирования энергетики в природно-климатических условиях России

   Основными особенностями территории России являются северное расположение и большая протяженность границ. В то же время более 90% населения РФ проживает в узкой полосе наиболее комфортных климатических условий шириной до 100 км на востоке и до 1000 км на западе; здесь же расположены основные промышленные зоны и размещается 70% мощностей ТЭС.
   При этом основные разрабатываемые и перспективные нефтяные и газовые месторождения, значительная часть угольных бассейнов России находятся на широте Гренландии (90% добычи газа и 75% - нефти). Северное расположение газовых и нефтяных месторождений, неблагоприятные климатические условия восточносибирских угольных бассейнов определяют повышенные затраты на их разведку, обустройство и транспорт, а также на эксплуатацию добывающих предприятий.
   Удаленность ТЭС от мест добычи топлива, потребителей электроэнергии от ТЭС вызывает значительные экологические проблемы, связанные с транспортом энергоносителей и выработанной энергии. Непроизводительные потери электроэнергии при передаче ее на большие расстояния и распределении приводят к перерасходу топлива на энергоснабжение. Потери в ЛЭП составляют в среднем 9-10% передаваемой энергии, в распределительных сетях теряется 15-20% энергии. В Западной Европе эти показатели в целом не превышают 6-8%.
   Наличие обширных слабо освоенных территорий на севере и востоке страны с неразвитыми транспортными связями, приводит к тому, что в районах со слаборазвитой инфраструктурой, занимающих около 60% территории страны, осуществляется децентрализованное энергоснабжение. Здесь вырабатывается около 11% всей энергии. В качестве изолированных источников энергии используются маломощные ТЭЦ, дизельные и газотурбинные электростанции (стационарные и передвижные), индивидуальные котельные, экономичность которых низка. Так, удельный расход топлива на выработку электроэнергии ДВС составляет 360-480 г у.т./(кВт-ч), на производство тепловой энергии - 240-320 кг у.т./Гкал. Увеличенный расход топлива, низкие дымовые трубы указанных источников при малой устойчивости территории северных районов к техногенному воздействию приводят к неблагоприятным локальным экологическим последствиям.


5

2. Ресурсная обеспеченность энергетики России


   На территории России сосредоточено 23% разведанных мировых запасов природного газа, 13% нефти, 19% угля. Полная самообеспеченность страны топливными ресурсами, в том числе крупнейшими в мире запасами природного газа, позволяет Правительству РФ проводить стабильную топливную политику, предусматривающую оптимальную структуру топливного баланса отрасли в целом и каждой отдельной ТЭС.
   Газификация энергетики с доведением доли природного газа в топливном балансе отрасли до 65% обеспечила технические условия стабилизации топливоснабжения. При этом перевод большого числа ТЭС на природный газ был осуществлен при сохранении существующего основного оборудования. 26% потребности ТЭС в топливе покрывается углем. В европейской части страны на ТЭС сжигаются в основном печерские, интинские, воркутинские, подмосковные угли. Помимо этого, используются кузнецкие, канско-ачинские угли - более экологически и экономически выгодные. Обеспеченность России природным газом, наряду с огромными запасами угля, ставит задачу оптимизации сочетания этих двух энергоносителей с учетом ограничений, связанных с экспортом газа.
   Развитие добычи природного и попутного газа в шельфовой зоне Севера России и Сахалина окажет существенное влияние на дислокацию новых крупных энергопредприятий в регионах, прилежащих к океанским побережьям, где развитие энергетики сдерживается отсутствием собственных топливных ресурсов. Выявлено 29 крупнейших газовых и нефтяных месторождений, в том числе супергигантские газовые Штокмановское, Русановское, Ленинградское в Западной Арктике, несколько крупных месторождений нефти на северовосточном шельфе Сахалина.
   Изобилие водных ресурсов России породило преимущественно экстенсивные формы их использования. Речной сток на территории России - один из наиболее значительных в мире. Однако неравномерность его распределения по территории страны создает дефицит пресной воды, сдерживающий развитие промышленного и аграрного секторов. Вода стала важнейшим сырьем, потребление которого непрерывно растет. Для энергетики России наиболее значительным ресурсным ограничением является неравномерность распределения водных ресурсов по территории страны, чрезвычайная ограниченность водообеспечения в промышленно развитых районах. Водный фактор оказывается во многих случаях лимитирующим фактором развития энергетики в отдельных регионах.

6

   3. Перспектива развития энергетики России

   Развитие промышленности в России в двадцатом веке осуществлялось по экстенсивному пути - рост объемов промышленного и сельскохозяйственного производства как главнейший показатель темпов и уровня развития народного хозяйства в плановой экономике достигался расточительным использованием природных ресурсов (топлива, земли, воды, воздуха). В целом характерная для России форсированная эксплуатация природных ресурсов (минеральных, земельных, водных, лесных) приводит к их количественному и качественному истощению. Сырьевая ориентация экспорта ускоряет истощение невозобновляемых топливных ресурсов и формирует сложные экологические проблемы в добывающих районах (Кузбасс, Оренбургский и Астраханский газовые комплексы, газовые месторождения полуострова Ямал и Надым-Пур-Тазовского региона).
   Интенсивное развитие комбинированной выработки тепловой и электрической энергии в предшествующие годы на базе паротурбинных ТЭЦ в настоящее время связывается со следующими направлениями развития Российской энергетики:
   •    создание конденсационных парогазовых установок мощностью 500-1000 МВт, работающих на природном газе, с КПД выше 60%;
   •    разработка и создание экологически чистых угольных конденсационных энергоблоков на суперсверхкритические параметры пара с КПД 43-46% мощностью 660-800 МВт;
   •    развитие автономных генерирующих энергоустановок мощностью до 150 МВт и малых ТЭЦ мощностью 15-25 МВт на базе парогазовых установок, не уступающих по экономичности мощным ТЭС при меньших потерях в сетях и большей гибкости в регулировании энергоснабжения;
   •    разработка и внедрение парогазовых установок мощностью 200-600 МВт с КПД 50-52%, работающих на угольном синтез-газе;
   •    создание электрического транзита ультравысокого напряжения постоянного и переменного тока Сибирь - Урал - европейская часть России;
   •    использование низкотемпературных сверхпроводниковых индукционных накопителей электрической энергии для электрических сетей и гарантированного электроснабжения ответственных потребителей.

Глава 1

        ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ.
        ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. Классификация электрических станций

   Электрической станцией называется комплекс оборудования и устройств, предназначенных для преобразования энергии природного источника в электрическую энергию и теплоту.
   По виду используемой природной энергии электрические станции бывают:
     а)      гидроэлектростанции (ГЭС), вырабатывающие электрическую энергию за счет механической энергии воды рек;
     б)      тепловые электрические станции (ТЭС), использующие органическое топливо;
     в)      атомные электростанции (АЭС), использующие атомную энергию.
   Тепловые электрические станции классифицируют по следующим признакам.
   1. По виду отпускаемой энергии:
     а)      конденсационные тепловые электрические станции (КЭС), отпускающие только электрическую энергию;
     б)      теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - тепловые электростанции, отпускающие электрическую и тепловую энергию. Тепловая энергия отпускается в виде отработавшего пара или газа теплового двигателя.
   2. По виду теплового двигателя:
     а)      электростанции с паровыми турбинами - паротурбинные ТЭС (основной вид ТЭС);
     б)      электростанции с газовыми турбинами - газотурбинные ТЭС;
     в)      электростанции с парогазовыми установками - парогазовые ТЭС;
     г)     электростанции с двигателями внутреннего сгорания - ДЭС.
   3. По назначению:
     а)      районные электростанции общего пользования: конденсационные электростанции - ГРЭС: теплоэлектроцентрали - ТЭЦ; коммунальные электростанции;
     б)      промышленные электростанции, входящие в состав производственных предприятий.
   Паротурбинные электростанции разделяют по следующим признакам (условно, так как параметры пара и мощности агрегатов и


8

ТЭС возрастают):
   1)    по суммарной мощности установленных агрегатов: малой мощности с агрегатами до 100 МВт; средней - 100-1000 МВт; большой - более 1000 МВт;
   2)    по давлению свежего пара низкого давления - до 30 кгс/см²; среднего - 30-50 кгс/см²; высокого - 90-170 кгс/см²; сверхкритического - 245 кгс/см² (ркр = 225,5 кгс/см² (22,12 МПа), 1кр = 374,16 °C);
   3)   по схеме соединений парогенераторов и турбоагрегатов ТЭС:
     а)      блочные электростанции, когда каждый турбоагрегат присоединяется к одному или двум определенным парогенераторам (при мощности турбоагрегатов 150 МВт и выше);
     б)      неблочные электростанции с поперечными связями, когда все парогенераторы и турбины присоединены к общим паровым магистралям;
   4)    по типу компоновки оборудования и здания: ТЭС закрытого, открытого и полуоткрытого типов.
   Тепловые электростанции обычно работают совместно с другими электростанциями. Энергосистемой называют совокупность электростанций и подстанций, соединенных между собой линиями электропередачи и имеющих общее централизованное управление.
   В РФ создана единая энергетическая система (ЕЭС), включающая объединенные энергосистемы Центра, Юга, Волги, Северо-Запада, Кавказа, Урала и Сибири.
   Промышленными называются электростанции, предназначенные в основном для энергоснабжения предприятий и прилегающих к ним районов. Для них характерны:
   1)    двусторонняя связь электростанции с основными технологическими агрегатами (ТЭС являются источниками электроэнергии и тепла для предприятий и потребителями горючих отходов производства и вторичных энергоресурсов);
   2)    объединение ряда устройств электростанции и предприятия в единую систему (топливное хозяйство, система водоснабжения, транспортные устройства, ремонтные мастерские и др.);
   3)    наличие на ряде электростанций паровых турбин для привода нагнетателей воздуха и кислорода. Мощные турбокомпрессоры (до 32 МВт), предназначенные для подачи сжатого воздуха в доменные печи (ТЭЦ металлургических, машиностроительных и химических заводов), которые в этих случаях называют паровоздуходувными станциями (ПВС) или ТЭЦ-ПВС.

9

1.2. Потребление энергии


   Потребление электрической и тепловой энергии изменяется во времени: в течение суток, недели, года. Графическое изображение изменения нагрузки ТЭС во времени называют графиком нагрузки. Большое значение для ТЭС имеют суточные графики нагрузок: зимний, летний, весенний и осенний за рабочие сутки (в начале, в середине и в конце недели) и аналогично за нерабочие сутки.
   1. Потребление электроэнергии.
   Форма суточного графика электронагрузки зависит от времени года, соотношения потребления промышленными и осветительнобытовыми установками, от числа смен работы предприятий. Типичный график изменения электрической нагрузки в рабочие и нерабочие дни недели для района с высокой промышленной нагрузкой приведен на рис. 1.1. В нерабочие дни электрическая нагрузка значительно ниже, при этом максимум электрической нагрузки в воскресенье (когда нагрузка может быть особенно низкой) для промышленного района может составлять 0,5-0,6 Nэ.макс в рабочие дни недели.

Рис. 1.1. Типичный график изменения электрической нагрузки в рабочие и нерабочие дни недели

   Наряду с суточными графиками большое значение имеют годовые графики электрической нагрузки, которые строятся по данным суточных графиков. На рис. 1.2 приведен типичный годовой график изменения продолжительности электрической нагрузки.


10