Общая энергетика


   Е. В. Барочкин, М. Ю. Зорин, А. Е. Барочкин












                ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА





Под редакцией доктора технических наук, профессора Е. В. Барочкина

Издание 3-е, переработанное и дополненное




Допущено УМО вузов России по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»








Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.311.22
ББК 31.3
    Б24

         Печатается по решению редакционно-издательского совета ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина»



Рецензенты :
канд. техн. наук, доцент А. Ю. Мурзин (ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет им. В. И. Ленина»); канд. техн. наук, доцент В. Н. Виноградов (ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет им. В. И. Ленина»)

Научный редактор: канд. техн. наук, доцент В. Н. Виноградов




      Барочкин, Е. В.
Б24    Общая энергетика : учебное пособие / Е. В. Барочкин, М. Ю. Зо      рин, А. Е. Барочкин. - Под ред. д. т. н., проф. Е. В. Барочкина -3-е изд., перераб. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 316 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0759-5



   Рассмотрены основные положения технической термодинамики, теории теплообмена, устройства основных элементов теплоэнергетического оборудования тепловых и атомных электрических станций. Даны основные сведения о составе и свойствах органического топлива. Показаны принципы работы котельного и турбинного оборудования. Приведены данные по экологическим проблемам, связанным с производством электрической и тепловой энергии.
   Для студентов электроэнергетических направлений подготовки всех форм обучения. Издание может быть полезно специалистам энергетических предприятий.
УДК 621.311.22
                                                     ББК 31.3







ISBN 978-5-9729-0759-5  © Е. В. Барочкин, М. Ю. Зорин, А. Е. Барочкин, 2021
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

            ПРЕДИСЛОВИЕ


   Учебное пособие «Общая энергетика» предназначено для студентов высших учебных заведений, изучающих одноименную общеинженерную профессиональную дисциплину, и в первую очередь для бакалавров направления подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника» профилей: «Высоковольтная электроэнергетика и электротехника»; «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем»; «Электрические станции»; «Электроэнергетические системы и сети» и др., а также направления подготовки 080200 «Менеджмент».
   Кроме того, учебное пособие по «Общей энергетике» может быть полезно студентам других направлений подготовки, которые изучают смежные дисциплины.
   В первых двух разделах учебного пособия даны краткие сведения о технической термодинамике и основах теории теплообмена, без знания которых трудно понять принципы работы основного и вспомогательного оборудования электростанций. В третьем разделе приведены основные сведения о составе и свойствах органического топлива. В четвертом и пятом разделах рассмотрено основное оборудование тепловых электрических станций: паровые котлы и паровые турбины. Показаны принципы работы котельного и турбинного оборудования. Шестой раздел посвящен рассмотрению работы паротурбинных ТЭС на органическом топливе, а также устройству и конструкциям вспомогательного теплообменного и насосного оборудования электростанций. Здесь же приведены данные по экологическим проблемам, связанным с производством электрической и тепловой энергии. Седьмой и восьмой разделы посвящены развитию новых газотурбинных и парогазовых технологий производства электроэнергии. В девятом разделе рассмотрены типы атомных электрических станций, приведены данные о трех основных типах ядер-ных энергетических реакторов.
   Учитывая важную роль дисциплины в формировании специалиста, авторы настоящего издания попытались обобщить многолетний опыт преподавания дисциплин в Ивановском государственном энергетическом университете, уделив особое внимание основополагающим понятиям, определениям, положениям.
   При подготовке учебного пособия не ставилась задача изложить всё то, что охватывают профессиональные дисциплины для направления подготовки 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника»).

3

   Тем не менее авторы стремились изложить материал с объяснением физической сути явлений и процессов, происходящих в технологическом цикле преобразования энергии топлива в электрическую энергию на паротурбинных, парогазовых и атомных электростанциях. При описании технологических процессов приведены важные количественные характеристики теплоэнергетического оборудования, такие как коэффициент полезного действия, удельный расход топлива, единичная мощность оборудования, начальные и конечные параметры теплоносителей на входе и выходе из теплоэнергетического оборудования и др.
   Авторы надеются, что это издание даст читателю основные представления о составе и назначении основного оборудования тепловых электрических станций (ТЭС, АЭС, ПГУ), технологических процессах, протекающих в них, и будет полезно как студентам, изучающим дисциплину «Общая энергетика», так и специалистам энергетических предприятий.
   Предисловие, введение и разделы III, IV написаны д-м техн. наук, профессором Е. В. Барочкиным, разделы I, II и VI -Е. В. Барочкиным и канд. техн. наук, доцентом М. Ю. Зориным, разделы V, VII, VIII и IX - Е. В. Барочкиным и канд. техн. наук, доцентом А. Е. Барочкиным.
   Общая редакция книги и компьютерная верстка выполнены проф. Е.В. Барочкиным.
   Авторы выражают глубокую благодарность доценту кафедры ХХТЭ ИГЭУ канд. техн. наук В. Н. Виноградову за ценные советы, которые были учтены при работе над курсом лекций.
   Авторы выражают искреннюю признательность доценту кафедры электрических станций, подстанций и диагностики электрооборудования канд. техн. наук В. М. Лапшину за ценные замечания и пожелания при работе над рукописью, а также редакционно-издательскому отделу ИГЭУ за подготовку рукописи к изданию.

            Доктор технических наук, профессор Е. В. Барочкин

4

ВВЕДЕНИЕ
   Энергетика - базовая отрасль России, обеспечивающая потребности экономики и населения страны в электрической и тепловой энергии и во многом определяющая устойчивое развитие всех отраслей экономики страны.
   Энергетика создает предпосылки для применения новых технологий, обеспечивает наряду с другими факторами современный уровень жизни населения страны. Вместе с тем она оказывает заметное влияние на окружающую среду, являясь одним из основных потребителей первичных энергоресурсов - органического и ядерного топлива, гидроресурсов, осуществляя при производстве электрической и тепловой энергии значительные выбросы теплоты, продуктов сгорания топлива, шумовые воздействия, которые вредно влияют на человека и окружающую природу.
   Ключевым элементом электроэнергетики является электростанция - преобразователь какой-либо первичной энергии в электрическую. Электростанции принято классифицировать по виду используемой первичной энергии и виду применяемых преобразователей.
   Тепловая электростанция (ТЭС) на органическом топливе преобразует химическую энергию топлива (угля, нефти, газа) в электрическую энергию и теплоту. По виду отпускаемой энергии (энергетическому назначению) различают конденсационные электростанции (КЭС), отпускающие энергию одного вида - электрическую, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), отпускающие потребителям электроэнергию и тепловую энергию с паром или горячей водой. По типу основного двигателя для привода электрогенератора различают ТЭС с паровыми и газовыми турбинами (паротурбинные и газотурбинные электростанции). В России наибольшее распространение получили паротурбинные станции. Тепловые электрические станции в современном виде начали развиваться с 20-х годов XX века.
   В 50-х годах прошлого столетия появились тепловые электростанции, которые преобразуют энергию расщепления ядер атомов тяжелых элементов в электрическую энергию и которые получили название атомные электрические станции (АЭС). АЭС, отпускающие потребителям электрическую и тепловую энергию, называют атомными теплоэлектроцентралями (АТЭЦ). Так же как и ТЭС на органическом топливе, АЭС являются паротурбинными станциями.

5

   В последние годы в России все большее распространение получают ТЭС, которые реализуют парогазовый цикл преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию. Парогазовые установки (ПГУ) имеют в своем составе паровые и газовые турбины, что позволяет получить заметно более высокий КПД (примерно в 1,2 - 1,5 раза) при преобразовании химической энергии топлива в электрическую по сравнению с традиционными паротурбинными электростанциями.
   Гидроэлектростанции (ГЭС) преобразуют механическую энергию водного потока в электрическую. Разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), потребляющие электроэнергию в периоды снижения электрических нагрузок (ночью) и вырабатывающие ее в периоды максимальных нагрузок, и приливные электростанции (ПЭС), использующие энергию приливов и отливов океанских вод.
   В настоящее время продолжается развитие так называемых нетрадиционных источников электроэнергии. Вводятся в эксплуатацию электростанции, использующие энергию воздушных потоков (ветровые электростанции), солнечного излучения (гелиоэлектростанции), тепловую энергию подземных термальных вод (геотермальные электростанции) и др. Рассмотрим более подробно термины «традиционная» и «нетрадиционная» электроэнергетика.
   Традиционная электроэнергетика основана на использовании энергии органических топлив (теплоэнергетика), энергии воды (гидроэнергетика) и ядерного горючего (атомная энергетика). Характерная черта традиционной электроэнергетики - хорошая освоенность оборудования на основе длительной проверки в условиях эксплуатации. Основную долю электроэнергии в мире и России получают на базе традиционных ТЭС, мощность которых часто превышает 2 000 - 3 000 МВт. Самыми «молодыми» в традиционной энергетике России являются ТЭС с парогазовыми установками (ПГУ), «возраст» которых чуть больше 10 лет.
   Нетрадиционная электроэнергетика большей частью также основана на традиционных принципах, но здесь первичной энергией служат либо источники местного значения (ветровые электростанции, солнечные электростанции, малые гидроэлектростанции, биоэнергетические установки и др.), либо источники, находящиеся в стадии освоения (например, топливные элементы), либо источники будущего (водородная и термоядерная энергетика).

6

   Характерными признаками нетрадиционной энергетики являются: экологическая чистота, существенно большие удельные затраты на строительство 1 МВт установленной мощности и малая единичная мощность отдельных установок.
   Тепловые электрические станции в России традиционно разделяются на государственные районные электрические станции (ГРЭС), отпускающие только электрическую энергию, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые отпускают тепловую и электрическую энергию для потребителей. Имеется группа промышленных ТЭЦ, обеспечивающих в первую очередь электроэнергией и теплом промышленные предприятия, в состав которых они входят.
   На ГРЭС основное оборудование устанавливается блочно, как правило, по схеме «один котлоагрегат - один турбоагрегат». Обычно по блочному типу организуются мощные конденсационные энергоблоки ГРЭС единичной мощностью 150, 200, 300, 500, 800, 1200 МВт или мощные теплофикационные энергоблоки, например, с турбиной Т-250-23,5. Энергоблоки делятся на паротурбинные, газотурбинные и парогазовые и, кроме того, на конденсационные и теплофикационные (в первую очередь, это относится к ПТУ). По давлению острого пара на выходе из котлоагрегата ТЭС разделяются на электростанции низкого (до 1,4 МПа), среднего (до 4,0 МПа), высокого (10,0 МПа), сверхвысокого (14,0 МПа) и сверхкритического (23,5 МПа) давления. Проектируется паротурбинное оборудование на давление острого пара до 32 МПа.
   На рис. В 1 приведена классификация ТЭС и энергоблоков.
   Компоновка оборудования ТЭЦ, как правило, выполняется с параллельными связями по пару и питательной воде, что означает наличие общестанционных трубопроводов, по которым возможна подача пара от любого котла к любой турбине.
   В настоящее время основу производственного потенциала российской электроэнергетики составляют более 400 электростанций общей мощностью более 220 млн кВт. В структуре генерирующих мощностей электростанций преобладают тепловые электростанции, доля которых в установленной мощности составляет около 70 %, атомных примерно - 10 % и гидравлических - 20 %. Основная часть мощностей ТЭС европейской части страны, включая Урал, работает на природном газе и мазуте, а в восточных районах страны более 80 % электростанций на органическом топливе потребляют уголь.

7

Рис. В 1. Классификация ТЭС

   Самой крупной ТЭС на органическом топливе в мире является Сургутская ГРЭС-2 установленной мощностью 4,8 млн кВт, работающая на природном газе. На этой электростанции установлено 6 энергоблоков по 800 МВт. Среди электростанций, работающих на угле, наибольшая установленная мощность у Рефтинской ГРЭС (3,8 млн кВт).
   В структуре топливоснабжения электростанций России основную долю занимает газ (около 70 %), уголь - 27 % и мазут -3 %. На тепловых электростанциях работают крупные энергоблоки мощностью 150 - 1 200 МВт, в том числе 37 энергоблоков мощностью по 150 МВт, 78 - по 200 МВт, 15 - по 800 МВт, 1 энергоблок - 1 200 МВт, а также 21 энергоблок с теплофикационными турбинами мощностью по 250 МВт.
   Доля мощности теплофикационных турбин составляет около 50 % общей электрической мощности тЭс России, а выработка электроэнергии ТЭЦ составляет более 40 % от общей выработки электроэнергии. Следует отметить существенную роль в обеспечении энергобезопасности России атомных электрических станций. В настоящее время в Российской Федерации работают 10 атомных электрических станций, на которых установлено 38 энергоблоков.
   Наша страна занимает 4-е место в мире по установленной мощности атомных электростанций, уступая США, Франции и Японии.

8

   Во втором десятилетии XXI века в Российской Федерации предусмотрено масштабное строительство новых атомных электростанций и ввод новых блоков на площадках работающих АЭС. В числе строящихся новых объектов ядерной энергетики следует отметить Ленинградскую атомную электростанцию-2 (Ленинградская АЭС-2) в городе Сосновый Бор Ленинградской области. Площадка строительства станции расположена в 35 км западнее границы Санкт-Петербурга. Ввод в эксплуатацию первого энергоблока выполнен 9 марта 2018 г, второго блок подключен к энергосистеме 22.10.2020 г., ввод в эксплуатацию третьего и четвертого энергоблоков наметен на 2022-2024 гг.
   Электрическая мощность каждого энергоблока типа ВВЭР-1 200 определена в 1 187 МВт, теплофикационная - 250 Гкал/ч. Расчетный срок службы ЛАЭС-2 - 50 лет, основного оборудования -60 лет.
   В последующие годы развитие мощностей на существующих и вновь вводимых тепловых электростанциях должно осуществляться только за счет использования новых технологий. Для электростанций, работающих на газе, такими технологиями являются: парогазовый цикл, газотурбинные надстройки паросиловых блоков и газовые турбины с утилизацией тепла; на электростанциях, работающих на твердом топливе, - экологически чистые технологии его сжигания в паротурбинном цикле, а позже - в парогазовых установках с газификацией угля.
   Магистральным направлением развития крупных конденсационных электростанций должно стать внедрение высокоэкономичных парогазовых установок на площадках действующих газомазутных электростанций без увеличения объемов используемого природного газа на ТЭС. Выработавшее свой ресурс паросиловое оборудование конденсационных электростанций при этом демонтируется.
   Одновременно должна быть увеличена доля угольных ГРЭС из расчета примерного удвоения их мощности к 2025 году, что позволит заметно увеличить долю угля в структуре топливоснабжения электростанций России.
   На ТЭЦ необходимо резко увеличить долю парогазовых и сократить долю паротурбинных ТЭЦ на природном газе. Кроме того, могут получить развитие ТЭЦ малой мощности на газе, ориентированные на использование газотурбинных установок.

9

            Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ


1.1. Предмет и метод технической термодинамики
   Техническая термодинамика составляет один из разделов теоретических основ теплотехники. Термодинамика - это наука об энергии и энергетических преобразованиях. Первоначально она создавалась как наука о преобразовании теплоты в механическую работу в тепловых машинах. Первым научным трудом, посвященным этому вопросу, по праву считается брошюра французского инженера Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.).
   Термин «термодинамика» введен в 1854 году английским физиком Уильямом Томсоном (1824-1907), получившим за выдающиеся научные заслуги титул лорда Кельвина. Термин составлен из греческих слов thermos - теплота и dynamikos - силовой.
   Современная термодинамика изучает превращения энергии во всех её формах. Переход энергии от одного тела к другому и все превращения форм энергии происходят при взаимодействии тел. Количественной мерой взаимодействия является работа (механических сил, электрических сил и т.д.). Теплота также является мерой энергетических взаимодействий.
   В отличие от многих областей физики термодинамика не оперирует какими-либо моделями строения вещества и вообще не связана с представлением о микроструктуре вещества. Для описания процессов обмена энергией и свойств различных тел в термодинамике используются физические понятия и величины, характеризующие итоговые результаты действия огромного числа микрочастиц вещества и могут быть непосредственно измерены, или вычислены по термодинамическим соотношениям с использованием измеренных величин. Такие величины называются феноменологическими или термодинамическими. Термодинамическими величинами, например, являются температура, давление, плотность. Большую роль в процессе совершения работы играют газ либо пар - рабочие тела тепловых машин. В соответствии с условиями изменения состояния рабочего тела и его энергетического взаимодействия с окружающей средой в технической термодинамике изучаются термодинамические системы, а также термодинамические процессы или изменения состояния термодинамической системы. При этом устанавливаются соотношения между физическими величинами, которые характеризуют систему и изменение её состояния.

10