«Виробництво електричної енергії» для студентів спеціальності 6

Міністерство освіти України Криворізький технічний університет Кафедра електропостачання та ресурсозбереження Методичні вказівки до виконання лабораторних та практичних робіт з дисципліни «Виробництво електричної енергії» для студентів спеціальності 6.090603 «Електротехнічні системи електроспоживання»Кривий Ріг 2009Укладач: ст. викладач кафедри ЕПР Пархоменко Р. ОРецензенти: Гузов Е.С., канд. техн. наук, доц., Харітонов О.О., ст. викладач Відповідальний за випуск: Луценко І.А., канд. техн. наук Наведено систематизований матеріал про технологічні особливості виробництва електричної і теплової енергії з використанням органічного палива та подано основні напрями розвитку нетрадиційних джерел електричної енергії, і про комплексні методи та перспективні напрямки підвищення енергетичної ефективності й екологічної безпеки енергетичних об’ктів. Методичні вказівки до виконання лабораторних та практичних робіт стане в нагоді студентам спеціальності «Електротехнічні системи електроспоживання» під час опрацювання матеріалу. Розглянуто на засіданні кафедри ЕЕ.Протокол № _ від __. __. 200_ р. Схвалено на вченій раді електро-технічного факультету.Протокол № _ від __.__.200_р. ^ Теми практичних (семінарських) робіт 1. Колометричне визначення якості теплоносіїв. 2. Властивості перетворювачів енергії. 3. Режими роботи електростанцій. Тепло- та атомні електростанції. 4. Вибір джерел енергії. Використання нетрадиційних джерел енергії на Україні. 5. Режими роботи електростанцій. Сонце- та вітроелектростанції. 6. Режими роботи електростанцій. Гідро- та гідроакамулюючі електростанції. 7. Керування електроспоживанням та його прогнозування. 8. Паливно-енергетичні проблеми енергетики України та шляхи їх подолання. 9. Територіально-галузева структура паливно-енергетичного комплексу. ^ Лабораторна робота № 1Тема: Складові частини енергогенерувальних установок. Котельні установки.Мета роботи: вивчити конструктивне виконання та принцип дії котельних установок як однієї з основних складових енергогенерувальних установок. 1. Котельні установки^ Котельною установкою називають конструктивно об'єднаний в єдине ціле комплекс котельного агрегату та допоміжного обладнання. Котельний агрегат являє собою сукупність пристроїв, механізмів та елементів, об'єднаних між собою для виробництва водяної пари або теплої води потріб­них параметрів. До допоміжного обладнання належать вентилятори, димо­соси, хімводоочищення, системи підготовки і подачі палива та золошлако-видалення, обладнання для очищення димових газів, димова труба тощо. Залежно від виду виробленого робочого тіла котельні установки під­розділяють на парові, що виробляють водяну пару потрібних параметрів, і водогрійні, що видають гарячу воду визначеної температури та тиску. За призначенням котельні установки поділяють на енергетичні, про­мислові, опалювально-промислові та опалювальні. В енергетичних котель­них установках виробляють пару високого (р Виробничі котельні установки призначено для одержання водяної пари або гарячої води на різні технологічні потреби. В опалювальних котельних установках виробляють водяну пару низького тиску або нагрівають воду лише для опалення, вентиляції і гарячого водопостачання житлових бу­динків і виробничих споруд. Важливою ознакою класифікації котельних установок є розміщення в них продуктів горіння палива і робочого тіла (води, водяної пари). Ко­тельні установки, у яких продукти горіння рухаються в трубках, а вода -ззовні труб, називають газотрубними, інакше - водотрубними (вода ру­хається в трубках, а гази - ззовні). Опалювальні й опалювально-промислові котельні установки можуть бути газотрубні і водотрубні, для енергетичних цілей використовують лише водотрубні котли. Важливою ознакою, за якою класифікують парові котельні установки, є спосіб руху в них робочого тіла. За цією ознакою вони можуть бути з природною, примусовою та комбінованою циркуляцією. Джерелом теплової енергії в котельних установках є органічне пали­во. Робочим тілом є вода, в окремих випадках використовують органічні висококиплячі рідини, наприклад даутерм, дифеніг та ін. Застосування останніх зумовлене їх особливими теплофізичними властивостями, на­самперед високою температурою кипіння і конденсації при низькому (порівняно з водою) тиску. Це дозволяє підвищити ККД бінарного циклу, у якому водяна пара забезпечує можливість використання нижньої тем­пературної границі, а органічні рідини - верхньої. Робочий процес у котельних установках складається з таких кінцевих стадій: горіння палива; теплопередача від гарячих димових газів до води або пари; 3) пароутворення (нагрівання води до кипіння і її випаровування) і перегрів насиченої пари. Котельна установка складається з котла відповідного типу і допоміж­ного устаткування, що забезпечує його роботу. Основними елементами котла є топка і теплообмінні поверхні. Взаєм­не розміщення топки і газоходів, у яких знаходяться теплообмінні поверх­ні нагріву, тобто компоновка котла визначається властивостями палива, паровою потужністю і кінцевими параметрами пари. Розрізняють ^ П-, Т- і N-подібні та баштову компоновки котла (рис. 4.1). Під час спалювання мазуту, природного газу зазвичай вико­ристовують П-подібну компоновку (рис. 4.1, а), коли котел має два вер­тикальні газоходи (топкові камери і конвективну шахту) і горизонталь­ний газохід, що з'єднує їх. Для спалювання твердого палива таку ком­поновку застосовують у котлах паровою потужністю (Do) до 1 000...1 бООт/г.^ Т-подібне компонування (рис. 4.1, в), що сприяє зменшенню глибини конвективної шахти і висоти з'єднувального газоходу, застосовують для потужних котлів (Do > 1000 т/г), що працюють на твердому паливі. Для вугілля з високоабразивною золою Т-подібне компонування застосову­ють для котлів, починаючи з Do S 500 т/г.^ N-подібне компонування котла (рис. 4.1, б) використовують під час спалювання палива з високим умістом в золі оксиду кальцію і лугів. Котел виконують три- або чотириходовим, з підйомною або інвертною топкою і ширмами в проміжних газоходах. Рис. 4.1. Основні види компонування котлів: а - П-подібне; б - N-подібне (чотириходове); в - Т-подібне; г – баштове У потужних котлах для спалювання газу і мазуту або твердого палива (зокрема бурого вугілля з великим умістом високоабразивної золи) можна використати баштове компонуванням (рис. 4.1, г) у поєднанні з відкритим і напіввідкритим компонуванням котельного обладнання. Для нормально­го функціонування котла треба забезпечити підготовку і подання до нього палива, подання окиснювача для горіння, а також евакуацію продуктів згорання, золи і шлаку (якщо спалюють тверде паливо) та ін. Допоміжне устаткування котла - це дуттьові вентилятори і димососи для подання повітря в котел і евакуації з нього в атмосферу продуктів згорання; бункери, живильники сирого палива і пилу; вуглерозмельні млини для забезпечення безупинного подання і підготовки пилоподібного палива потрібної якості; золовловлювальне і золошлакотранспортувальне обладнання для очищення димових газів від золових частинок з метою охорони навколишнього середовища від забруднення і для організовано­го виведення вловленої золи і шлаку; пристрої для профілактичного очи­щення зовнішньої поверхні труб котла від забруднень; контрольно-вимірювальна апаратура; водопідготовчі установки для обробки вихідної (природної) води до заданої якості. Основними елементами котельної установки (рис. 4.2) є поверхні на­гріву, призначені для передачі теплоти від теплоносія до робочого сере­довища (води, пароводяної суміші, водяної пари або повітря). Залежно від процесів перетворення робочого тіла розрізняють нагрівальні, випарні і перегрівальні поверхні нагріву. Теплоту від продуктів згорання до поверхні нагріву можна передавати випромінюванням (радіацією) і конвекцією. Відповідно до цього поверхні нагріву поділяють на радіаційні, конвективні і радіаційно-конвективні (напіврадіаційні). До конвективної нагрівальної поверхні належать економайзер 18 (рис. 4.2), призначений для підігріву живильної води, що надходить у котел. Економайзер розміщують у зоні відносно невисоких температур у конвективній опускній шахті. Рис. 4.2. Технологічна схема котельної установки: ^ 1 - конвеєр; 2 - бункер; З - живиль­ник; 4 - млин; 5 - короб первинного повітря; б - нижній розподільний колектор; 7 - короб вторинного повітря; 8 - пальники; 9 - топка; 10 - опускні труби; 11 - обмурівка котла; 12 - підйомні труби; 13-14- барабан; 15 - ширмові перегрівники; 16 - конвективний перегрівник; 17 - другий ступінь економайзера; 18 – перший ступінь економайзера; 19- повітропідігрівник; 20 - вентилятор; 21 - газоочистка; 22 - димосос; 23 - димова труба; 24 - виведення золи та шлаку Випарними є поверхні нагріву, розміщені в зоні найвищих темпера­тур топки 9 або в газоході за нею. Це найчастіше радіаційні або радіацій-но-конвективні поверхні нагріву - екрани, фестони, котельні пучки. Ек­ранні поверхні 12 - це поверхні нагріву котла, розміщені на стінах топки і газоходів, що захищають їх від впливу високих температур. Екрани мо­жуть бути також встановлені всередині топки (двосвітні екрани, що під­даються двосторонньому опромінюванню). Перегрівальні поверхні нагріву можуть бути радіаційними, ширмови­ми і конвективними: радіаційні перегрівники розміщують на стінах топки або на її стелі. Ширмові перегрівники 15 - це поверхні нагріву, у яких шир­ми розміщено з великим поперечним кроком труб, які одержують теплоту випромінюванням і конвекцією приблизно в рівних кількостях. Конвекти-вні перегрівники 16 встановлюють у газоходах: у перехідному горизонта­льному або на початку (по ходу газів) конвективної шахти. Сукупність послідовно розміщених по ходу робочого тіла поверхонь на­гріву, трубопроводів, що їх з'єднують, і встановлених додаткових пристроїв складає пароводяний тракт котла. До основного пароводяного тракту котла входять економайзер 18, труби відводу, барабан 14, опускні труби 10 і ниж ній розподільний колектор 6, екрани, стельовий перегрівник, перший та дру­гий ступінь конвективного перегрівника 16. Проміжний перегрівник 77 є елементом пароводяного тракту проміжного перегріву пари (див. рис. 4.2). Устаткування для подання палива до пальників ^ 8 і підготовки його до спалювання являє собою паливний тракт котла. Він містить конвеєр 1, бункер 2, живильники 3 вологого палива та пилу. Бункери вологого пали­ва, призначені для зберігання постійно відновлюваного запасу палива, забезпечують безупинну роботу котла. Живильники вологого палива -пристрої для дозування і подання палива з бункера до млинів 4, призна­чені для одержання вугільного пилу потрібної якості. До млина одночас­но з паливом для його підсушки (за допомогою короба 5) подають су­шильний агент, найчастіше - повітря. Повітряний тракт котельної установки складають забірний повітровід, дуттьовий вентилятор ^ 20, повітропідігрівник 19, короби 5 і 7 первинного і вторинного повітря (рис. 4.2). Усі елементи повітряного тракту (крім забір­ного повітроводу) знаходяться під надлишковим тиском, що забезпечує дут­тьовий вентилятор. Підігріте в повітропідігрівнику повітря використовують для сушіння палива, що дозволяє підвищити інтенсивність і еконо­мічність його горіння. Розрізня­ють рекуперативні і регенеративні повітропідігрівники. Теплота від продуктів згоран­ня до повітря в рекуперативному повітропідігрівнику передається через їх теплообмінну відокрем-лювальну поверхню (рис. 4.3). Трубчасті , повітропідігрів­ники (ТПП) бувають одно- та двоступеневі: перший ступінь багатоходовий (гход = 2-6), дру­гий має один, рідше два ходи. Роблять їх з окремих кубів (сек­цій). Куб складається з вертикаль­них сталевих тонкостінних труб (8 = 1,6 мм), які закріплюють у трубних дошках завтовшки 15...20 мм. Гази рухаються в трубах зверху донизу, повітря -за схемою перехресного ходу в міжтрубному просторі. Розміщення труб шахове, зовнішній діаметр 40...51 мм (більші значення - для абразивного палива). Димові гази Рис. 4.3. Конструкція рекуперативного одноходового за газом і триходового за повітрям трубчастого повітропідігрівника: 1 - труби поверхні нагріву; 2,5 – трубні дошки; 3 - трилінзовий компенсатор; 4 - повітряний короб; 6 - опорна балка; 7 - колони Розрізняють одно- (г = 1), дво- і багатопотокові, а також одно- і дво­ступеневі конструкції ТІШ (рис. 4.4). Одноступеневий підігрів рекомендо­вано при температурі гарячого повітря frn У регенеративному повітропідігрівнику (РПП) процес передачі теп­лоти від гарячих газів до повітря відбувається через ту саму теплообмін­ну поверхню, що контактує послідовно з газами та повітрям (рис. 4.5). Теплообмінну поверхню 6 РПП виконують з гофрованих сталевих листів. По висоті РПП поділяється на гарячу і холодну частині. Частота обертання ротора більше 1,5 хв"1. Обтікання листів газами і повітрям -поздовжнє. Швидкість газів wT= 11 ±2 м/с, повітря wn= 6...9 м/с. Рис. 4.4. Схема компонування трубчастих повітропідігрівників (zx - кількість ходів; Zct - кількість ступенів; 2пот - кількість потоків): а - Zx = 4, zCT = 2; б - гст = 2, перший ступінь: гПот = 2, гход = 4, другий ступінь: гПот = 1, гход = 1; в - два потоки:^ Перший ПОТІК - Zct = 1, гход = 3, ДруГИЙ ПОТІК - Zci = 2, Zxofl = 4, г - Zct = 1, Zncrr = 2, гх„д = 3; П - повітря; гази - продукти згорання паливаПродукти згорання проходять послідовно всі поверхні нагріву і після очищення від золи в золовловлювачах ^ 21 виводяться через димову трубу 23 в атмосферу (див. рис. 4.2). Усе це становить газовий тракт котла, що може знаходитися під тиском дуттьового вентилятора або під розріджен­ням. В останньому випадку в газовому тракті після золовловлювачів установлюють димосос 22. Пристрої 25, призначені для шлаковидалення, золовловлювачі 21 і канали 24 входять до тракту золошлаковиведення (див. рис. 4.2). Елементами котла є обмурівка і каркас. Обмурівка 12 - система вогнетривких і теплоізоляційних захисних засобів або конструкцій, призначених зменшити теплові втрати і забезпечити газощільності. Каркас 13 - несуча металева конст­рукція, що приймає навантаження від маси котла з робочим тілом, яке знаходиться в ньому, і всі інші можливі навантаження і забезпечує потрібне взаємне розміщення еле­ментів котла. На каркасі котла пе­редбачено площадки обслугову­вання і перехідні східці. Котли класифікують залежно від виду відповідного тракту і його устаткування. За видом палива і від­повідного паливного тракту розрізняють котли для газоподібного, рідко­го і твердого палива. Рис. 4.5. Схема регенеративного повітропі-дігрівника: ^ 1 - вал; 2 - обертовий корпус;З - поворотний механізм;4 і 9 - верхня і нижня опори; 5 і 8 — зовнішній і внутрішній кожух; б - поверхня теплообміну; 7 - ущільненняЗа газоповітряним трактом розрізняють котли з природною, врівно­важеною тягою і з наддуванням. У котлі з природною тягою опір газово­го тракту долається під дією різниці густини (питомої маси) атмосферно­го повітря і газу в димовій трубі. Якщо опір газового тракту (так само, як і повітряного) долається за допомогою дуттьового вентилятора, то котел працює з наддуванням. У котлі з врівноваженою тягою тиск у топці і на початку газоходу (поверхня нагріву 75) підтримується близьким до атмо­сферного спільною роботою дуттьового вентилятора і димососа. Котли зазвичай виготовляють газощільними. За видом пароводяного тракту розрізняють барабанні (рис. 4.6, а, б) і прямотечійні (рис. 4.6, в, г) котли. У всіх типах котлів через економайзер і перегрівник б вода і пара проходять одноразово. У барабанних котлах пароводяна суміш у випарних поверхнях нагріву 5 циркулює багаторазово (від барабана 2 по опускних трубах 3 до колектора 4 і до барабана 2). В котлах з примусовою циркуляцією (рис. 4.6, б) перед входом води у ви­парні поверхні 5 встановлюють додатковий насос 8. У прямотечійних котлах (рис. 4.6, в) робоче тіло по всіх поверхнях нагріву проходить од­норазово під дією напору, що створює живильний насос 7. У прямотечійних котлах докритичного тиску випарні екрани 5 розміщають у нижній частині топки, тому їх називають нижньою ра­діаційною частиною (НРЧ). Екрани 6, розміщені в середній і верхній частинах топки, переважно є перегрівальними. їх відповідно назива­ють середньою радіаційною частиною (СРЧ) і верхньою радіаційною частиною (ВРЧ). Щоб підвищити швидкість руху води в деяких поверхнях нагріву (за­звичай НРЧ), у період запуску прямотечійного котла або під час роботи на знижених навантаженнях забезпечують примусову рециркуляцію води спеціальним насосом 8 (рис. 4.6, г). Це котли з рециркуляцією і комбіно­ваною циркуляцією. Відповідно до фазового стану виведеного з топки шлаку розрізняють котли з твердим і рідким шлаковиведенням. У котлах з твердим шлакови-веденням шлак з топки виходить у твердому стані, а в котлах з рідким шлаковидаленням - у розплавленому. Технологія одержання водяної пари для барабанних і прямотечійних котлів різна. Рис. 4.6. Схеми пароводяного тракту котла: а - барабанного з природною циркуляцією;б - барабанного з примусовою циркуляцією; в - прямотечійного; г - прямотечійного з примусовою циркуляцією Барабанні котли широко застосовують на ТЕС. Наявність одного або декількох барабанів з фіксованою границею поділу між парою і водою є характерною особливістю цих котлів. Живильна вода в них здебільшого після економайзера (див. рис. 4.6, а) подається до барабана 2, де змішу­ється з котловою водою (водою, що заповнює барабан і екрани). Суміш котлової і живильної води по опускних необігріваних трубах 3 з барабану надходить до нижнього розподільного колектора 4, а потім до екранів 5 (випарні поверхні). В екранах вода одержує теплоту від продуктів зго- рання палива і закипає. Пароводяна суміш, що при цьому утворюється, піднімається до барабана. Тут пара і вода розділяються. Пара по трубах, що з'єднуються з верхньою частиною барабана, направляється до пере­грівника 6, а вода знову подається в опускні труби 8. Замкнену систему, що складається з барабана, опускних труб, колек­тора і випарних поверхонь, по якій багаторазово рухається робоче тіло, називають контур циркуляції, а рух води в ньому - циркуляція. Рух робо­чого середовища, зумовлений тільки різницею густини води в опускних трубах і пароводяній суміші в підйомних, називають природна циркуля­ція, а паровий котел - барабанний з природною циркуляцією. Природна циркуляція можлива лише в котлах з тиском пари, що не перевищує 18,5 МПа. Якщо тиск більший, то через малу різницю густини пароводя­ної суміші і води стійкий рух робочого середовища в циркуляційному контурі забезпечити важко. Якщо рух середовища в циркуляційному кон­турі створює насос 8 (рис. 4.6, б), то циркуляцію називають примусовою, а паровий котел - барабанним з примусовою циркуляцією. Примусова ци­ркуляція дозволяє виконувати екрани з труб меншого діаметра як з під­йомним, так і з опускним рухом середовища в них. До недоліків такої ци­ркуляції слід віднести потребу встановити спеціальні насоси (циркуля­ційні), що мають складну конструкцію і потребують додаткової витрати енергії на їх роботу. У прямотечійних котлах барабана немає. Живильна вода в них, як і в барабанних котлах, послідовно проходить економайзер 1 (див. рис. 4.6, в), випарні 5 і перегрівальні 6 поверхні. Рух робочого середо­вища в поверхнях нагріву одноразовий, його створює живильний на­сос. З випарної поверхні виходить пара. Це дозволяє відмовитися від металоємного барабана. Надійне охолодження металу труб випарної поверхні забезпечує відповідні швидкості руху робочого середовища. У прямотечійних котлах немає чітких меж між економайзерною, випар­ною і пароперегрівальною поверхнями. Зміна параметрів живильної води (температура, тиск), характеристик палива, повітряного режиму змінює співвідношення площ цих поверхонь. Так, зі зниженням тиску в котлі зменшуються розміри економайзерної ділянки (зона підігріву), збільшується випарна зона (через зростання теплоти пароутворення) і дещо скорочується зона перегріву. Прямотечійні котли порівняно з барабанними мають значно менший об'єм акумулювального робочого тіла. Тому для їх роботи потрібна чітка синхронізація подання води, палива і повітря. Вони можуть бути як до­критичного, так і понадкритичного тиску.^ Контрольні питання1. Основне і допоміжне обладнання котельних установок. Принцип дії.2. Типи котлів та основні види компонування.^ 3. Основні складові технологічна схема котельної установки.4. Конструкція і схема компонування рекуперативного трубчастого повітропіді-грівника. ^ 5. Технологія одержання водяної пари для барабанних і прямотечійних котлів.Лабораторна робота № 2Тема: Складові частини енергогенерувальних установок. Паротурбінні, газотурбінні і комбіновані установки.Мета роботи: вивчити конструктивне виконання та принцип дії паротур-бінних, газотурбінних і комбінованих установкок, як однієї з основних складових енергогенерувальних установок. ^ Паротурбінні, газотурбінні і комбіновані установкиПаротурбінні установки (ПТУ) є основою сучасної енергетики. їх засто­совують як базові установки для виробництва електричної і теплової енергії. Якщо виробляють тільки електричну енергію (рис. 4.15), то застосо­вують конденсаційні ПТУ, якщо електричну й теплову - теплофікаційні ПТУ (які мають регульовані відбори пари 4, що йде на теплопостачання). Основними елементами ПТУ є: котел 1, турбіна 2, електрогенератор З, конденсатор 5, циркуляційний ^ 6, конденсатний 7 і живильний 9 насоси, бак живильної води 8 і охолоджувач циркуляційної води 10. У такій установці хімічна енергія палива, яке спалюють у топці котла, перетво­рюється в теплову енергію і передається (через радіаційні і конвективні поверхні нагріву котла) живильній воді. У результаті утворюється наси­чена пара, що перегрівається в пароперегрівачі і далі надходить при від­повідному тиску р0 і температурі t0 до парової турбіни. У сопловому апараті парової тур­біни відбувається перетворення потен­ційної енергії пари в кінетичну, яка, у свою чергу, перетворюється на робо­чих лопатках в механічну енергію обертання ротора турбіни. Перетво­рення механічної енергії в електричну відбувається в електрогенераторі. Особливістю конденсаційної установки є те, що відпрацьована водяна пара (за винятком деякої її кількості - до 20-30 %, яка відбира­ється у вигляді нерегульованих від­борів і подається в систему регене­ративного підігріву живильної води) направляється в конденсатор з тис­ком рк, значно нижче атмосферного. Рис. 4.15. Принципова схема конденсаційної паротурбін-ної установки: 1 - паровий котел; 2 - турбіна; ^ З – електрогенератор; 4 - регульовані відбори пари;5 - конденсатор; 6 – конден-сатний електронасос (КЕН); 7-живильний електронасос; 8 - бак живильної води; 9 - сітьовий насос; 10 - градирняКонденсатор являє собою теплооб­мінник поверхневого типу, де в ре­зультаті теплообміну між відпра­цьованою парою і холодною цирку­ляційною водою відбувається кон­денсація пари при температурі tK. Конденсат конденсатним насо­сом подають в систему регенеративного підігріву живильної води. Далі після термічної дегазації (для видалення корозійних газів СО2 і О2) і дода­вання хімічно очищеної води (для поповнення втрат конденсату) живиль­ну воду живильним насосом подають у котел. У результаті робочий цикл замикається. У комбінованому виробництві теплової і електричної енергії застосо­вують паротурбінні установки з регульованими теплофікаційними і про­мисловими відборами пари. Тиск теплофікаційного відбору пари значно нижчий, ніж тиск промислового. Коли споживачеві (промисловому об'єктові) потрібна в значній кіль­кості пара для технологічних потреб, використовують парові турбіни з протитиском. У цьому випадку в схемі ПТУ немає конденсатора, і вся відпрацьована пара направляється споживачеві. Конденсат пари, що над ходить від споживача, частково або цілком повертається на станцію і ви­користовується для живлення котлів. У таких установках кількість пари, що проходить через турбіну, а, отже, і кількість вироблюваної електро­енергії цілком залежать від теплового споживання. Оснащена турбінами з протитиском станція, що працює за заданим теп­ловим графіком, тобто за обов'язкової умови пропускати стільки пари, скіль­ки потребує споживач, повинна мати можливість віддавати всю вироблену нею електроенергію в електричну мережу досить потужної системи. У тих випадках, коли споживач зменшує витрату теплоти, а це означає зниження і вироблення електричної енергії, електрична система має запов­нювати це зниження потужності підвищенням її на інших станціях системи.^ Газотурбінні установки порівняно з паровими мають такі особливості: немає металоємних та об'ємних парових котлів і котельного цеху; швидкий пуск, який створює сприятливі умови для використанняГТУ, щоб покрити пікові навантаження; незначна потреба у воді; значно менша кількість обслуговуючого персоналу (включаючиможливість повної автоматизації робочого процесу); - можливість роботи переважно на рідкому та газовому паливі. Газові турбіни зі згоранням при постійному тиску можна розподілити на турбіни, що працюють у розімкненому і замкненому циклі. На рис. 4.16 подано принципову схему ГТУ, що працює у найпрості­шому розімкненому циклі (цикл Брайтона). Паливний насос ^ 8 подає в камеру згорання 2 через форсунку 7 пали­во, що згорає, змішуючись з повітрям, яке подають у ка­меру під тиском, створюва­ним компресором 1. Продук­ти згорання проходять че­рез сопла 3 і, розширюю­чись у них, надходять з великою швидкістю на ро­бочі лопатки 4, установле­ні на диску 5. Відпрацьо­вані гази виходять в атмосферу через вихлоп­ний патрубок 6.Рис. 4.16. Принципова схема газової турбіни зі згоранням при постійному тиску:1 - компресор; 2 - камера згорання;З - сопла; 4 - робочі лопатки; 5 - диск; 6 - вихлопний патрубок; 7 - форсунка;8 - насос Якщо потрібне комбіно­ване виробництво теплової і електричної енергії, то ГТУ може мати котел-утилізатор, з'єднаний з вихлопним пат­рубком турбіни. Показником ефективності перетворення хімічної енергії палива на електричну є коефіцієнт корисної дії установки. Найчастіше, ККД пгу > ККД гту. Однак якщо ПТУ і ГТУ використовують спільно, то ККД комбінованої установки (ПГУ) стає істотно вищим за відповідний показник ПТУ. Це пояснюється тим, що у цьому разі використовують переваги установок і виключають недоліки, зумовлені термодинамічною недосконалістю ко­жної з цих установок. Вища початкова температура циклу ГТУ визначає її істотну термоди­намічну перевагу порівняно з ПТУ. Водночас вища кінцева температура газотурбінного циклу визначає низьку термодинамічну ефективність ГТУ. У комбінованому циклі ГТУ виконує роль надбудови над ПТУ, що зумовлює підвищення сумарного ККД комбінованого циклу. Є багато різних варіантів парогазових установок і відповідних циклів, що визначаються особливостями функціонування елементів ГТУ і ПГУ і їх взаємозв'язком. Одну з можливих схем ПГУ, що працює за бінарною схемою (за наявності двох силових контурів з роздільною подачею пари і газу в парову і газову турбіну) наведено на рис. 4.17. Рис. 4.17. Принципова схема ПГУ з високонапорним парогенератором: / - паровий котел; 2 - парова турбіна (ЦВТ); З - парова турбіна (ЦНТ); 4 - економайзер; 5 - газова турбіна; 6 - компресор; 7 - регенератор; 8 - система регенеративного підігріву живильної води; 9 - проміжний перегрів водяної париУ цій схемі застосований високонапорний парогенератор 1, тобто ко­тел спеціальної конструкції з топкою, що працює під тиском і забезпечує ефективну теплопередачу та високі теплові навантаження поверхонь на гріву (до 350 кВт/м2). Повітря, потрібне для горіння палива, подається осьовим компресором 6 через регенератор 7, де воно підігрівається від­працьованими в газовій турбіні 5 газами. Після парогенератора гази по­даються під тиском в газову турбіну. Відпрацьовані в турбіні гази пода­ються в регенератор для підігріву повітря і потім в економайзер 4 для пі­дігріву живильної води паротурбінної установки, включеної послідовно із системою регенеративного підігрівача сітьової води 8. Пару високого тис­ку, отриману в парогенераторі, використовують для приводу парової двоциліндрової турбіни 2 і 3 з проміжним перегрівом пари 9. Газова турбіна виконує функції приводу компресора, що знаходиться на її валу, а надлишкову потужність використовують для приводу елект­ричного генератора. Паливом у такій установці може слугувати газ або рідке паливо, що забезпечує чистоту продуктів згорання перед газовою турбіною для запо­бігання забрудненню її проточної частини. Крім ПГУ, що працюють за бінарною схемою, є також комбіновані установки, що працюють за монарною схемою, у яких робоче тіло турбі­ни - це суміш продуктів згорання з водяною парою. Такі установки називають газопарові. 2. Парові і газові турбіни Парові і газові турбіни - основні механізми перетворення потенційної енергії робочого тіла на механічну роботу відповідно в ПТУ і ПГУ. Вони складаються з ідентичних елементів, однак конструкція і технологія ви­готовлення цих елементів може бути різною. На рис. 4.18 показано поздовжній розріз циліндра високого тиску (ЦВТ) парової турбіни з поворотним потоком пари.Рис. 4.18. Проточна частина ЦВТ з поворотним потоком пари:1 - зовнішній корпус; 2 - суцільнокований дисковий ротор; 3 - задній опорний підшипник;4 - вихідний патрубок; 5 - подвійний підвід свіжої пари; б - внутрішній корпус;7 - корпус установки переднього опорно-упорного підшипника Така схема виконання ЦВТ властива конденсаційним турбінам Ленін­градського металевого заводу (ЛМЗ) і турбінам з протитиском або з регу­льованими відбираннями пари, що працюють на докритичних або понад-критичних параметрах пари. Ротор ЦВТ дисковий суцільнокований. Статор ЦВТ / складається із зовнішнього і внутрішнього 6 корпусів. Спочатку пара надходить до внутрішнього корпусу в середній частині циліндра, проходить через декілька ступенів у лівій частині ЦВТ, протікає між внутрішнім і зов­нішнім корпусами в протилежному напрямку, далі проходить через останні ступені ЦВТ і через вихідний патрубок виводиться з циліндра. Потім, після проміжного перегріву, пара надходить до циліндра 2 середнього тиску (ЦСТ), після чого трьома паралельними потоками надходить до трьох ци­ліндрів низького тиску (ЦНТ) і далі потрапляє до конденсатора (рис. 4.19).Рис. 4.19. Структурна схема конденсаційних турбін ЛМЗ потужністю 800 і 1 200 МВт: 1 - ЦВТ; 2 - ЦСТ; З - ЦНТ1; 4 - ЦНТ2; 5 - ЦНТЗ; 6 - проміжний пароперегрівник; 7 - до конденсатора Якщо в паровій турбіні робочим тілом є водяна пара, то в газовій -продукти згорання палива і стисненого повітря. Одну з можливих схем проточної частини газової турбіни наведено на рис. 4.20.:4.20. Проточна частина газової турбіни фірми «Дженерал електрик»: 1 - корпус; - газозбірник; З - напрямлений апарат; 4 - робочі лопатки; 5 - Диск; 6 - подання охолоджувального повітря; 7 - ротор; 8 - внутрішній опорний підшипникНайістотнішою є відмінність у конструкції і технології виготовлення ротора газової турбіни, виконаного у вигляді збірної конструкції (на стяж­них болтах). Крім того, газова турбіна має систему повітряного охоло­дження найбільш термонапружених елементів проточної частини. Основою проточної частини парових і газових турбін є ступінь - су­купність нерухомої решітки (напрямленого апарата) і решітки робочих лопаток, що обертаються (див. рис. 4.20). У нерухомій решітці, яку ще називають сопловою, потенційна енергія пари перетворюється на кінети­чну. У робочому апараті кінетична енергія пари перетворюється на меха­нічну енергію обертання ротора турбіни. За аналогічною схемою потенційна енергія робочого тіла перетворю­ється на кінетичну і механічну енергію на всіх ступенях багатоступінчас­тої парової або газової турбіни. При цьому ступенево змінюються тиск робочого тіла та обертальний момент.^ Класифікація, параметри і схеми турбінних установок Найширше в сучасній енергетиці використовують паротурбінні уста­новки. У зв'язку з різними умовами їх застосування і наявністю різних конструктивних схем у країнах СНД (Росія, Україна та ін.) прийнято стан­дартну систему класифікації, що відображає тип турбіни та її потужність, початковий тиск і протитиск. Ця класифікація поширюється на парові турбіни потужністю від 2,5 до 1600 МВт з такими початковими парамет­рами: абсолютним тиском пари - від 3,4 до 23,5 МПа, температурою - від 435 до 565 °С і номінальною частотою обертання ротора 50 с : Типи турбін і їх основні параметри наведено в табл. 4.1. Позначення турбіни складається з літер і цифр. Літери означають: К - конденсаційна турбіна без регульованих відборів пари; Т - теплофікаційна турбіна з ре­гульованим відбором пари для опалення; П - теплофікаційна турбіна з регульованим промисловим відбиранням пари; ПТ - теплофікаційна турбіна з регульованим промисловим і опалювальним відборами пари; Р - турбіна з протитиском без регульованого відбору пари; ПР - теплофі­каційна турбіна з протитиском і з регульованим промисловим відбором пари; ТР - теплофікаційна турбіна з протитиском і регульованим тепло­фікаційним відбором пари. Перша комбінація цифр позначення у вигляді дробу визначає потуж­ність: над скісною рискою - номінальна потужність (МВт), під рискою -максимальна потужність (МВт). Якщо перше числове позначення склада­ється з одного числа, то воно визначає тільки номінальну потужність. Друге числове позначення для турбін К і Т означає тиск свіжої пари(кгс/см2)*. Наприклад, для турбіни К-500-130 позначення означають: К - кон­денсаційна без регульованих відборів пари потужністю 500 МВт з тиском свіжої пари 130 кгс/см2 (-13 МПа); для турбіни Т-110/120-130 характер­ними ознаками є: Т - теплофікаційна з опалювальним регульованим від­бором пари номінальною потужністю 110 МВт і максимальною 120 МВт з тиском свіжої пари 130 кгс/см . Конденсаційні паротурбіни установки мають розвинену систему ре­генеративного підігріву живильної води, що сприяє підвищенню потуж­ності турбіни й економічності ПТУ загалом (економія палива сягає 10 % і більше порівняно з турбінами без регенерації). Для газотурбінних установок, на відміну від ПТУ, немає стандарти­зованої системи класифікації. ГТУ розрізняють за особливостями ком­понування основного обладнання (турбіна, компресор, камера згорання, регенеративний теплообмінник) і особливостями реалізованого термо­динамічного циклу: ГТУ, що працюють за простою схемою (цикл Брай-тона), ГТУ з регенерацією, ГТУ зі ступінчатим стисненням і ступінча-тим розширенням. Одним з недоліків ГТУ є те, що температура вихлопних газів, які ви­кидаються в атмосферу, сягає 400...500 °С і вище. Цим обумовлюється її відносно низький ККД. Щоб збільшити ККД, ГТУ можна виконати з ре­генератором, який являє собою теплообмінник поверхневого типу. У та­кій ГТУ повітря після компресора потрапляє в регенератор, де за рахунок теплоти газів, що відходять після турбіни, його температура підвищуєть­ся. Одночасно з