Lecture 3

№3 Основные способы получения электрической энергии

Лекция 3
Основные способы получения
электрической энергии
К.т.н., доцент кафедры «Электроснабжение»
Астахов Сергей Михайлович

Астахов С.М.


Количество вырабатываемой электрической энергии
промышленным способом на электростанциях РФ

ТЭС – тепловые электростанции
ГЭС – гидроэлектрические станции
АЭС – атомные электростанции



Электроста́нция (электрическая
Балаковская АЭС
станция) - совокупность установок,
оборудования и аппаратуры,
используемых непосредственно
для производства электрической
энергии, а также необходимые для
этого сооружения и здания,
расположенные на определённой
территории.

Конаковская ГРЭС Красноярская ГЭС



Электрические станции в зависимости от источника энергии (в частности,
вида топлива) классифицируются следующим образом:
Электростанции, Атомные Ветро- Геотермальные Солнечные Гидроэлект-
работающие на электростанции электростанции электростанции электростанции ростанции
органическом (АЭС) (ВЭС) (ГеоЭС) (СЭС) (ГЭС)
топливе (ТЭС)

Станции Станции На солнечных Гелиостанции
реакции реакции элементах (с паровым
деления синтеза котлом)

Газовые Жидкотопливные Твердотопливные Русловые гидроэлектростанции
электростанции электростанции электростанции
Приплотинные гидроэлектростанции

Электростанции Угольные Деривационные гидроэлектростанции
на природном электростанции
газе Аккумулирующие гидроэлектростанции

Торфяные Приливные гидроэлектростанции
электростанции
Электростанции на рудничном и Электростанции на морских течениях
попутном газе, биогазе и
лэндфилл газе Волновые электростанции



Теплова́я электроста́нция (или теплова́я электри́ческая ста́нция) —
электростанция, вырабатывающая электрическую энергию за счет
преобразования химической энергии топлива в механическую энергию
вращения вала электрогенератора.

ТЭС подразделяются на следующие типы:
1. Котлотурбинные (паротурбинные) электростанции
1) Конденсационные электростанции (ГРЭС)
2) Теплоэлектроцентрали (теплофикационные электростанции, ТЭЦ)
2. Газотурбинные электростанции
3. Электростанции на базе парогазовых установок
4. Электростанции на основе поршневых двигателей
1) С воспламенением от сжатия (дизель)
2) C воспламенением от искры

Наибольшее развитие и распространение получили тепловые
электростанции общего пользования, работающие на органическом
топливе, преимущественно паротурбинные.



Паротурбинные электростанции
Принцип работы. Паровые турбины работают следующим образом: пар,
образующийся в паровом котле, под высоким давлением, поступает на
лопатки турбины. Турбина совершает обороты и вырабатывает
механическую энергию, используемую генератором. Генератор производит
электричество.
Электрическая мощность паровых турбин зависит от перепада давления
пара на входе и выходе установки. Мощность паровых турбин единичной
установки достигает 1000 МВт.
Паровые турбины – преимущества:
работа паровых турбин возможна на различных видах топлива; высокая
единичная мощность; широкий диапазон мощностей; внушительный
ресурс паровых турбин
Паровые турбины – недостатки:
высокая инерционность паровых установок (долгое время пуска и
останова); дороговизна паровых турбин; низкий объем производимого
электричества, в соотношении с объемом тепловой энергии;
дорогостоящий ремонт паровых турбин; снижение экологических
показателей, в случае использования тяжелых мазутов и твердого топлива.


Схема работы
конденсационной
турбины: Свежий
(острый) пар из
котельного агрегата
(1) по паропроводу
(2) попадает на
рабочие лопатки
паровой турбины (3).
При расширении,
кинетическая энергия
пара превращается в
механическую
энергию вращения
ротора турбины,
который расположен
на одном валу (4) с
электрическим
генератором (5).
Отработанный пар из турбины направляется в конденсатор (6), в котором, охладившись до
состояния воды путём теплообмена с циркуляционной водой (7) пруда-охладителя, градирни
или водохранилища по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при
помощи насоса (9). Большая часть полученной энергии используется для генерации
электрического тока.


Схема работы
теплофикационной
турбины: Свежий
(острый) пар из
котельного агрегата
(1) по паропроводу
(2) направляется на
рабочие лопатки
паровой турбины (3).
При расширении,
кинетическая энергия
пара преобразуется в
механическую
энергию вращения
ротора турбины,
который соединен с
валом (4)
электрического
генератора (5).
В процессе расширения пара из цилиндров среднего давления производятся
теплофикационные отборы, и из них пар направляется в подогреватели (6) сетевой воды (7).
Отработанный пар из последней ступени попадает в конденсатор, где и происходит его
конденсация, а затем по трубопроводу (8) направляется обратно в котельный агрегат при
помощи насоса (9). Большая часть тепла, полученного в котле используется для подогрева
сетевой воды.


Газотурбинные электростанции предназначены, в зависимости от их
мощности, для комплексной выработки электроэнергии и тепловой энергии, и,
соответственно, освещения и обогрева небольших населенных пунктов, городов
или поселков, а также для обеспечения энергией промышленных предприятий.
В настоящее время выпускаются газотурбинные электростанции (ГТЭС) мощностью
от 10 до 100 МВт, которые могут являться автономными источниками энергии, или
дополнением к другим, централизованным источникам. .
Газотурбинные электростанции малой мощности, представляют собой довольно
компактные для данного вида оборудования стационарные установки,
построенные по блочно-контейнерному принципу. Иными словами, составные
части ГТЭС, соединенные вместе, позволяют не только вырабатывать электричество,
но и утилизировать тепло, получаемое от отработанных газов.



Принцип работы газотурбинной электростанции следующий:
атмосферный воздух последовательно проходит через систему фильтров,
камеру всасывания и поступает в компрессор двигателя, где он сжимается
и под давлением поступает в камеру сгорания, где смешивается с
добавляемым топливом, после чего смесь сжигается. Далее горячий газ
поступает на лопатки турбины, заставляя её вращаться. В результате,
тепловая энергия горячих газов преобразуется в механическую – вращение
турбины, и затем через привод передается на генератор, который
собственно и вырабатывает электроэнергию. .
Отработанные газы, уходят в выхлопную трубу и поступают в атмосферу,
или же, в случае, если предусмотрена их утилизация, поступают в
теплообменник или котел утилизатор, утилизируясь в тепло для обогрева
помещений. .
Газотурбинные электростанции могут работать полностью автономно. В
этом случае они оборудуются блоком автоматизации, который
самостоятельно производит пуск, синхронизацию работы генератора и
турбины, а также остальных систем, и осуществляет общий контроль за
работой станции.



Основные преимущества газотурбинных электростанций: .
1. ГТЭС весьма надежны. В среднем, длительность работы основных узлов
без капитального ремонта составляет до 100-130 тыс. часов. .

2. КПД самой газотурбинной установки составляет порядка 51%, а при
утилизации уходящих газов, общий КПД достигает уже 93%. .

3. Газотурбинные электростанции, как уже было отмечено выше, имеют
довольно небольшие размеры, что значительно уменьшает срок
строительства, и, соответственно, позволяет им быстро окупаться.

4. Газотурбинные электростанции довольно экологичны, чему в последнее
время уделяется все больше внимания. .

5. ГТЭС могут работать в полностью автоматическом режиме, а
возможность полной диагностики состояния оборудования или основных
узлов станции, простота управления и, соответственно, минимальное
количество обслуживающего персонала делают их наиболее оптимальным
решением в самых различных ситуациях.


Парогазовые электростанции
Коэффициент полезного
действия отечественных
электростанций в среднем
оценивается в 36%. Более
десятой части электроэнергии и
вовсе вырабатывается на
установках, кпд которых равен
25% (эффективность, характерная
для 30−х годов прошлого
столетия). Между тем в развитых
странах этот показатель в
среднем не опускается ниже 45%.
Рост эффективности
энергосистем связан с
внедрением новых технологий,
прежде всего установок
парогазового цикла (ПГУ), кпд
которых колеблется от 52 до 60%.
.


Парогазовые установки (в англоязычном мире используется название
combined-cycle power plant) — сравнительно новый тип генерирующих
станций, работающих на газе или на жидком топливе. Принцип работы
самой экономичной и распространенной классической схемы таков.
Устройство состоит из двух блоков: газотурбинной (ГТУ) и паросиловой (ПС)
установок. В ГТУ вращение вала турбины обеспечивается образовавшимися
в результате сжигания природного газа, мазута или солярки продуктами
горения — газами. Образовавшиеся в камере сгорания газотурбинной
установки продукты горения вращают ротор турбины, а та, в свою очередь,
крутит вал первого генератора. .
В первом, газотурбинном, цикле кпд редко превышает 38%. Отработавшие в
ГТУ, но все еще сохраняющие высокую температуру продукты горения
поступают в так называемый котел-утилизатор. Там они нагревают пар до
температуры и давления (500 градусов по Цельсию и 80 атмосфер),
достаточных для работы паровой турбины, к которой подсоединен еще
один генератор. Во втором, паросиловом, цикле используется еще около
20% энергии сгоревшего топлива. В сумме кпд всей установки оказывается
около 58%. Существуют и некоторые другие типы комбинированных ПГУ..


Роль электростанций на основе поршневых двигателей ограничивается в
основном сельскохозяйственным и транспортным секторами, несмотря на
их большое количество. .
Единственное на что следует обратить внимание это поршневой
двигатель внешнего сгорания, работающий по термодинамическому циклу
с изотермическим сжатием и расширением. Изобретен в 1816 г. Робертом
Стирлингом (Шотландия). .
Источник тепла нагревает газ в теплообменном цилиндре. Газ
расширяется и через трубку оказывает давление на рабочий поршень.
Поршень опускается, толкает шатун и поворачивает маховик. При этом
одновременно в право двигается вытеснительный поршень. Он вытесняет
газ из нагревающейся части теплообменного цилиндра в его холодную
часть, которая имеет охлаждающеяся оребрение. Теплообменный поршень
заполнен теплоизолирующим материалом. Газ остывает, создавая
обратное усилие на рабочий поршень, поршень поднимается вверх и цикл
повторяется с начала. Двигатель Стирлинга - одна из самых известных
альтернатив паровой машине. Но в то время стирлинги не нашли развития
из-за низкой надежности и относительно невысоких показателей. И о них
почти забыли. Но в 1938 году по инициативе известной голландской фирмы
Philips работа над стирлингами возобновилась.


Инженеры компании
решили приспособить
автономные двигатели
для привода
генераторов в «неэлек-
трифицированных»
районах - чтобы
продавать там свои
радиотовары. Расчеты
показали, что
теоретически КПД
двигателя Стирлинга
значительно выше
других моторов.
Стирлинги отличались бесшумной работой, экономичностью и всеядностью:
головка цилиндров могла обогреваться и дровами, и углем, и даже
солнечными лучами. А стационарное «внешнее горение» определяло
высокую экологичность. В 1945 году инженеры фирмы Philips нашли
стирлингу обратное применение - раскрутив вал двигателя электромотором,
они вызвали охлаждение головки цилиндров до минус 190°С!


Самой крупной ТЭС в мире является Сургутская ГРЭС-2 (4800 МВт),
работающая на природном газе. ГРЭС - государственные районные
электростанции (аббревиатура, сохранившаяся с советских времен).



Из электростанций, работающих на угле, наибольшая установленная
мощность у Рефтинской ГРЭС (3800 МВт). К крупнейшим российским ТЭС
относятся также Сургутская ГРЭС-1 и Костромская ГРЭС, мощностью свыше
3 тыс. МВт каждая.

Рефтинская ГРЭС

Костромская ГРЭС
Сургутская ГРЭС-1



В электроэнергетике России работают 36 тепловых конденсационных
электростанций, установленная мощность каждой из которых составляет 1
тыс. МВт и более, в том числе 13 электростанций имеют электрическую
мощностью 2 тыс. МВт и более. Суммарная мощность последних составляет
36,4 тыс. МВт или 24,7% от мощности всех тепловых электростанций России.

Российская теплоэнергетика остается бесспорным лидером в
производстве тепловой энергии тепловыми электроцентралями в мире.
Производство тепловой энергии обеспечивается путем использования пара,
отработавшего в паровых турбинах тепловых станций. Теплофикация
включает как производство, так и передачу, а также централизованное
распределение тепловой энергии среди ее потребителей. При производстве
электроэнергии по теплофикационному циклу обеспечивается полезное
использование части той тепловой энергии, которая теряется при
производстве электрической энергии на тепловых электростанциях по
конденсационному циклу.
В Москве 16 ТЭС (а необходимая мощность не менее 8 ГВт).


Гидроэлектроста́нция (ГЭС) - электростанция, в качестве источника
энергии использующая энергию водного потока. Принцип работы ГЭС
основан на преобразовании энергии падающей воды в энергию вращения
турбины. Турбины связаны с генератором, преобразующим энергию
вращающейся турбины в электрическую.
Линии электропередачи

Дамба для накопления воды

Напорный водовод

Генератор, соединенный с
турбиной

Турбина, вращающаяся под
воздействием потока воды

Поперечный разрез традиционной ГЭС с плотиной


Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и
водохранилища.
Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два
основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и
возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству
каньонообразные виды рельефа.
Гидроэнергетика обеспечивает производство до 63 % возобновимой и до
19 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая
мощность достигает 715 ГВт.
Лидерами по выработке гидроэнергии на 1 человека являются Норвегия,
Исландия и Канада. Наиболее активное гидростроительство на начало 2000-х
ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным
источником энергии, в этой же стране размещено до половины малых
гидроэлектростанций мира.
Россия располагает большим гидроэнергетическим потенциалом, что
определяет широкие возможности развития гидроэнергетики. На ее
территории сосредоточено около 9% мировых запасов гидроресурсов. По
обеспеченности гидроэнергетическими ресурсами Россия занимает второе,
после КНР, место в мире, опережая США, Бразилию, Канаду.


В настоящее время в мире используется около 30% экономически
эффективного гидропотенциала. Такие страны, как США, Норвегия, Франция,
Италия, Япония, практически полностью используют свои ресурсы; Австрия,
Канада освоили больше половины своего потенциала. Китай, Индия,
Бразилия, Аргентина - ведут интенсивное гидротехническое строительство. В
Китае строится более 10 ГЭС суммарной мощностью 50 млн. кВт.
Достаточно высок и удельный вес гидроэнергетики в общем производстве
электроэнергии во многих странах. В Норвегии, Бразилии этот показатель
выше 90%, от половины до 80% потребляемой электроэнергии в стране
вырабатывается на ГЭС в Канаде, Венесуэле; на уровне 20% вырабатывается
электроэнергии на ГЭС в Индии, Египте, Италии, Китае; США и Япония
вырабатывают на ГЭС около 10% потребляемой электроэнергии.
Общий валовой (теоретический) гидроэнергопотенциал России определен
в 2900 млрд кВт-ч годовой выработки электроэнергии. Технически
достижимый уровень использования гидроэнергоресурсов составляет около
70% от валового (теоретического) гидроэнергопотенциала, то есть общий
технический гидроэнергопотенциал России составляет 1670 млрд кВт-ч
годовой выработки. Преобладающая его часть размещена в восточных
районах страны, где сосредоточены огромнейшие запасы гидроресурсов
Ангары, Енисея, Оби, Иртыша, Лены, Витима и других рек.


Экономический потенциал, как приемлемая для практического
использования часть гидроэнергоресурсов, определен в целом по России в
размере 850 млрд кВт-ч.
Наиболее освоен экономический гидроэнергопотенциал в Европейской части
России - 46,8%. Существенно ниже освоение гидроэнергопотенциала Сибири
- 21,7%. На Востоке России освоение гидроэнергетического потенциала
составляет только 3,8%.
13 гидроэлектростанций России имеют установленную мощность 1 тыс. МВт
и более, а их суммарная установленная мощность равна 34108 МВт. Из
крупных ГЭС 6 электростанций имеют электрическую мощность 2 тыс. МВт и
более, суммарная мощность этих ГЭС составляет 25581 МВт.
В настоящее время с участием РАО "ЕЭС России" ведется строительство 7
гидроэлектростанций на Востоке в Сибири, и на юге Европейской части
страны. Проектная установленная мощность этих ГЭС составляет 7102 МВт, а
проектная среднегодовая выработка электроэнергии - 30 млрд 421 млн кВт-ч.



Особенности ГЭС:

- Себестоимость электроэнергии на российских ГЭС более чем в два раза
ниже, чем на тепловых электростанциях;
- Генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в
зависимости от потребления энергии;
- Возобновляемый источник энергии;
- Значительно меньшее воздействие на воздушную среду, чем другими
видами электростанций;
- Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое;
- Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей;
- Водохранилища часто занимают значительные территории;
- Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку
перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто
благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и
осуществлению рыбоводства.


Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от
вырабатываемой мощности:
- мощные - вырабатывают от 25 МВТ до 250 МВт и выше;
- средние - до 25 МВт;
- малые гидроэлектростанции - до 5 МВт;
- микро-ГЭС – до 180 кВт.
Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого
генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно
меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве
выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную
мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный
циклы работы гидроэлектростанции.



Гидроэлектростанции также делятся в зависимости от максимального
использования напора воды:
- высоконапорные — более 60 м;
- средненапорные — от 25 м;
- низконапорные — от 3 до 25 м.
В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются
различные виды турбин. Для высоконапорных - ковшовые и радиально
осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На
средненапорных ГЭС устанавливаются поворотнолопастные и радиально-
осевые турбины, на низконапорных - поворотнолопастные турбины в
железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож — вода,
находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины,
которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом,
передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию.
Турбины различаются некоторыми техническими характеристиками, а также
камерами - железными или железобетонными, и рассчитаны на различный
напор воды.



Гидроэлектростанции также разделяются в зависимости от принципа
использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся
концентрации воды. Здесь можно выделить следующие ГЭС:
- Русловые и приплотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды
гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки
плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в
ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных
равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое,
сжатое.



- Плотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река
полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за
плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через
специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.



- Деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех
местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа
создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через
специальные водоотводы. Последние - спрямлены, и их уклон значительно меньший,
нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС.



- Гидроаккумулирующие электростанции способны аккумулировать
вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок.
Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные моменты
(времена не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы, и закачивают
воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность,
вода из них поступает в напорный трубопровод и, соответственно, приводит в
действие дополнительные турбины.



Крупнейшие ГЭС в мире

Наименование Мощность, Среднгодовая Место нахождения
ГВт выработка,
млрд кВт-ч
Санься 22,40 100,00 р. Янцзы, г. Сандоупин,
Китай
Итайпу 14,00 100,00 р. Парана, г. Фос-ду-
Игуасу, Бразилия/Парагвай
Гури 10,30 40,00 р. Карони, Венесуэла
Тукуруи 8,30 21,00 р. Токантис, Бразилия
Эвенки́йская ГЭС 8,00 – 12,00 46,00 р. Нижняя Тунгуска,
(возм 20,00) Красноярский край



Санься р. Янцзы, г. Сандоупин, Китай


Итайпу р. Парана, г. Фос-ду-Игуасу, Бразилия/Парагвай


Гури р. Карони, Венесуэла


Тукуруи р. Токантис, Бразилия



Эвенки́йская гидроэлектроста́нция (Туруха́нская ГЭС) - проектируемая ГЭС.
В случае реализации проекта станет крупнейшей ГЭС России и одной из
самых крупных в мире. Начало работ по сооружению ГЭС планировалось на
2010 год. Общая продолжительность строительства составит не менее 18
лет, включая подготовительный период. Ввод линий электропередачи от
Эвенкийской ГЭС будет осуществляться поэтапно, начиная с седьмого года
строительства гидроэлектростанции. В первую очередь намечается
строительство линий к югу и западу от гидроузла - до существующих и
проектируемых подстанций в Тюменской области и на Урале.
Проектные мощность ГЭС - от 8 тыс. до 12 тыс. МВт, среднегодовая
выработка - 46 млрд кВт-ч. Возможно увеличение мощности ГЭС до 20 тыс.
МВт при той же выработке с целью использования водохранилища ГЭС как
государственного энергетического резерва. В здании ГЭС должно быть
установлено 8÷12 (20) радиально-осевых гидроагрегатов мощностью по
1000 МВт, работающих при максимальном напоре 184 м. Плотина ГЭС
должна создать уникальное Эвенкийское (Туруханское) водохранилище
площадью 9400 км², полным и полезным объёмом 409,4 и 101,0 км³
соответственно, длиной около 1200 км. При этом будет необходимо
переселить 8 тыс. человек.
Общая стоимость строительства (включая ЛЭП) оценивается в $11,9 млрд.

Крупнейшие гидроэлектростанции России:
По состоянию на 2010 год в России имеется 15 действующих, достраиваемых и
находящихся в замороженном строительстве гидравлических электростанций свыше
1000 МВт и около сотни гидроэлектростанций меньшей мощности.
Наименование Мощность, ГВт Ср.год. выработка, млрд кВт-ч Расположение

Саяно-Шушенская ГЭС 0,00 (6,40)* 23,50 р. Енисей, г. Саяногорск

Красноярская ГЭС 6,00 20,40 р. Енисей, г. Дивногорск
Братская ГЭС 4,52 22,60 р. Ангара, г. Братск
Усть-Илимская ГЭС 3,84 21,70 р. Ангара, г. Усть-Илимск
Богучанская ГЭС 3,00 17,60 р. Ангара, г. Кодинск
Волжская ГЭС 2,55 12,30 р. Волга, г. Волжский
Жигулёвская ГЭС 2,32 10,50 р. Волга, г. Жигулевск
Бурейская ГЭС 1,98 7,10 р. Бурея, пос. Талакан
Чебоксарская ГЭС 1,40 3,31 р. Волга, г. Новочебоксарск

Саратовская ГЭС 1,27 5,35 р. Волга, г. Балаково
Зейская ГЭС 1,33 4,91 р. Зея, г. Зея
Нижнекамская ГЭС 1,25 2,67 р. Кама, г. Набережные Челны
Загорская ГАЭС 1,20 1,95 р. Кунья, пос. Богородское

Воткинская ГЭС 1,02 2,60 р. Кама, г. Чайковский
Чиркейская ГЭС 1,00 2,47 р. Сулак



Крупнейшая по выработке российская гидроэлектростанция - Братская
ГЭС обеспечивает дешёвой электроэнергией алюминиевое производство и
покрывает пиковый спрос в Сибирской системе.


Крупнейшая российская ГАЭС - Загорская, сглаживает скачки потребления и
повышает качество электроэнергии в самом густонаселённом регионе страны.
Котлован Загорской ГЭС

Загорская ГАЭС используется для выравнивания суточной неоднородности
графика нагрузок. Во время ночного провала энергопотребления ГАЭС закупает
дешёвую электроэнергию, закачивая воду в верхний бьеф. Во время утреннего и
вечернего пика энергопотребления ГАЭС продаёт дорогую пиковую
электроэнергию, сбрасывая воду из верхнего бьефа в нижний. Опыт эксплуатации
ГАЭС и её использования в целях регулирования электрических режимов показал,
что она является не обычным генерирующим источником, а скорее
многофункциональным источником оказания системных услуг, способствующих не
только оптимизации суточного графика нагрузок, но и повышению надёжности и
качества электроснабжения. Число пусков обратимых гидроагрегатов ГАЭС
достигает 440 в месяц, а иногда составляет около 30 пусков в сутки.


А́томная электроста́нция (АЭС) - комплекс технических сооружений,
предназначенных для выработки электрической энергии путём
использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной
реакции.
В качестве топлива на АЭС может использоваться 232Th - торий, 233U - уран,
235
U, 239Pu – плутоний (вырабатывается в процессе работы станции).
Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего
существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического
топлива (нефть, уголь, природный газ). Самые богатые ураном страны:
Австралия, Канада, Казахстан, ЮАР.
Годовая добыча урана в России – 3 тыс. тонн. Разведанные запасы урана
– 615 тыс. тонн. В основном добыча ведется в Приаргунском
производственном горно-химическом объединении в Читинской области
(запасы – 170 тыс. тонн).
В 1948 г. по предложению Игоря Васильевича Курчатова и в соответствии
с заданием правительства начались первые работы по практическому
применению энергии атома для получения электроэнергии.
В мае 1950 года близ посёлка Обнинское Калужской области начались
работы по строительству первой в мире АЭС.


Обнинская АЭС (макет)



Реактор уран-графитовый,
канальный, на тепловых
нейтронах, с графитовым
замедлителем и
теплосъемом воды под
давлением.

Тепловая мощность – 30 МВт;
Топливо – обогащенный уран
(5-10% U-235) – 560 кг;
Давление в контуре – 100
атм.



Конструкция Первой АЭС: 1-реактор; 2-центральный зал; 3-сервоприводы стержней
управления; 4-бассейн выдержки; 5-коллектор 1-го контура; 6-центральный пульт управления;
7-парогенератор; 8-привод задвижки 1-го контура; 9-коридор коммуникаций 1-го контура; 10-
циркуляционный насос; 11-насосный узел; 12-подпиточный насос 1-го контура; 13-физическая
лаборатория; 14-лаборатория для получения изотопов. Астахов С.М.


Первая в мире АЭС мощностью 5 МВт была запущена 27 июня 1954 года в
городе Обнинск. В 1958 была введена в эксплуатацию 1-я очередь
Сибирской АЭС мощностью 100 МВт (полная проектная мощность 600 МВт)
(остановлена в 2008 г. 2 блока реконструируются). В том же году
развернулось строительство Белоярской промышленной АЭС, а 26 апреля
1964 генератор 1-й очереди дал ток потребителям. В сентябре 1964 был
пущен 1-й блок Нововоронежской АЭС мощностью 210 МВт. Второй блок
мощностью 350 МВт запущен в декабре 1969. В 1973 г. запущена
Ленинградская АЭС. За пределами СССР первая АЭС промышленного
назначения мощностью 46 МВт была введена в эксплуатацию в 1956 в
Колдер-Холле (Великобритания).Через год вступила в строй АЭС мощностью
60 МВт в Шиппингпорте (США).
Курчатов Игорь Васильевич
(30 декабря 1902 - 7 февраля 1960)
Советский физик, главный научный руководитель работ по атомной
проблеме в СССР, один из основоположников использования ядерной
энергии в мирных целях, основатель и первый директор Института
атомной энергии. При участии Курчатова были созданы первая
советская атомная бомба, первая в мире термоядерная бомба, первая
в мире промышленная атомная электростанция, первый в мире
атомный реактор для подводных лодок и атомных ледоколов.


Атомные электростанции классифицируются в соответствии с
установленными на них реакторами:
1. Реакторы на тепловых нейтронах, использующие специальные
замедлители для увеличения вероятности поглощения нейтрона ядрами
атомов топлива:
1) Реакторы на легкой воде;
2) Реакторы на тяжелой воде.
2. Реакторы на быстрых нейтронах;
3. Субкритические реакторы, использующие внешние источники
нейтронов;
4. Термоядерные реакторы.

Атомные станции по виду отпускаемой энергии можно разделить на:
1. Атомные электростанции (АЭС), предназначенные для выработки
только электроэнергии;
2. Атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), вырабатывающие как
электроэнергию, так и тепловую энергию.
Однако, на всех атомных станциях России есть теплофикационные
установки, предназначенные для подогрева сетевой воды.

Схема работы энергоблока с водо-водяным реактором (ВВЭР)

1 — реактор, 2 — топливо, 3 — регулирующие стержни, 4 — приводы СУЗ, 5 — компенсатор давления, 6 —
теплообменные трубки парогенератора, 7 — подача питательной воды в парогенератор, 8 — цилиндр
высокого давления турбины, 9 — цилиндр низкого давления турбины, 10 — генератор, 11 — возбудитель, 12
— конденсатор, 13 — система охлаждения конденсаторов турбины, 14 — подогреватели, 15 —
турбопитательный насос, 16 — конденсатный насос, 17 — главный циркуляционный насос, 18 —
подключение генератора к сети, 19 — подача пара на турбину, 20 — гермооболочка.


Энергия, выделяемая в активной зоне реактора, передаётся
теплоносителю первого контура. Вода первичного контура, циркулирующая
непосредственно через реактор, приобретает радиоактивность,
представляющую опасность для обслуживающего персонала. Поэтому
оборудование этого контура размещается под землей в отдельных камерах
с толстыми (до 1,5 м) бетонными стенками. Управление оборудованием
осуществляется дистанционно. Далее теплоноситель поступает в
теплообменник (парогенератор), где нагревает до кипения воду второго
контура. Полученный при этом пар поступает в турбины, вращающие
электрогенераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где
охлаждается большим количеством воды, поступающим из водохранилища.
Компенсатор давления представляет собой довольно сложную и
громоздкую конструкцию, которая служит для выравнивания колебаний
давления в контуре во время работы реактора, возникающих за счёт
теплового расширения теплоносителя. Давление в 1-м контуре может
доходить до 160 атмосфер (ВВЭР-1000).


Помимо воды, в различных реакторах в качестве теплоносителя может
применяться также расплавленный натрий или газ. Использование натрия
позволяет упростить конструкцию оболочки активной зоны реактора (в
отличие от водяного контура, давление в натриевом контуре не превышает
атмосферное), избавиться от компенсатора давления, но создаёт свои
трудности, связанные с повышенной химической активностью этого
металла.
Общее количество контуров может меняться для различных реакторов,
схема на рисунке приведена для реакторов типа ВВЭР (Водо-Водяной
Энергетический Реактор). Реакторы типа РБМК (Реактор Большой Мощности
Канального типа) используют один водяной контур, а реакторы БН (реактор
на Быстрых Нейтронах) - два натриевых и один водяной контуры.
В случае невозможности использования большого количества воды для
конденсации пара, вместо использования водохранилища, вода может
охлаждаться в специальных охладительных башнях (градирнях), которые
благодаря своим размерам обычно являются самой заметной частью
атомной электростанции.
Для предохранения персонала АЭС от радиационного облучения реактор
окружают биологической защитой, основным материалом для которой
служат бетон, вода, песок.

Схема энергоблока АЭС с реактором типа РБМК

1 – графитовый замедлитель, 2 – стержни управления и защиты, 3 – технологические
каналы, 4 – пар, 5 – вода, 6 – барабан-сепаратор, 7 – сухой пар, 8 – турбина высокого давления,
9 – турбины низкого давления, 10 – электрический генератор, 11 – циркуляционные насосы, 12
– охладитель (конденсатор), 13 – вспомогательный водяной контур.



Достоинства атомных станций:
1. Сравнительный объем топлива, используемого за год одним реактором
типа ВВЭР-1000:

2. Небольшой объём используемого топлива и возможность его повторного
использования после переработки (для сравнения, ежедневно одна только
Троицкая ГРЭС мощностью 2000 МВт сжигает за сутки два
железнодорожных состава угля);
3. Высокая мощность: 1000—1600 МВт на энергоблок;
4. Низкая себестоимость энергии, особенно тепловой;
5. Возможность размещения в регионах, расположенных вдали от крупных
водноэнергетических ресурсов, крупных месторождений угля, в местах, где
ограничены возможности для использования солнечной или ветряной
электроэнергетики;
6. При работе АЭС в атмосферу выбрасывается некоторое количество
ионизированного газа, однако обычная тепловая электростанция вместе с
дымом выводит еще большее количество радиационных выбросов, из-за
естественного содержания радиоактивных элементов в каменном угле.


Недостатки атомных станций:
1. Облученное топливо опасно, требует сложных и дорогих мер по
переработке и хранению;
2. Нежелателен режим работы с переменной мощностью для реакторов,
работающих на тепловых нейтронах;
3. С точки зрения статистики и страхования крупные аварии крайне
маловероятны, однако последствия такого инцендента крайне тяжёлые;
4. Большие капитальные вложения, как удельные, на 1 МВт
установленной мощности для блоков мощностью менее 700-800 МВт, так и
общие, необходимые для постройки станции, её инфраструктуры, а также в
случае возможной ликвидации.

Надзор за безопасностью российских АЭС осуществляет Ростехнадзор.
Несмотря на указанные недостатки, атомная энергия представляется
самой перспективной. Альтернативные способы получения энергии на
данный момент отличаются невысоким уровнем добываемой энергии и её
низкой концентрацией.
Россия приступила к строительству первой в мире плавающей АЭС,
позволяющей решить проблему нехватки энергии в отдалённых
прибрежных районах страны.


Атомные станции мира



Крупнейшая АЭС в мире
Касивадзаки-Карива по установленной
мощности находится в Японском
городе Касивадзаки — в эксплуатации
находятся пять кипящих ядерных
реакторов (BWR) и два продвинутых
кипящих ядерных реакторов (ABWR),
суммарная мощность которых
составляет 8,212 ГВт. Первый
энергоблок введён в строй в 1985 году.
В результате землетрясения магнитудой 6,8 по шкале Рихтера 16 июля
2007 года на станции возникли нештатные ситуации, включая утечку
радиации и пожар на вспомогательном объекте. После этого реакторы были
остановлены. В начале мая 2009 года после серии восстановительных и
строительных работ, направленных в том числе на улучшение
сейсмоустойчивости АЭС, 7 энергоблок (он пострадал меньше остальных)
был запущен в тестовом режиме. По предположениям экспертов, в штатный
режим он будет переведён через полтора месяца.


Крупнейшая АЭС в Европе – Запорожская АЭС у г. Энергодар
(Запорожская область, Украина), строительство которой начато в 1980 г. На
данный момент работают 6 атомных реакторов суммарной мощностью 6
ГВт.

В последние годы станция вырабатывает около 50% всей электроэнергии,
производимой атомными электростанциями Украины, и более 21% от
общей генерации электроэнергии в стране.


Атомные станции России
В настоящее время в России на 10 действующих АЭС эксплуатируется 31
энергоблок общей мощностью 23243 МВт, из них 15 реакторов с водой под
давлением — 9 ВВЭР-1000, 6 ВВЭР-440; 15 канальных кипящих реакторов —
11 РБМК-1000 и 4 ЭГП-6; 1 реактор на быстрых нейтронах - БН-600.
Балаковская (4 ВВЭР-1000 × 1000 МВт), 2 ВВЭР-1000 × 1000 МВт
Белоярская (1 БН-600 × 600 МВт), 1 БН-800 × 880 МВт
Билибинская (4 ЭГП-6 × 12 МВт)
Волгодонская (Ростовская) (2 ВВЭР-1000 × 1000 МВт), 4 ВВЭР-1000 × 1000
МВт
Калининская (3 ВВЭР-1000 × 1000 МВт), 1 ВВЭР-1000 × 1000 МВт (12.12.11)
Кольская (4 ВВЭР-440 × 440 МВт), 2 ВВЭР-1200 × 1170 МВт
Курская (4 РБМК-1000 × 1000 МВт), 2 РБМК-1000 × 1000 МВт
Ленинградская (4 РБМК-1000 × 1000 МВт)
Нововоронежская (1 ВВЭР-1000 × 1000 МВт, 2 ВВЭР-440 × 417 МВт)
Смоленская (3 РБМК-1000 × 1000 МВт), 1 РБМК-1000 × 1000 МВт
В разработках проекта Энергетической стратегии России на период до
2030 г. предусмотрено увеличение производства электроэнергии на атомных
электростанциях в 4 раза.


Атомные станции России



Крупнейшая российская ядерная электростанция Балаковская АЭС -
вырабатывает базовую часть электроэнергии Поволжья. Расположена в
Саратовской области. Станция — крупнейший в России производитель
электроэнергии. Ежегодно она вырабатывает более 30 миллиардов кВт·ч
электроэнергии (больше, чем любая другая атомная, тепловая и
гидроэлектростанция страны). Ее электроэнергией надежно обеспечиваются
потребители Поволжья (76% поставляемой ею электроэнергии), Центра
(13%), Урала (8%) и Сибири (3%). Электроэнергия Балаковской АЭС - самая
дешевая среди всех АЭС и тепловых электростанций России. Коэффициент
использования установленной мощности (КИУМ) на Балаковской АЭС
составляет более 80 процентов.
Вырабатываемое напряжение 24
кВ. Станция на настоящий момент
состоит из четырёх действующих
энергоблоков, с реакторами типа
ВВЭР-1000/320. Установленная
тепловая мощность каждого блока
составляет 3200 МВт, электрическая
мощность - 1000 МВт.


Водохранилище - охладитель



Перегрузочная машина
Транспортировка парогенератора над бассейнов выдержки
отработавшего топлива



Машинный зал



Разобранная турбина



Разобранный турбогенератор



Блочный щит управления


Lecture 3

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Lecture 3

Similar to Lecture 3 (20)

More from Astakx

More from Astakx (7)

Lecture 3