Пароэлектростанция

Пароэлектростанция , – это электростанция в которой электрогенератор приводится в движение паром . Вода нагревается, превращается в пар и вращает паровую турбину , которая приводит в движение электрический генератор . После прохождения через турбину пар конденсируется в конденсаторе . Наибольшее разнообразие конструкций пароэлектростанций обусловлено различными источниками топлива.

Почти все угольные , атомные , геотермальные , солнечные тепловые электростанции, мусоросжигательные заводы , а также многие газовые электростанции являются пароэлектрическими. Природный газ часто сжигается в газовых турбинах, а также в котлах . Отходящее тепло газовой турбины можно использовать для поднятия пара на электростанции с комбинированным циклом , что повышает общую эффективность.

Во всем мире большая часть электроэнергии производится на пароэлектростанциях. ^{[ 1 ]} Единственными широко используемыми альтернативами являются фотоэлектрические системы , прямое преобразование механической энергии, как это происходит в гидроэлектростанциях и ветряных турбинах, а также некоторые более экзотические применения, такие как энергия приливов или волн, и, наконец, некоторые формы геотермальных электростанций. ^{[ 2 ]} Нишевые применения таких методов, как бетавольтаика или химическое преобразование энергии (включая электрохимию ), имеют значение только для батарей и атомных батарей . Топливные элементы являются предлагаемой альтернативой будущей водородной экономике .

История

Паровые поршневые двигатели использовались в качестве источников механической энергии с 18 века, причем заметные улучшения были сделаны Джеймсом Уаттом . Самые первые коммерческие центральные электростанции в Нью-Йорке и Лондоне в 1882 году также использовали поршневые паровые двигатели. По мере увеличения размеров генераторов в конечном итоге на смену пришли турбины из-за более высокой эффективности и более низкой стоимости строительства. К 1920-м годам любая центральная станция мощностью более нескольких тысяч киловатт должна была использовать турбинный первичный двигатель.

Эффективность

КПД обычной пароэлектростанции, определяемый как энергия, произведенная установкой, деленная на теплотворную способность потребляемого ею топлива, обычно составляет от 33 до 48% и ограничивается, как и все тепловые двигатели, законами термодинамики ( см. : цикл Карно ). Остальная энергия должна покинуть растение в виде тепла. Это отходящее тепло можно удалить с помощью охлаждающей воды или в градирнях . ( Когенерация использует отходящее тепло для централизованного теплоснабжения ). Важный класс паровых электростанций связан с опреснительными установками, которые обычно располагаются в пустынных странах с большими запасами природного газа . На этих предприятиях пресная вода и электричество являются одинаково важными продуктами.

Поскольку эффективность установки принципиально ограничена соотношением абсолютных температур пара на входе и выходе турбины, повышение эффективности требует использования пара с более высокой температурой и, следовательно, более высоким давлением. Исторически другие рабочие жидкости, такие как ртуть, экспериментально использовались в турбинных электростанциях на парах ртути , поскольку они могут достигать более высоких температур, чем вода, при более низком рабочем давлении. Однако плохие свойства теплопередачи и очевидная опасность токсичности исключили использование ртути в качестве рабочей жидкости.

Другой вариант — использование сверхкритической жидкости в качестве рабочего тела . Сверхкритические жидкости в некоторых отношениях ведут себя подобно газам, а в других — как жидкости. Сверхкритическая вода или сверхкритический диоксид углерода могут быть нагреты до гораздо более высоких температур, чем достигаются в обычных паровых циклах, что обеспечивает более высокий тепловой КПД . Однако эти вещества необходимо хранить при высоких давлениях (выше критического давления ) для поддержания сверхкритичности, и возникают проблемы с коррозией. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Компоненты паровой установки

Конденсатор

Пароэлектрические электростанции используют поверхностный конденсатор , охлаждаемый водой, циркулирующей по трубкам. Пар, который использовался для вращения турбины, выбрасывается в конденсатор и конденсируется при контакте с трубами, заполненными холодной циркулирующей водой. Конденсированный пар, обычно называемый конденсатом . извлекается из нижней части конденсатора. Соседнее изображение представляет собой схему типичного поверхностного конденсатора. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

Для достижения максимальной эффективности температура в конденсаторе должна поддерживаться настолько низкой, насколько это практически возможно, чтобы достичь минимально возможного давления конденсирующегося пара. Поскольку температуру конденсатора почти всегда можно поддерживать значительно ниже 100 °C, где давление паров воды намного меньше атмосферного давления, конденсатор обычно работает в вакууме . Таким образом, необходимо предотвратить утечку неконденсируемого воздуха в замкнутый контур. Заводам, работающим в жарком климате, возможно, придется снизить производительность, если источник охлаждающей воды для конденсаторов станет теплее; к сожалению, это обычно совпадает с периодами высокого спроса на электроэнергию для кондиционирования воздуха . Если хороший источник охлаждающей воды недоступен, можно использовать градирни для отвода отработанного тепла в атмосферу. также можно использовать большую реку или озеро В качестве радиатора для охлаждения конденсаторов ; Повышение температуры в естественных водах может иметь нежелательные экологические последствия, но при некоторых обстоятельствах может также случайно повысить улов рыбы. ^{[ нужна ссылка ]}

Нагреватель питательной воды

Цикл Ренкина с двухступенчатой паровой турбиной и одним подогревателем питательной воды.

В случае обычной пароэлектростанции с барабанным котлом поверхностный конденсатор удаляет скрытую теплоту парообразования из пара, когда он переходит из состояния пара в жидкость. Затем конденсатный насос прокачивает конденсатную воду через нагреватель питательной воды , который повышает температуру воды за счет использования отбираемого пара из различных ступеней турбины. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Предварительный нагрев питательной воды уменьшает необратимые явления, связанные с выработкой пара, и, следовательно, повышает термодинамический КПД системы. ^{[ 9 ]} Это снижает эксплуатационные расходы установки, а также помогает избежать теплового удара металла котла, когда питательная вода возвращается в паровой цикл.

Котел

Как только эта вода попадает внутрь котла или парогенератора , начинается процесс добавления скрытой теплоты испарения . Котел передает энергию воде посредством химической реакции сжигания какого-либо вида топлива. Вода поступает в котел через секцию конвекционного канала, называемую экономайзером . Из экономайзера она поступает в паровой барабан, откуда по сливным стаканам попадает в нижние водозаборные коллекторы. Из водозаборных коллекторов вода поднимается через водяные перегородки. Некоторая его часть превращается в пар за счет тепла, выделяемого горелками, расположенными на передней и задней стенках (обычно). Из водяных стен водно-паровая смесь поступает в паровой барабан, проходит через ряд сепараторов пара и воды, а затем через сушилки внутри парового барабана . Пароотделители и сушилки удаляют из пара капли воды; Жидкая вода, попадающая в турбину, может вызвать разрушительную эрозию лопаток турбины. и цикл через водяные стены повторяется. Этот процесс известен как естественная циркуляция .

Геотермальным электростанциям не нужен котел, поскольку они используют природные источники пара. Теплообменники могут использоваться там, где геотермальный пар очень агрессивен или содержит чрезмерное количество взвешенных твердых частиц. Атомные электростанции также кипятят воду для поднятия пара, либо напрямую пропуская рабочий пар через реактор, либо используя промежуточный теплообменник.

Пароперегреватели

После того, как пар кондиционируется сушильным оборудованием внутри барабана, он подается по трубам из верхней части барабана в сложную систему труб в различных частях котла, в зонах, известных как пароперегреватель и промежуточный нагреватель. Паровой пар поглощает энергию и перегревается выше температуры насыщения. Затем перегретый пар по основным паропроводам подается к клапанам турбины высокого давления.

См. также

Ссылки

^ «Как генерируется электричество — Управление энергетической информации США (EIA)» .
^ https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19780073904/downloads/19780073904.pdf . ^{[ только URL-адрес PDF ]}
^ «Газовые турбины со сверхкритическим CO2 | Висконсинский энергетический институт» .
^ «Сверхкритический углекислый газ может сделать электрические турбины более экологичными» . 25 августа 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б Бэбкок и Уилкокс Ко. (2005). Steam: его создание и использование (41-е изд.). ISBN 0-9634570-0-4 .
^ Jump up to: ^а ^б Томас К. Эллиотт, Као Чен, Роберт Сванекамп (соавторы) (1997). Стандартный справочник по силовой технике (2-е изд.). МакГроу-Хилл Профессионал. ISBN 0-07-019435-1 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Ориентационный курс по контролю за загрязнением воздуха с веб-сайта Учебного института по борьбе с загрязнением воздуха.
^ Экономия энергии в паровых системах. Архивировано 27 сентября 2007 г. в Wayback Machine. Рисунок 3a. Схема поверхностного конденсатора (перейдите к странице 11 из 34 страниц в формате PDF).
^ «Основы паровой энергетики» , Кеннет Уэстон, Университет Талсы.

Внешние ссылки

[1] «Как генерируется электричество — Управление энергетической информации США (EIA)» .

[2] ttps://ntrs.nasa.gov/api/citations/19780073904/downloads/19780073904.pdf . ^{[ только URL-адрес PDF ]}

[3] «Газовые турбины со сверхкритическим CO2 | Висконсинский энергетический институт» .

[4] «Сверхкритический углекислый газ может сделать электрические турбины более экологичными» . 25 августа 2015 г.

[Babcock-5] Jump up to: ^а ^б Бэбкок и Уилкокс Ко. (2005). Steam: его создание и использование (41-е изд.). ISBN 0-9634570-0-4 .

[Elliott-6] Jump up to: ^а ^б Томас К. Эллиотт, Као Чен, Роберт Сванекамп (соавторы) (1997). Стандартный справочник по силовой технике (2-е изд.). МакГроу-Хилл Профессионал. ISBN 0-07-019435-1 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[7] Ориентационный курс по контролю за загрязнением воздуха с веб-сайта Учебного института по борьбе с загрязнением воздуха.

[8] Экономия энергии в паровых системах. Архивировано 27 сентября 2007 г. в Wayback Machine. Рисунок 3a. Схема поверхностного конденсатора (перейдите к странице 11 из 34 страниц в формате PDF).

[Weston-9] «Основы паровой энергетики» , Кеннет Уэстон, Университет Талсы.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

Базы данных авторитетного контроля
Национальный	Германия Израиль Соединенные Штаты Латвия
Другой	НАРА