книги / Общая энергетика
..pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
В.П. Казанцев
ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2009
УДК 62-52 К14
Рецензенты:
директор Научно-образовательного центра энергосбережения Пермского государственного технического университета
канд. техн. наук А.В. Ромодин;
директор Центра научно-технической информации (г. Пермь) канд. техн. наук А.В. Трусов
Казанцев, В.П.
К14 Общая энергетика: учеб. пособие / В.П. Казанцев. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. – 271 с.
ISBN 978-5-398-00221-8
Рассмотрены общие вопросы энергетики, характеризующие структуру топливно-энергетического комплекса и основные показатели единой энергетической системы России. Приведена общая характеристика электростанций, электрических и тепловых сетей, потребителей электроэнергии, а также типовые графики электрических и тепловых нагрузок энергосистем и условия обеспечения балансов мощности и энергии. Даны виды и характеристики углеводородных топлив как невозобновляемых источников энергии. Приведены тепловые, технологические и компоновочные схемы тепловых и атомных электростанций. Дана общая характеристика гидроэнергетических установок. Рассмотрены природоохранные проблемы гидроэнергетики, а также проблемы и перспективы использования традиционных и нетрадиционных, возобновляемых и невозобновляемых источников энергии.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 140211 «Электроснабжение».
УДК 62-52
ISBN 978-5-398-00221-8 © ГОУ ВПО
«Пермский государственный технический университет», 2009
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ............................................... |
6 |
ВВЕДЕНИЕ............................................................................. |
7 |
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭНЕРГЕТИКИ................................ |
9 |
1.1. Энергетические ресурсы земли и их |
|
использование............................................................... |
9 |
1.2. Топливно-энергетический комплекс России....... |
12 |
1.3. Единая энергетическая система России............... |
14 |
1.4. Электрические станции......................................... |
20 |
1.5. Электрические и тепловые сети........................... |
24 |
1.6. Потребители электрической энергии................... |
31 |
1.7. Графики электрических и тепловых нагрузок |
|
энергосистем................................................................. |
34 |
1.8. Балансы мощности и энергии энергосистем....... |
40 |
1.9. Традиционное топливо и его характеристики .... |
48 |
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ |
|
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.................................... |
54 |
2.1. Теплопередача, виды теплообмена...................... |
54 |
2.2. Основные термодинамические процессы |
|
и законы (начала) термодинамики.............................. |
58 |
2.3. Термодинамические циклы тепловых |
|
двигателей ..................................................................... |
62 |
2.3.1. Термодинамический цикл Карно............... |
63 |
2.3.2. Термодинамический цикл Ранкина ........... |
65 |
2.3.3. Энергетические показатели цикла |
|
Ранкина................................................................... |
67 |
3. ТЕПЛОВЫЕ И АТОМНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ |
|
УСТАНОВКИ......................................................................... |
71 |
3.1. Тепловые электростанции..................................... |
71 |
3.1.1. Тепловые схемы ТЭС.................................. |
73 |
3.1.1.1. Тепловые схемы КЭС............................... |
76 |
3.1.1.2. Когенерация. Тепловые схемы ТЭЦ....... |
79 |
3.1.2. Технологические схемы ТЭС..................... |
82 |
3.1.3. Компоновочные схемы ТЭС....................... |
89 |
|
3 |
3.1.4. Основное оборудование ТЭС..................... |
96 |
3.1.4.1. Паровые котлы.......................................... |
96 |
3.1.4.2. Паровые турбины ..................................... |
104 |
3.1.4.3. Электрические генераторы |
|
и трансформаторы................................................. |
112 |
3.1.5. Вспомогательное оборудование ТЭС........ |
115 |
3.1.5.1. Насосы и газодувные машины................ |
115 |
3.1.5.2. Главные паропроводы и питательные |
|
трубопроводы ТЭС................................................ |
118 |
3.1.5.3. Системы регенеративного подогрева |
|
питательной воды и промежуточного |
|
перегрева................................................................ |
120 |
3.1.5.4. Системы подогрева сетевой воды........... |
124 |
3.2. Атомные электростанции...................................... |
128 |
3.2.1. Принцип действия и типы атомных |
|
электростанций...................................................... |
128 |
3.2.2. Ядерные реакторы....................................... |
133 |
3.2.2.1. Принцип работы и классификация |
|
ядерных реакторов ................................................ |
133 |
3.2.2.2. Реакторы на тепловых и быстрых |
|
нейтронах ............................................................... |
142 |
3.2.3. Ядерное топливо.......................................... |
146 |
3.2.4. Тепловые схемы АЭС ................................. |
148 |
3.2.5. Технологические схемы и компоновка |
|
АЭС......................................................................... |
154 |
3.2.6. Экономические аспекты атомной |
|
энергетики.............................................................. |
161 |
3.2.7. Экология атомной энергетики.................... |
164 |
3.2.8. Перспективы развития ядерной |
|
и термоядерной энергетики.................................. |
166 |
4. ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ................... |
168 |
4.1. Гидростатика и гидродинамика............................ |
168 |
4.2. Гидроэнергоресурсы и состояние |
|
гидроэнергетики России............................................... |
170 |
4.3. Классификация, принцип работы |
|
и характеристики гидроэнергетических установок..... |
174 |
4 |
|
4.4. Схемы использования гидравлической |
|
энергии........................................................................... |
179 |
4.5. Основное оборудование ГЭС ............................... |
185 |
4.5.1. Гидротурбины.............................................. |
185 |
4.5.2. Гидрогенераторы......................................... |
189 |
4.6. Природоохранные проблемы гидроэнергетики |
|
и их учет при проектировании ГЭС............................ |
192 |
5. НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ |
|
И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ .................................................... |
206 |
5.1. Состояние и перспективы нетрадиционной |
|
энергетики..................................................................... |
207 |
5.2. Энергия ветра и ветроэлектрические станции.... |
210 |
5.2.1. Ветроэнергетические установки................ |
213 |
5.2.2. Основные проблемы и перспективы |
|
ветроэнергетики..................................................... |
220 |
5.3. Энергия земли и геотермальные |
|
электростанции............................................................. |
224 |
5.4. Энергия Мирового океана и ее использование..... |
233 |
5.4.1. Гидротермальные электростанции ............ |
234 |
5.4.2. Волновые электростанции.......................... |
236 |
5.4.3. Приливные электростанции ....................... |
238 |
5.4.4. Электростанции морских течений............. |
241 |
5.5. Энергия Солнца и солнечные электростанции... |
244 |
5.6. Водородная энергетика......................................... |
251 |
5.7. Вторичные энергоресурсы.................................... |
254 |
5.8. Биомасса как возобновляемый источник |
|
энергии........................................................................... |
257 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................... |
265 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................... |
268 |
5
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АКЭС – атомная конденсационная электростанция; АСКУЭ – автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии; АТЭЦ – атомная теплоэлектроцентраль;
ВЛ – воздушная линия (электропередачи); ВолЭС – волновая энергетическая станция; ГиТЭС – гидротермальная электростанция;
ГАЭС – гидравлическая аккумулирующая электростанция; ГВС – горячее водоснабжение; ГПП – главная понизительная подстанция;
ГеоЭС – геотермальная электростанция; ГЭС – гидравлическая электростанция;
ГРЭС – государственная районная электростанция; ЕЭС – единая энергосистема; КЛ – кабельная линия (электропередачи);
КЭС – конденсационная электростанция; ЛЭП – линия электропередачи; ОЭС – объединенная энергосистема; ПЭС – приливная электростанция;
РЗАиТ – релейная защита, автоматика и телемеханика; РП – распределительный пункт (подстанция); РЭС – районная энергосистема; СКЭС – солнечная космическая электростанция; СЭС – солнечная электростанция; ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент; ТП – трансформаторная подстанция;
ТЭК – топливно-энергетический комплекс; ТЭС – тепловая электростанция;
ТЭЦ – теплофикационная электроцентраль (теплоэлектроцентраль); ФОРЭМ – фондовый оптовый рынок энергии и мощности; НОРЭМ – новый фондовый оптовый рынок энергии и мощности; ЭС – электростанция; ЭСМТ – электростанция морских течений.
6
ВВЕДЕНИЕ
Научно-технический прогресс немыслим без развития энергетики и электрификации производств. Для повышения производительности труда первостепенное значение имеет автоматизация производственных процессов, базирующаяся, прежде всего, на применении электрической энергии. Основными потребителями электроэнергии в производстве продукции являются электрические машины, мощность которых варьируется от единиц ватт до десятков мегаватт, причем рост планетарного населения, с одной стороны, и рост материальных потребностей, с другой, неизбежно ведут к наращиванию потребляемой электроэнергии с каждым годом.
Для производства электрической энергии применяются различные электростанции, базирующиеся на сжигании природных энергетических ресурсов. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) не бесконечны. Ограничены запасы и ядерного топлива – урана и тория, из которого с помощью реакторов можно получать плутоний. Поэтому на сегодняшний день важно не только развивать добычу экономически выгодных источников энергии, но и рационально использовать имеющиеся природные ресурсы для производства электроэнергии без существенного ущерба окружающей среде. Отсюда – большой комплекс проблем технико-экономического, экологического и социального характера в области энергетики.
Учебная дисциплина «Общая энергетика» рассматривает общие вопросы формирования и функционирования топлив-
но-энергетического комплекса (ТЭК) страны, основу которо-
го составляют районные энергетические системы (РЭС), объединенные в единую энергетическую систему (ЕЭС) России.
Энергетическая система представляет собой совокупность электрических станций, электрических и тепловых сетей и узлов потребления, объединенных процессом произ-
7
водства, передачи и распределения электроэнергии и тепловой энергии по потребителям.
Электроэнергетика – ведущая часть энергетики, обеспечивающая электрификацию страны на основе рационального производства и распределения электрической энергии. Электроэнергетика имеет важнейшее значение в хозяйстве любой страны, что объясняется такими преимуществами электрической энергии перед энергией других видов, как относительная легкость передачи ее на большие расстояния, распределения между потребителями, а также преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую и др.).
В силу специфики своего производства электроэнергетика занимает особое положение. В электроэнергетике химическая энергия, запасенная в топливе, энергия падения воды, солнечная, ветровая и другие виды энергии проходят путь последовательного преобразования в тепловую, механическую и, наконец, в электрическую энергию. В основе такого преобразования лежат термодинамические циклы тепловых двигателей. Промежуточным продуктом в этом процессе преобразования энергии, получившим широкое потребительское значение, является тепловая энергия.
Важнейшими вопросами энергетики и электроэнерге-
тики, нашедшими отражение в учебных дисциплинах специальности, являются:
•Электропитающие системы и электрические сети.
•Системы электроснабжения.
•Релейная защита, автоматика и телемеханика (РЗАиТ) систем электроснабжения.
•Переходные процессы в электроэнергетике.
•Электромагнитная совместимость в электроэнергетике.
•Надежность электроснабжения.
•Информационные системы в управлении электроснабжением.
•Энергосбережение и энергоаудит.
8
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭНЕРГЕТИКИ
1.1.Энергетические ресурсы земли
иих использование
Уровень материальной и, в конечном счете, духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Самоограничение в использовании энергии тепла и электроэнергии входит в противоречие с естественным желанием человека жить комфортно в современном цивилизованном обществе. При этом население Земли и потребности людей непрерывно растут. Структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню такова, что практически 80 % произведенной энергии на Земле производится путем сжигания органического топлива. При этом попытки решить энергетические проблемы сегодняшнего дня увеличением числа тепловых электростанций обречены на провал в силу целого ряда причин, обусловленных как ограниченными ресурсами традиционных органических топлив и, как следствие, неизбежным ростом цен на них, так и возросшими требованиями к защите окружающей среды. Отсюда – стремление ведущих промышленных стран, обеспечивающих оптимизацию внутреннего энергетического баланса, выработать национальные энергетические программы. При этом со стороны наиболее развитых в экономическом плане стран неизбежно стремление контролировать мировые энергоресурсы – их добычу и распределение.
Сама по себе энергия представляет собой не что иное, как способность совершать ту или иную работу. Огромное количество энергии содержится в ископаемом топливе, деревьях, растениях, воздухе, воде, солнце, в самих людях и животных, однако процесс преобразования ее в полезную работу может быть как технически, так и экономически малоэффективным. При этом среди источников энергии разли-
9
чают возобновляемые и невозобновляемые природой, традиционные и нетрадиционные.
К возобновляемым источникам энергии условно относят источники энергии, которые в обозримом будущем, исчисляемом тысячелетиями, неиссякнут. Такими источниками энергии являются: энергия рек, морей и океанов, солнечная, ветровая, геотермальная энергия, биоэнергия и др.
Невозобновляемые источники энергии – источники энер-
гии, которые после преобразования их в иной вид энергии теряют возможность последующего использования. К таким источникам энергии относят ископаемые органические виды топлив (торф, уголь, горючие сланцы, нефть и продукты ее переработки, природный и искусственный газ, ядерное топливо и др.).
Традиционные источники энергии – источники энергии,
которые используются для выработки электрической и тепловой энергии в традиционных энергетических установках – котельных установках, тепловых, атомных и гидравлических электростанциях. К таким источникам энергии относят торф, уголь, газ, мазут, ядерное топливо, а также возобновляемый природой источник энергии – гидравлическая энергия рек.
Нетрадиционные источники энергии – источники энер-
гии, которые не являются общепринятыми для выработки электрической и тепловой энергии в традиционных энергетических установках. К таким источникам энергии относят энергию ветра, солнца, земли, морей и океанов и др. Нетрадиционной энергетикой являются также водородная энергетика, биоэнергетика, энергетика вторичных ресурсов.
Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. К настоящему времени в России и европейских странах производство электроэнергии на душу населения достигло в среднем 6–7 тыс. кВт∙ч, а в США и Канаде – вдвое больше. При этом наблюдается ежегодный рост удельного энергопотребления в развитых странах.
10