Применение теплотехники и гидроэнергетики в производстве электроэнергии

Производство электроэнергии - это процесс преобразования различных видов энергии в электрическую на индустриальных объектах, называемых электрическими станциями.

Тепловая электроэнергетика

В данном случае в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия сгорания органических топлив. Электростанции, применяющие тепловую энергию, подразделяются на конденсационные (КЭС) и теплоцентрали (ТЭЦ). Блоки этих станций производят электроэнергию и тепло с помощью сжигания разнообразных видов топлива. КЭС и ТЭЦ имеют схожие технологические процессы.

В обоих случаях имеется котёл, в котором сжигается топливо и за счёт выделяемого тепла нагревается пар под давлением. Далее нагретый пар подаётся в паровую турбину, где его тепловая энергия преобразуется в энергию вращения. Вал турбины вращает ротор электрогенератора - таким образом энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая подаётся в сеть.

Схема тепловой электростанции

Конденсационные электростанции (КЭС, ГРЭС)

Сегодня ГРЭС известны как конденсационные электростанции.

Теплофикационные электростанции (ТЭЦ)

Теплоцентраль - это тип электростанции, который создает тепловую энергию параллельно с электричеством. По системам труб и кабелей энергия передается для использования в жилых домах или промышленных объектах. Тепло передается в виде горячей воды или пара.

Главное здание включает очистные сооружения для дымовых выбросов, архитектурно составляющие основу плана теплоэлектростанции. Сортировочные устройства могут быть открытыми или закрытыми в зависимости от конкретных нужд отрасли электроэнергетики. В этом случае они располагаются рядом с турбинной частью основного корпуса. Градирня, расположенная у постоянной стороны фронта турбинной части, находится на расстоянии, чтобы пары не воздействовали на нее. Бытовые и административные помещения находятся с постоянной стороны фасада для обеспечения удобства связи с основным отсеком. ТЭЦ имеет возможность расширения главных строений, систем очистки и отопления.

При сжигании топлива в топке осуществляется нагрев воздуха, который является окислителем. Вариант с поперечными связями предусматривает соединение паровых и водяных турбин, что дает возможность перемещать пары между установками. Данный вариант имеет гибкое управление и быструю реакцию на изменения потребностей. Приборы с блочной компоновкой имеют независимые процессы в каждом модуле.

По типу производимых агрегатов можно выделить ТЭЦ с парогазовыми котлами, паровыми установками, атомными реакторами. Также можно встретить теплоэлектроцентрали, где отсутствуют паровые турбины, а используют газотурбинные комплексы. Все более популярным становится использование газотурбинных комплексов, которые применяют смесь нагретых газов, которые образовываются при сжигании жидкого или газообразного топлива, для вращения лопастей турбины.

Обычно устанавливают комбинации регулируемых типов отбора, где число нерегулируемых откачиваний для поддержания работы турбины может быть любым, однако не больше девяти. Если есть противодавления, то это указывает на отсутствие конденсатора у турбины, а отходящий пар направляется на производственные цели комплекса.

ТЭС создают простые процессы для генерации энергии. Они могут работать на самых разных видах топлива, включая уголь, газ или мазут. Начинается данный процесс с горения топлива, выделяющего тепло, которое потом преобразуется в механическую энергию через турбину. Турбина, вращая ротор генератора, создает электрическую энергию. В отличии от ТЭС, в которых избыточное тепло уходит на охлаждение, в ТЭЦ оно применяется для центрального отопления зданий где бы то ни было: жилых или административных.

Стоит отметить, что тепловые электростанции обладают рядом преимуществ, таких как надежность, доступность топлива и относительно низкие капитальные затраты. Тепловые электростанции продолжают занимать ключевую роль в энергетической системе многих стран, обеспечивая стабильную и надежную поставку электроэнергии.

Повышение энергоэффективности и снижение вредных выбросов являются приоритетными направлениями развития тепловой энергетики. Диверсификация топливной базы, включая использование возобновляемых источников энергии и водорода, открывает новые возможности для тепловой генерации.

Преимущества ТЭЦ

• Теплоэлектроцентрали имеют высокий КПД по сравнению с генерирующими только электроэнергию станциями.
• Производство электроэнергии и тепла вместе увеличивает КПД на 5-7% (для теплоэлектроцентралей 35-43%, для электростанций - 30%).

Принцип работы ТЭЦ

1. Топливо сгорает в парогенераторе, где осуществляется нагрев пара до водяного состояния.
2. Данная жидкость передается в котел с внутренними трубками.
3. Тепловая энергия частично преобразуется в механическую для обеспечения вращения вала, на котором установлен электрогенератор.

Принцип работы ТЭЦ

Ядерная энергетика

К ней относятся атомные электростанции (АЭС). На практике ядерную энергетику часто считают подвидом тепловой электроэнергетики, так как, в целом, принцип выработки электроэнергии на АЭС тот же, что и на ТЭС. Только в данном случае тепловая энергия выделяется не при сжигании топлива, а при делении атомных ядер в ядерном реакторе. Дальше схема производства электроэнергии ничем принципиально не отличается от ТЭС: пар нагревается в реакторе, поступает в паровую турбину и т. д.

Гидроэнергетика

Гидроэлектростанция La Grande-2

К ней относятся гидроэлектростанции (ГЭС). В гидроэнергетике в электрическую энергию преобразуется кинетическая энергия течения воды. Для этого при помощи плотин на реках искусственно создаётся перепад уровней водяной поверхности (т. н. верхний и нижний бьеф). Вода под действием силы тяжести переливается из верхнего бьефа в нижний по специальным протокам, в которых расположены водяные турбины, лопасти которых раскручиваются водяным потоком. Турбина же вращает ротор электрогенератора.

Гидроэлектростанции, или ГЭС, применяют потенциальную энергию воды для вращения турбин и генерации электричества. Они находятся на реках и могут работать исходя из объема воды, что делает их мощность зависящей от погодных условий.

Особой разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие станции (ГАЭС).

Альтернативная энергетика

К ней относятся способы генерации электроэнергии, имеющие ряд достоинств по сравнению с «традиционными», но по разным причинам не получившие достаточного распространения. Общими недостатками ветро- и гелиоэнергетики являются относительная маломощность генераторов при их дороговизне.

Геотермальная энергетика - использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии. По сути геотермальные станции представляют собой обычные ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара является не котёл или ядерный реактор, а подземные источники естественного тепла.

Геотермальная электростанция

Водородная энергетика - использование водорода в качестве энергетического топлива имеет большие перспективы: водород имеет очень высокий КПД сгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода абсолютно экологически чисто (продуктом сгорания в атмосфере кислорода является дистиллированная вода).

Стоит также отметить альтернативные виды гидроэнергетики: приливную и волновую энергетику. В этих случаях используется естественная кинетическая энергия морских приливов и ветровых волн соответственно. Распространению этих видов электроэнергетики мешает необходимость совпадения слишком многих факторов при проектировании электростанции: необходимо не просто морское побережье, но такое побережье, на котором приливы (и волнение моря соответственно) были бы достаточно сильны и постоянны.

Нормативные документы

В сфере теплотехники и гидроэнергетики действует множество нормативных документов, среди которых можно выделить следующие ГОСТы:

• ГОСТ Р 58177-2018 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Тепловые электрические станции. Оборудование тепломеханическое тепловых электростанций. Контроль состояния металла. Нормы и требования
• ГОСТ IEC 62282-4-101-2017 Технологии топливных элементов. Часть 4-101. Энергоустановки на топливных элементах, отличные от автомобильных и вспомогательных энергосистем. Безопасность электрических автопогрузчиков
• ГОСТ Р 58176-2018 Электроэнергетика. Энергетическое строительство. Организация пусконаладочных работ на тепловых электрических станциях. Общие требования
• ГОСТ 33662.3-2017 Холодильные системы и тепловые насосы. Требования безопасности и охраны окружающей среды. Часть 3. Место установки
• ГОСТ 34346.2-2017 Тепловые насосы с водой в качестве источника тепла. Испытания и оценка рабочих характеристик. Часть 2. Тепловые насосы «вода-вода» и «рассол-вода»
• ГОСТ 34346.1-2017 Тепловые насосы с водой в качестве источника тепла. Испытания и оценка рабочих характеристик. Часть 1. Тепловые насосы «вода-воздух» и «рассол-воздух»
• ГОСТ ISO 8528-5-2017 Электроагрегаты генераторные переменного тока с приводом от двигателя внутреннего сгорания. Часть 5. Электроагрегаты
• ГОСТ Р 55608-2018 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Переключения в электроустановках. Общие требования
• ПНСТ 304-2018 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Балансовая надежность энергосистем. Часть 1. Общие требования
• ГОСТ Р 58058-2018 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Устойчивость энергосистем. Нормы и требования
• ГОСТ Р 58084-2018 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Определение общесистемных технических параметров и характеристик генерирующего оборудования. Испытания. Общие требования
• ГОСТ Р 58085-2018 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Правила предотвращения развития и ликвидации нарушений нормального режима электрической части энергосистем. Нормы и требования
• ГОСТ Р 58057-2018 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Планирование развития энергосистем. Общие требования
• ГОСТ Р 54418.14-2017 Возобновляемая энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Часть 14. Определение характеристик акустического шума для партии установок
• ГОСТ Р 54418.11-2017 Возобновляемая энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Часть 11. Методы определения характеристик акустического шума
• ГОСТ Р 57903-2017 Системы фотоэлектрические. Автономные насосные системы для подачи воды. Определение выходных характеристик. Выбор и оценка
• ГОСТ Р 57902-2017 Модули фотоэлектрические. Испытания на деградацию, вызванную высоким напряжением. Часть 1. Фотоэлектрические модули на основе кристаллического кремния
• ГОСТ Р 57793-2017 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Гидравлические и гидроаккумулирующие электростанции. Гидротехнические сооружения. Мониторинг и оценка технического состояния в процессе эксплуатации. Основные положения
• ГОСТ Р 57792-2017 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Гидравлические и гидроаккумулирующие электростанции. Гидротехнические сооружения. Правила эксплуатации. Основные положения
• ГОСТ ISO 19013-2-2017 Рукава и трубки резиновые для топливной системы двигателей внутреннего сгорания. Технические требования. Часть 2. Рукава и трубки для бензина
• ГОСТ Р ИСО 14314-2017 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Самовозвратное пусковое устройство. Общие требования безопасности
• ГОСТ Р 57693-2017 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Резервы активной мощности Единой энергетической системы России. Определение объемов резервов активной мощности при краткосрочном планировании. Нормы и требования
• ГОСТ IEC/TS 62282-7-1-2016 Технологии производства топливных батарей. Часть 7-1. Топливные элементы с полимерным электролитом. Методы испытаний единичного элемента
• ГОСТ ISO 19013-1-2017 Рукава и трубки резиновые для топливной системы двигателей внутреннего сгорания. Технические требования. Часть 1. Рукава и трубки для дизельного топлива
• ГОСТ 34184-2017 Электроэнергетические системы. Оперативно-диспетчерское управление. Регулирование частоты и перетоков активной мощности в энергообъединении. Общие требования
• ГОСТ IEC 62301-2016 Электроприборы бытовые. Измерение потребляемой мощности в режиме ожидания
• ГОСТ Р 57228-2016 Системы фотоэлектрические, работающие параллельно с распределительной электрической сетью. Методы испытаний средств защитного секционирования
• ГОСТ 33962-2016 Котлы стационарные водотрубные. Общие положения. Материалы и допустимые напряжения для деталей котлов, работающих под давлением
• ГОСТ 21563-2016 Котлы водогрейные. Общие технические требования
• ГОСТ 24278-2016 Установки турбинные паровые стационарные для привода электрических генераторов ТЭС. Общие технические требования
• ГОСТ 34045-2017 Электроэнергетические системы. Оперативно-диспетчерское управление. Автоматическое противоаварийное управление режимами энергосистем. Противоаварийная автоматика энергосистем. Нормы и требования
• ГОСТ 33965-2016 Котлы стационарные водотрубные. Расчет по выбору основных размеров элементов. Коэффициенты прочности и укрепление отверстий
• ГОСТ IEC 62282-5-1-2015 Технологии топливных элементов. Часть 5-1. Портативные энергоустановки на топливных элементах. Безопасность
• ГОСТ IEC 62282-3-300-2015 Технологии топливных элементов. Часть 3-300. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Монтаж
• ГОСТ IEC 62282-3-201-2015 Технологии топливных элементов. Часть 3-201. Стационарные энергоустановки, установки на топливных элементах. Методы испытаний для определения рабочих характеристик систем малой мощности
• ГОСТ Р 57230-2016 Системы фотоэлектрические. Соединители постоянного тока. Классификация, требования к конструкции и методы испытаний
• ГОСТ Р 57227-2016 Устройства и системы фотоэлектрические. Стандартная суточная временная зависимость энергетической освещенности
• ГОСТ Р 57216-2016 Радиационный контроль. Представление результатов измерений
• ГОСТ Р 57114-2016 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Электроэнергетические системы. Оперативно-диспетчерское управление в электроэнергетике и оперативно-технологическое управление. Термины и определения
• ГОСТ Р 56978-2016 Батареи фотоэлектрические. Технические условия
• ГОСТ Р 56969-2016 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Обеспечение согласованной работы централизованных систем автоматического регулирования частоты и перетоков активной мощности и автоматики управления активной мощностью гидравлических электростанций. Нормы и требования
• ГОСТ Р 56865-2016 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Релейная защита и автоматика. Технический учет и анализ функционирования. Общие требования
• ГОСТ 10150-2014 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Общие технические условия
• ГОСТ 33009.1-2014 Котлы газовые центрального отопления. Часть 1. Технические требования и методы испытаний
• ГОСТ 23162-2014 Установки электоргенераторные с двигателями внутреннего сгорания. Система условных обозначений
• ГОСТ 33115-2014 Установки электрогенераторные с дизельными и газовыми двигателями внутреннего сгорания. Общие технические условия
• ГОСТ 33116-2014 Установки электрогенераторные с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания. Общие технические условия
• ГОСТ 20375-2014 Установки электрогенераторные с двигателями внутреннего сгорания. Термины и определения
• ГОСТ 33105-2014 Установки электрогенераторные с двигателями внутреннего сгорания. Общие технические требования
• ГОСТ Р 56125-2014 Возобновляемая энергетика. Гидроэнергетика. Руководство по электромеханическому оборудованию для гидроэлектрических установок малой мощности
• ГОСТ Р 56124.7.1-2014 Возобновляемая энергетика. Гибридные электростанции на основе возобновляемых источников энергии, предназначенные для сельской электрификации. Рекомендации. Часть 7-1. Генераторы. Фотоэлектрические батареи
• ГОСТ Р 56127-2014 Возобновляемая энергетика. Солнечная энергетика. Элементы солнечные. Техническое описание и технологические данные солнечных элементов на основе кристаллического кремния
• ГОСТ Р 56124.1-2014 Возобновляемая энергетика. Гибридные электростанции на основе возобновляемых источников энергии, предназначенные для сельской электрификации. Рекомендации. Часть 1. Общее введение для сельской электрификации
• ГОСТ Р 54418.2-2014 Возобновляемая энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Часть 2. Технические требования к малым ветроэнергетическим установкам
• ГОСТ Р 56203-2014 Оборудование энергетическое тепло- и гидромеханическое. Шефмонтаж и шефналадка. Общие требования
• ГОСТ Р 56204-2014 Котлы стационарные. Стальные конструкции. Общие технические условия
• ГОСТ Р 56227-2014 Трубы и фасонные изделия стальные в пенополимерминеральной изоляции. Технические условия
• ГОСТ Р 52408-2014 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Измерения в условиях эксплуатации
• ГОСТ Р МЭК 62282-2-2014 Технологии топливных элементов. Часть 2. Модули топливных элементов
• ГОСТ Р МЭК 62282-3-100-2014 Технологии топливных элементов. Часть 3-100. Стационарные энергоустановки на топливных элементах. Безопасность
• ГОСТ Р 56302-2014 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Диспетчерские наименования объектов электроэнергетики и оборудования объектов электроэнергетики. Общие требования
• ГОСТ Р 56303-2014 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Нормальные схемы электрических соединений объектов электроэнергетики. Общие требования к графическому исполнению
• ГОСТ Р 56188.1-2014 Технологии топливных элементов. Часть 1. Терминология
• ГОСТ ISO 8178-1-2013 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 1. Измерение выбросов газов и частиц на испытательных стендах
• ГОСТ Р 55260.4.1-2013 Гидроэлектростанции. Часть 4-1. Технологическая часть гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций. Общие технические требования
• ГОСТ Р 55993-2014 Системы фотоэлектрические. Термины, определения и символы
• ГОСТ Р МЭК 62446-2013 Системы фотоэлектрические. Системы, подключаемые к сетям электроснабжения общего назначения. Требования к документации, приемке и обследованию
• ГОСТ Р 55608-2013 Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Переключения в электроустановках. Общие требования
• ГОСТ Р 55260.1.1-2013 Гидроэлектростанции. Часть 1-1. Сооружения ГЭС гидротехнические. Требования безопасности
• ГОСТ Р 55260.2.1-2012 Гидроэлектростанции. Часть 2-1. Гидрогенераторы. Технические требования к поставке
• ГОСТ Р 55260.2.2-2013 Гидроэлектростанции. Часть 2-2. Гидрогенераторы. Методики оценки технического состояния
• ГОСТ Р 55260.3.1-2013 Гидроэлектростанции. Часть 3-1. Гидротурбины. Технические требования к поставке
• ГОСТ Р 55260.3.3-2013 Гидроэлектростанции. Часть 3-3. Гидротурбины. Технические требования к системам эксплуатационного мониторинга
• ГОСТ Р МЭК 61194-2013 Системы фотоэлектрические автономные. Эксплуатационные характеристики
• ГОСТ Р МЭК 61646-2013 Модули фотоэлектрические тонкопленочные наземные. Порядок проведения испытаний для подтверждения соответствия функциональным характеристикам
• ГОСТ Р МЭК 61683-2013 Системы фотоэлектрические. Источники стабилизированного питания. Методы определения эффективности
• ГОСТ Р МЭК 61730-1-2013 Модули фотоэлектрические. Оценка безопасности. Часть 1. Требования к конструкции
• ГОСТ Р МЭК 61730-2-2013 Модули фотоэлектрические. Оценка безопасности. Часть 2. Методы испытаний
• ГОСТ Р МЭК 62093-2013 Системы фотоэлектрические. Компоненты фотоэлектрических систем. Методы испытаний на стойкость к внешним воздействиям
• ГОСТ Р 55005-2012 Возобновляемая энергетика. Геотермальные электростанции. Требования по безопасности при эксплуатации
• ГОСТ Р МЭК 61724-2013 Системы фотоэлектрические. Мониторинг эксплуатационных характеристик. Методы измерения, способ передачи и обработки данных
• ГОСТ Р ИСО 12952-1-2010 Материалы текстильные. Характеристики горения постельных принадлежностей. Часть 1. Общие методы испытаний на возгораемость от тлеющей сигареты
• ГОСТ Р 55393-2012 Электростанции газотурбинные. Требования безопасности
• ГОСТ Р 54418.1-2012 Возобновляемая энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Часть 1. Технические требования
• ГОСТ Р 55004-2012 Возобновляемая энергетика. Геотермальные электростанции. Сооружения. Требования безопасности. Основные положения
• ГОСТ Р 55006-2012 Стационарные дизельные и газопоршневые электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Общие технические условия