Виды электростанций и их характеристики

Никакой вид деятельности невозможен без расходования энергии. Так всегда было есть и будет, как на любом уровне существования материи, так и в процессе деятельности цивилизаций. Поэтому одной из важных экономических составляющих индустриального общества является энергетика. Область хозяйственно-экономической деятельности, в условиях перехода от ручного труда к труду машинному, потребовавшая создания принципиально новых силовых двигательных устройств в виде механизмов.

Причём механизмов двойного назначения. Первые из них – в роли, которых стали выступать электромеханические двигатели – предназначены для приведения в действие станков и машин. Вторые – генераторы, имеют целью выработку электрической энергии, необходимой в работе электродвигателей. Но генераторы сами не вращаются. Нужна электростанция, чтобы заставить их это делать.

Электростанция – что это такое?

Что такое электростанция достаточно хорошо известно из технической и научно-популярной литературы и со страниц сайтов. Она представляет собой комплекс зданий и сооружений, заполненных оборудованием, имеющим целью производство электрической и тепловой энергии.

Принцип работы станции заключается в последовательности проведения циклов преобразования: энергии первичных источников (в роли которых выступают топливо; энергия ветра, геотермальная, гидравлическая, ядерная и иные виды энергии) в энергию механическую, которая претерпевая ряд изменений, превращается в электроэнергию.

Хотя принцип и положен в основу абсолютного большинства электрических станций, но такое бывает отнюдь не всегда. В солнечных электростанциях, сделанных на основе солнечных батарей, выработка электроэнергии происходит напрямую под воздействием солнечного света.

В остальных же электростанциях генерация электроэнергии осуществляется за счёт вращения вала электромашинного генератора, приводимого в действие механической энергией.

Основное оборудование электростанций

В список основного оборудования электростанций входят:

• комплексы сооружений для приёма и первичной переработки топлива: газовое хозяйство, мазутное хозяйство, угольное хозяйство, а также сооружения для приёма воды или для её глубокой химической очистки;
• котлы;
• трубопроводы;
• турбины;
• системы охлаждения, оборудованные градирнями, воздушными конденсаторами и водоёмами;
• дымовые трубы;
• генераторы;
• двигатели, совместно с насосами и вентиляторами;
• трансформаторы;
• распределительные устройства;
• коммутирующая аппаратура в виде выключателей и разъединителей;
• устройства релейной защиты и автоматики;
• линии электропередач.

Несмотря на значительное количество устройств, электростанция это – прежде всего генераторы.Они обеспечивают стабильную и надёжную работу энергосистем, что снабжают электроэнергией промышленные и сельскохозяйственные предприятия, транспорт и сферу жилищно-коммунального хозяйства; а также вырабатывают ту часть электроэнергии, которую потребляет на собственные нужды электрическая станция.

Изменяя режим работы генератора, можно оперативно реагировать на рост или падение нагрузки. А при необходимости он может совместно с рядом устройств выполнять функцию защиты технологического оборудования.

Классификация

Виды электростанций (ЭС) классифицируются: в зависимости от вида топлива или источника потребляемой энергии, от типа силовой установки, от мобильности и от степени использования (применения).

В зависимости от источника энергии (в частности, вида топлива)

Здесь виды ЭС делятся на атомные – АЭС, на те, что используют органическое топливо – ТЭС, на гидроэлектрические – ГЭС, ветряные электростанции – ВЭС, геотермальные – ГеоЭС и солнечные – СЭС.

КАК РАБОТАЮТ ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ #ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ? #энерголикбез

Атомные станции делятся на станции реакции деления (расщепления) атомного ядра и станции термоядерной реакции (пока имеются лишь экспериментальные установки).

Типы ЭС на газе – это или работающие на природном газе, или сжигающие болотный, рудничный газ, биогаз, газ из органических отходов (лэндфил газ), или использующие иные виды горючих газов.

Бензиновые и дизельные типы ЭС относятся к жидкотопливным электростанциям.

Твёрдотопливные включают угольные и торфяные электрогенерирующие установки.

Гидроэлектростанции – ГЭС представлены:

• русловыми гидроэлектростанциями,
• приплотинными гидроэлектростанциями,
• деривационными гидроэлектростанциями,
• гидроаккумулирующими электростанциями,
• приливными гидроэлектростанциями,
• электростанциями, использующими силу морских течений,
• волновыми электростанциями,
• осмотическими электростанциями.

Солнечные электростанции – СЭС, это:

• гелиостанции,
• станции на солнечных элементах,
• химические электростанции.

В зависимости от типа силовой установки

В качестве силовых установок на электростанциях служат тепловые установки, простые машинные генераторы, магнитногидродинамические генераторы, солнечные элементы, топливные элементы.

В состав электростанций, работающих за счёт эксплуатации тепловой установки, входят:

• котлотурбинные ЭС (представлены станциями конденсационного типа – КЭС, ГРЭС и теплоэлектроцентралями – ТЭЦ, последние обеспечивают не только электрической, но и тепловой энергией через системы централизованного теплоснабжения),
• газотурбинные электростанции,
• мини-ТЭЦ,
• газопоршневые электростанции,
• дизельные электростанции,
• бензиновые электростанции,
• электростанции с парогазовыми установками,
• станции комбинированного типа.

Электростанции с простым машинным генератором, как правило, используют ветродвигатель или гидротурбину.

В зависимости от мобильности

Не всегда можно организовать централизованное снабжение электрической и тепловой энергией. Приходится прибегать к иным способам и методам. Для чего нужны передвижные электростанции, перемещаемые с помощью: автомобилей (самоходные или прицепные), средств железнодорожного транспорта (вагон-электростанция или поезд-электростанция), плавучих средств (баржа-электростанция, судно-электростанция). Большей универсальностью обладают разработанные для таких целей контейнерные и модульные электростанции.

В зависимости от степени применения

По причинам природного, технического и экономического характера, распространение получили тепловые, гидроэнергетические и атомные электростанции, а также станции, имеющие характер автономного снабжения энергией.

В меньшей степени (пока!) находят применение:

• ветроэлектростанции;
• геотермальные установки;
• гелиостанции и станции на солнечных элементах;
• электростанции, использующие биомассу;
• электрохимические электростанции – ЭЭС на топливных элементах;
• станции с МГД-генераторами;
• электростанции на горючих газах (за исключением природного);
• станции, использующие силу морских течений;
• волновые электростанции;
• осмотические станции, где генерация электроэнергии происходит в процессе смешивания пресной и солёной воды.

Вопрос создания первых промышленных станций термоядерного синтеза пока не находит практического решения.

МГД Генератор

Преимущества и недостатки

Говорить о преимущества и о недостатках уместно лишь в контексте разделения электростанций на традиционные и использующие альтернативные источники энергии.

Традиционные – ТЭС (ТЭЦ), ГЭС и АЭС оказывают вредное воздействие на окружающую среду. Продукты сжигания органических видов топлива – невозобновляемых природных ресурсов, которые подчас необходимо транспортировать на значительные расстояния – вызывают парниковый эффект и способствуют накоплению в атмосфере вредных веществ.

Строительство гидроэлектростанций приводит к затоплениям значительных территорий и нарушению водного режима рек и озёр. Атомные электростанции представляют опасность в случае аварий и катастроф. Плюс к этому – до сих пор не находит решения проблема утилизации использованного ядерного топлива и отработавшего свой срок оборудования. Ещё один существенный недостаток – это значительные капитальные затраты на первоначальное строительство целого ряда сооружений. Но такая проблема актуальна лишь для крупных ГЭС и атомных станций.

Ярким примером является город Калязин, который был затоплен на 2/3 при строительстве Угличского водохранилища. Теперь над затопленной частью города возвышается только колокольня, которая является символом города.

Среди несомненных достоинств энергетики классических способов генерации:

• сравнительно низкая цена вырабатываемой энергии,
• небольшое количество эксплуатационного персонала,
• стабильность и надёжность работы,
• высокую выходную мощность станций.

За исключением гидроэлектростанций, потребляющих возобновляемый ресурс, вырабатывающих самую дешёвую электроэнергию и имеющих самый высокий КПД, достигающий 95%, все остальные станции – ТЭС и АЭС не испытывают прямой зависимости от времени года и погодных условий.

Всех этих преимуществ лишены нетрадиционные способы производства электроэнергии. Зато они используют возобновляемые источники, что повсеместно распространены (правда, не все) и безопасны в экологическом отношении, а в ходе эксплуатации совсем не расходуют топлива. Взамен альтернативная энергетика требует значительных вложений на приобретение дорогого оборудования, отличаясь при этом малой плотностью потока энергии (удельной мощностью) и нестабильностью генерации.

Для увеличения вырабатываемой мощности прибегают к расширению площади захвата энергии (плоскости солнечных панелей, диаметра ветроколеса, протяжённости плотин), но это приводит к повышению материалоёмкости установок. Хорошо, что приливные и геотермальные электростанции отличаются стабильностью, но места их установки строго ограничены природными факторами.

Также большой интерес вызывает использование биомассы (органических отходов и мусора) с целью выработки биогаза посредством термохимической или биологической конверсии и экологически чистых удобрений.

То, на чём работают биоэлектростанции – опасные вредные вещества, при этом подвергаются процессам утилизации.

История

Первые электрические станции появились в конце XIX столетия. Предшествовало этому создание серии магнито- и динамоэлектрических машин бельгийским изобретателем Зенобом Теофилом Граммом.

Самая первая электростанция – гидроэнергетическая, созданная в своём поместье Крэгсайд (Англия) английским бароном и инженером Уильямом Армстронгом, дала ток в 1878 году. Однако есть и другие мнения, которые считают, что первой в мире электростанцией была выстроенная к сентябрю 1882 года ГЭС на реке Фокс (США). Её устройство включало в себя водяное колесо и динамо-машину, что позволяло вырабатывать 0,00074 МВт электрической энергии.

Первые промышленные электростанции появились в 1882 году. Заслуга их создания принадлежит:

1. Американскому изобретателю Томасу Эдисону, запустившему 12 января 1882 года в работу угольную тепловую электростанцию – первую в мире ТЭЦ, и в сентябре того же года построившему на Перл-Стрит в Нью-Йорке Pearl Street Station

2. Успешному бизнесмену Якобу Шоеллкопфу, обеспечившему работу Ниагара Фолс – промышленной ГЭС на Ниагаре (США) в 1882 году

Развитием систем передач электрической энергии на значительные расстояния занялись совместно изобретатель и бизнесмен из США Джордж Вестингауз и учёный Николай Тесла, установившие к 1886 году линию электропередачи в штате Массачусетс (США). Перевооружение теплоэлектростанций началось с 1884 года – момента, когда английский инженер и промышленник Чарлз Алджернон Парснонс изобрёл многоступенчатую паровую турбину. Что пришла на замену паровым машинам, работавшим на предприятиях с XVIII столетия, хотя и значительно усовершенствованных знаменитым шотландским изобретателем-механиком Джеймсом Уаттом.

Немногим позднее – в 1887 году вступила в строй первая ветряная электростанция англичанина Блита (Блайта). «Мельница» была выстроена на даче, что располагалась в деревне Мэрикирке (Великобритания).

Первая крупная солнечная энергетическая установка начала свою работу вблизи Каира (Египет) в 1912 году. Инициатором её строительства стал американский инженер-изобретатель Фрэнк Шуман.

Заслуга создания первой атомной станции – Обнинской АЭС, запущенной в промышленную эксплуатацию 27 июня 1954 года, принадлежит группе советских учёных во главе с известным физиком Игорем Васильевичем Курчатовым.

Типы электростанций и особенности их технологического процесса

Наиболее распространённые типы современных электростанций демонстрирует следующая таблица:

Типы	Источник энергии	Примерная доля в мировой выработке электроэнергии	КПД
ТЭС	природное топливо	60%	40%
ГЭС	падающая вода	20%	95%
АЭС	ядерное топливо	15%	20%

Местом строительства данных электростанций служат: в случае ТЭЦ – районы богатые углеводородным топливом или точки сосредоточения значительного количества потребителей энергии; в случае ГЭС – полноводные реки и озёра; в случае АЭС – когда нет иных возможностей, зато есть необходимость выработки значительного количества электрической энергии.

Тепловые электростанции

Основу современной энергетики составляют тепловые электростанции, что работают на высококалорийном хорошо транспортабельном органическом топливе – угле, природном газе, мазуте, торфе и иных биоматериалах.

Суть действия ТЭС с паротурбинными тепловыми установками (ПТУ, которыми оснащено многие нынешние тепловые станции) заключается в том, чтобы посредством воздействия пара высокого давления (вырабатываемого парогенератором – котлом) на ротор турбины заставить вращаться соосный с ним ротор электрогенератора (как правило, синхронного). Иногда в качестве привода генератора используются конденсационные турбины.

Если они отдают часть тепла отработанного пара потребителям тепловой энергии, имеем дело с теплоэлектроцентралями – ТЭЦ, что служат источниками централизованного теплоснабжения. Когда такого нет, то электростанции становятся просто конденсационными (КЭС или ГРЭС).

Тепловые электрические станции имеют несколько контуров передачи тепла: прежде чем поступить на турбину теплоноситель отдаёт часть своего тепла теплообменнику, служащему основанием для следующего теплового контура. Существует и контур системы охлаждения. Все они предназначены для доведения температуры теплоносителя до нужных значений.

Помимо паровых теплофикационных и конденсационных применяются:

• ГТУ – газотурбинные установки, использующие вместо пара газ, что позволяет уходить от водоснабжения.
• ПГУ – парогазотурбинные установки, где энергия газа преобразуется в энергию пара низкого давления.
• МГД-генераторы – магнитогидродинамические генераторы, напрямую вырабатывающие электрическую энергию из тепла.

В Российской Федерации ГТУ установлены на Краснодарской и Шатурской ГРЭС, ПГУ – на Невинномысской и Кармановской ГРЭС, МГД-генераторы – на ТЭЦ-21 Мосэнерго и Рязанской ГРЭС.

Атомные электростанции

Принцип работы атомных электростанций основан на использовании атомной (ядерной) энергии с целью производства энергии электрической. Внутри ядерного реактора осуществляется управляемая ядерная реакция по делению ядер тяжёлых элементов U-233, U-235, Pu-239. В результате чего выделяется значительное количество тепла: расщепление 1 г изотопов урана или плутония даёт возможность получать 22 500 кВт∙ч энергии. В обычных условиях на это потребовалось бы 2,8 т.у.т. Затем в результате работы водяного контура, тепло также как на тепловых электростанциях преобразуется в электричество.

В зависимости от технологии использования нейтронов для проведения цепной ядерной реакции различают реакторы на быстрых нейтронах (действующие БН-600 и БН-800 размещены только на Белоярской АЭС в России) и реакторы на тепловых нейтронах. Реакторы на тепловых нейтронах в качестве теплоносителя используют воду или газ, в качестве замедлителя – воду, тяжёлую воду и графит.

Конструктивно-технологические особенности атомных станций, подразумевающие одноконтурную или двухконтурную схему, корпусное или канальное исполнение реактора, использование слабоперегретого или насыщенного пара сравнительно низких параметров объясняются вопросами безопасности. А выбор самого типа реактора зависит от возможностей эксплуатирующих их сторон.

Гидроэлектростанции

Достаточно эффективный источник производства электрической энергии, но требующий подпора воды. Что достигается за счёт сооружения плотин на каналах и реках. Появляется возможность использовать силу падающей воды. Это единственный традиционный способ выработки электроэнергии, основанный на возобновляемых источниках, получивший распространение благодаря простоте управления, очень высокому КПД и низкой цене за кВт∙ч генерируемой энергии.

Для организации работы гидроэлектростанции предварительно тщательно выбирают место её установки, в котором возводят плотину, ограничивающую объём воды в водохранилище. Откуда по напорным водоводам вода поступает к гидротурбинам, установленным в здании электростанции. Её напор, воздействуя на лопатки турбины, заставляет вращаться гидрогенератор, что производит электрический ток. Который затем трансформируется и через распределительные устройства с помощью ЛЭП передаётся в единую энергосистему.

Нетрадиционные способы производства электроэнергии

Однако этими тремя не исчерпываются все типы электростанций, что находят применение в условиях современности. Отсюда вопрос: какие же ещё бывают электростанции? Те, чей принцип действия основан не на использовании гидроэнергии или традиционных видов органического углеводородного топлива. Источниками энергии для них служат:

• солнечный свет,
• ветер,
• геотермальные процессы земной коры,
• морские приливы, отливы, течения и волны,
• биомасса как растительная, так и полученная в виде органических отходов,
• процессы в окружающей среде, что обладают низким энергетическим потенциалом.

Использование этих видов энергии набирает всё большие обороты в мировой энергетике. Распространены ветроэлектростанции, солнечные электростанции, малые ГЭС, станции на биотопливе. Другие способы не получили пока сколь-нибудь значительного распространения, вследствие малой эффективности и сложностей, возникающих во время строительства.

Графики электрических нагрузок

Специфика электроэнергетики заключена в том, что производимый ей продукт не подлежит хранению. Вопрос аккумулирования электроэнергии значительных объёмов в обозримом будущем вряд ли будет решён. Значит, вырабатываемая электроэнергия должна быть одновременно использована.

Большое практическое значение получили графики электрических нагрузок, обретшие вторую жизнь с начала формирования рынка продаж электроэнергии. Характеристики временной зависимости выработанной или потреблённой электрической мощности (активной, реактивной или полной) составляются обычно на сутки, месяц, определённый сезон или год.

Делается это для определения ряда важных технико-экономических показателей: выбора оптимального режима работы электроустановок; планирования пусков, остановок, времени выполнения ремонта; расчёта норм расхода энергоресурсов и выявления необходимости создания новых мощностей.

Есть много способов регулирования графиков нагрузок техническими, финансовыми и организационными методами. Куда в макроэкономическом масштабе можно отнести и способы выработки электроэнергии теми или иными видами электростанций. Все они предназначены, чтобы обеспечить наиболее рациональную деятельность энергетических хозяйств (как малых, так и глобальных на уровне государств и регионов мира) в условиях рыночных взаимоотношений.

Взаимоотношений что, по всей видимости, ещё продолжительное время будут обуславливать совместную эксплуатацию станций, использующих невозобновляемые и возобновляемые энергетические ресурсы.