ГЛАВА VIII. ПРОИЗВОДСТВО, ПЕРЕДАЧА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ

§ 8.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

Электрической станцией называют предприятие, предназначенное для выработки электрической энергии путем преобразования других видов энергии. На электростанциях электрическая энергия вырабатывается генераторами, приводимыми во вращение какими-либо первичными двигателями. В зависимости от вида энергии, преобразуемой в электрическую, электростанции можно разделить на следующие основные категории: тепловые, гидравлические, атомные, станции, использующие энергию ветра, станции, использующие энергию Солнца, и станции, использующие энергию горячих подземных источников — геотермальные станции.

Тепловые электростанции в качестве первичных двигателей могут иметь паровые машины, паровые турбины, двигатели внутренного сгорания и газовые турбины (рис. 8-1).

Паровые машины нашли широкое применение на маломощных сельских электростанциях, где в качестве первичных двигателей используют локомобили и быстроходные паросиловые установки. На мощных электростанциях паровые машины не применяют из-за их низкого КПД и больших габаритов.

Рис. 8-1

Станции, на которых в качестве первичных двигателей используют паровые турбины (паротурбинные станции), в свою очередь, подразделяются на конденсационные и теплофикационные.

На конденсационных паротурбинных станциях отработанный пар охлаждается и конденсируется в специальных конденсаторах с проточной водой, а затем поступает в общий водоем. КПД таких станций только 17—18%, но за последние годы благодаря созданию высоких давлений и температур пара его удается повысить до 30— 36%.

На теплофикационных станциях или теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) не весь нагретый пар проходит через турбину. Некоторая доля пара используется для нужд теплоснабжения (отопление, обеспечение потребителей горячей водой и т. д.). Таким образом, от ТЭЦ потребители получают не только электроэнергию, но и тепло. Коэффициент полезного действия ТЭЦ с учетом теплоты и электрической энергии, отдаваемой потребителям, достигает 60— 70%. ТЭЦ дает возможность ликвидировать неэкономические мелкие отопительные и промышленные котельные установки, работающие на ценном топливе (каменном угле, нефти).

Станции с паровыми и паротурбинными двигателями обычно строят вблизи природных залежей дешевого твердого топлива (торф, бурый уголь, антрацитовый штыб, сланцы и др.). Теплоэлектроцентрали строят вблизи городов, так как передача тепла на расстояние связана с большими потерями.

Двигатели внутреннего сгорания (дизели, карбюраторные и калоризаторные) применяют для привода генераторов лишь на передвижных электростанциях ввиду высокой стоимости топлива. Нефть и мазут, являющиеся ценным сырьем для химической промышленности, в настоящее время для выработки электроэнергии не применяют. В некоторых случаях двигатели внутреннего сгорания работают на природном газе, доменном и коксовом газе и на газе, получаемом в специальных газогенераторных установках. В последние годы для привода генераторов стали применять газовые турбины, имеющие большое будущее, но еще не получившие широкого распространения.

Коэффициент полезного действия тепловых станций сравнительно низок, так как при их работе для получения электроэнергии необходимо трехкратное превращение энергии: энергия топлива при сжигании превращается во внутреннюю энергию водяного пара в котле (в теплоту), затем энергия пара в паровой турбине превращается в механическую энергию и только потом механическая энергия турбины превращается в электрическую энергию в генераторе; каждое превращение энергии сопровождается неизбежными потерями.

Гидравлические электростанции или гидростанции (ГЭС) в качестве первичных двигателей используют гидравлические турбины, приводимые во вращение за счет энергии падающей воды (рис. 8-2). Гидравлические электростанции в зависимости от особенностей

Рис. 8-2

сооружений подразделяются на приплотинные и деривационные. На приплотинных и русловых гидростанциях плотина и гидрогенераторы находятся в одном месте. Плотиной перегораживается все русло реки, и уровень воды поднимается. На мелких реках с малым уклоном русла плотина создает водохранилище, из которого по деривационному каналу вода подается в напорный бассейн, а из него по крутопадающим трубам поступает в гидротурбины. Мощность гидроэлектростанции зависит от высоты напора воды и от количества воды, проходящего через турбины. Если гидростанция имеет большое водохранилище, то имеется возможность многолетнего или сезонного регулирования производства электроэнергии. При малых водохранилищах возможно лишь суточное регулирование выработки электроэнергии. Так, в часы малой нагрузки вода накапливается в водохранилище, а затем расходуется в течение нескольких часов максимальной нагрузки станции.

Коэффициент полезного действия гидравлических станций достигает 80—90%. Производство электроэнергии на них гораздо проще и дешевле, чем на тепловых станциях, так как отпадает необходимость в приобретении и подвозе топлива, а также значительно сокращаются расходы на содержание обслуживающего персонала. Правда, первоначальные затраты на сооружение гидроэлектростанций значительно выше, нежели затраты на сооружение тепловых станций такой же мощности.

Атомные электростанции используют энергию, выделяемую при распаде атома, для получения электрической энергии. Как известно, при делении ядер урана выделяется большое количество энергии в виде теплоты, которая и преобразуется затем в электрическую. Таким образом, атомная электростанция — это тепловая станция, но от обычной тепловой станции она отличается значительной сложностью управления работой (см. цветную вклейку I).

На атомной электростанции цепная реакция происходит в атомном котле (реакторе). Атомным горючим служат стержни из урана покрытые защитным слоем алюминия. Стержни вставляют в алюминиевые трубки, а затем в специальные гнезда в графитных

блоках. Графит является замедлителем быстрых нейтронов. Скорость цепной реакции регулируется введением в те же блоки стержней пористой стали, хорошо поглощающей нейтроны. В результате цепной реакции в реакторе выделяется теплота, забираемая жидким теплоносителем (водой, жидким натрием или висмутом), нагнетаемым в промежуток между алюминиевой трубкой и урановым стержнем. Применение жидкого металла значительно выгоднее, так как его легче нагреть до высокой температуры, чем воду, а от температуры нагревателя зависит КПД установки. Теплоноситель становится радиоактивным, его нельзя направлять в турбину, поэтому теплоноситель сначала отдает свое тепло для перегрева пара, а последний — паровому котлу для получения водяного пара. Водяной пар уже не радиоактивен, он направляется в паровую турбину, в которой теплота превращается в механическую, а затем в генераторе в электрическую энергию. Коэффициент полезного действия такой станции составляет 25—30%.

В процессе цепной реакции количество урана в стержнях уменьшается, но накапливаются плутоний и продукты деления атомов урана. Через определенное время эти стержни удаляют из реактора и на химическом заводе подвергают разделению урана, плутония и продуктов деления. Плутоний можно использовать снова как атомное горючее, так как при облучении его медленными нейтронами выделяется большое количество энергии и нейтроны, а продукты распада урана можно использовать в промышленности как «меченые атомы».

Во время работы реактора приходится принимать необходимые меры для защиты обслуживающего персонала от радиоактивных излучений.

Ветроэлектростанции (ВЭС) в качестве первичных двигателей используют так называемое ветровое колесо с лопастями, приводимое во вращение энергией ветра (рис. 8-3). Это вращение через посредство зубчатых шестерен передается генератору.

КПД таких станций очень низок из-за невозможности

Рис. 8-3

Рис. 8-4

сколько-нибудь полно использовать энергию ветра. ВЭС находят распространение в степных районах с устойчивыми продолжительными ветрами (например, у г. Балаклавы в Крыму мощностью 100 кВт; у с. Ново-Ишим в Казахстане мощностью 400 кВт и мн. др.).

Гелиоэлектрические станции преобразуют лучистую энергию Солнца в электрическую. Для этой цели на значительной площади устанавливают систему зеркал, направляющую солнечные лучи на зачерненную площадь парового котла (рис. 8-4). Под действием солнечного тепла вода в котле превращается в пар и подается в паровую турбину, вращающую генератор. Система зеркал автоматически поворачивается так, что отраженные лучи в течение всего дня падают перпендикулярно поверхности котла.

В будущем возможно строительство более экономичных гелиостанций с использованием полупроводников (солнечных батарей) для непосредственного превращения лучистой энергии Солнца в электрическую энергию. Например, в Араратской долине в Армении будет построена такого типа станция с годовой выработкой электроэнергии 2,2 млн. кВт-ч.

Геотермальные станции преобразуют энергию горячих подземных вод, имеющихся в местах интенсивной вулканической деятельности, в электрическую энергию. Одна из таких станций — Паужетская ГеоТЭС - на Камчатке мощностью 5 тыс. кВт.