ENERGIA ELETTRICA, uno dei più importanti tipi di energia. L'elettricità nella sua forma finale può essere trasmessa al consumatore su lunghe distanze. Vedi anche RISORSE ENERGETICHE.
INDUSTRIA DELL'ENERGIA ELETTRICA
Produzione e distribuzione di energia elettrica.
In una centrale elettrica regionale (cioè vicina alle fonti energetiche), l'elettricità viene spesso generata da generatori di corrente alternata di macchine elettriche. Per ridurre le perdite durante la trasmissione e la distribuzione, la tensione rimossa all'uscita del generatore elettrico viene aumentata da una sottostazione di trasformazione. L'elettricità viene quindi trasmessa attraverso linee elettriche ad alta tensione (PTL) su lunghe distanze, che possono essere misurate in centinaia di chilometri. Numerose sottostazioni di distribuzione sono collegate alle linee elettriche, scaricando l'elettricità ai centri di consumo energetico locali. Poiché l'elettricità viene poi trasmessa attraverso le strade e le aree popolate, nelle sottostazioni la tensione viene nuovamente ridotta dai trasformatori per motivi di sicurezza. Le linee principali della rete sono collegate ai trasformatori abbassatori delle sottostazioni. In punti convenienti di questa rete sono installati punti di diramazione per la rete di distribuzione dei consumatori elettrici.
Centrali elettriche.
Centrali elettriche di diverso tipo, situate in luoghi diversi, possono essere combinate tramite linee elettriche ad alta tensione in una rete elettrica. In questo caso, il carico costante (di base) consumato durante il giorno viene assorbito dalle centrali nucleari (NPP), dalle centrali termoelettriche con turbine a vapore ad alta efficienza e dalle centrali elettriche (CHP e CHP), nonché dalle centrali idroelettriche (HPP). . Durante le ore di carico elevato, le centrali elettriche con pompaggio (PSPP), le unità turbina a gas (GTU) e le centrali termiche meno efficienti funzionanti con combustibili fossili sono inoltre collegate alla rete generale di linee di trasmissione del sistema elettrico.
L’approvvigionamento energetico da sistemi energetici presenta vantaggi significativi rispetto all’approvvigionamento da centrali elettriche isolate: l’affidabilità dell’approvvigionamento energetico migliora, le risorse energetiche della regione vengono utilizzate meglio, il costo dell’elettricità viene ridotto grazie alla distribuzione più economica del carico tra le centrali elettriche, il la potenza di riserva richiesta viene ridotta, ecc.
Fattore di carico.
Il carico del consumatore varia a seconda dell'ora del giorno, del mese dell'anno, del tempo e del clima, della posizione geografica e dei fattori economici.
Il carico può raggiungere il suo livello massimo (picco) solo per poche ore all'anno, ma la capacità della centrale elettrica o del sistema di alimentazione deve essere progettata anche per il carico di picco. Inoltre, è necessaria una potenza in eccesso, o riserva, in modo che le singole unità di potenza possano essere spente per manutenzione e riparazione. La capacità di riserva dovrebbe essere pari a circa il 25% della capacità totale installata.
L'efficienza di una centrale elettrica e di un sistema energetico può essere caratterizzata dalla percentuale di elettricità (in kilowattora) effettivamente generata in un anno rispetto alla massima produzione annua possibile (nelle stesse unità). Il fattore di carico non può essere pari al 100%, poiché il fermo delle unità di potenza per manutenzione programmata e riparazioni in caso di guasto di emergenza è inevitabile.
Efficienza delle centrali elettriche.
L’efficienza termica di una centrale elettrica a carbone può essere approssimata dalla massa di carbone, in chilogrammi, che viene bruciata per produrre un kilowattora di elettricità. Questa cifra (consumo specifico di carburante) è scesa costantemente da 15,4 kg/kWh negli anni '20 a 3,95 kg/kWh all'inizio degli anni '60, ma è gradualmente aumentata fino a 4,6 kg/kWh negli anni '90. L’aumento è in gran parte dovuto all’introduzione di collettori di polveri e depuratori di gas, che consumano fino al 10% della produzione di una centrale elettrica, nonché al passaggio al carbone più pulito (a basso contenuto di zolfo), che molte centrali elettriche non sono state progettate per gestire.
In termini percentuali, l'efficienza termica di una moderna centrale termoelettrica non supera il 36%, principalmente a causa delle perdite di calore trasportate dai gas di scarico - prodotti della combustione.
Le centrali nucleari che operano a temperature e pressioni più basse hanno un'efficienza complessiva leggermente inferiore, circa il 32%.
Gli impianti a turbina a gas con una caldaia a calore di recupero (un generatore di vapore che utilizza il calore dei gas di scarico) e una turbina a vapore aggiuntiva possono avere un'efficienza superiore al 40%.
Maggiore è la temperatura operativa e la pressione del vapore, maggiore è l'efficienza termica di una centrale elettrica con turbina a vapore. Se all'inizio del XX secolo. Questi parametri erano 1,37 MPa e 260° C, ma ora sono comuni pressioni superiori a 34 MPa e temperature superiori a 590° C (le centrali nucleari funzionano a temperature e pressioni inferiori rispetto alle più grandi centrali termiche, poiché le normative limitano la temperatura massima consentita al nocciolo del reattore) ).
Nelle moderne centrali elettriche con turbine a vapore, il vapore, parzialmente scaricato nella turbina, viene prelevato nel suo punto intermedio per essere riscaldato (surriscaldamento intermedio) alla temperatura iniziale e possono essere previsti due o più stadi di riscaldamento. Il vapore proveniente da altri punti della turbina viene deviato per preriscaldare l'acqua di alimentazione fornita al generatore di vapore. Tali misure aumentano notevolmente l'efficienza termica.
Economia dell'industria dell'energia elettrica.
La tabella fornisce dati approssimativi sul consumo di elettricità pro capite in alcuni paesi del mondo.
| CONSUMO ANNUO DI ELETTRICITÀ PRO CAPITE (kWh, primi anni '90) | |||
| Norvegia | 22485 | Brasile | 1246 |
| Canada | 14896 | Messico | 1095 |
| Svezia | 13829 | Turchia | 620 |
| Stati Uniti d'America | 10280 | Liberia | 535 |
| Germania | 6300 | Egitto | 528 |
| Belgio | 5306 | Cina | 344 |
| Russia | 5072 | India | 202 |
| Giappone | 5067 | Zaire | 133 |
| Francia | 4971 | Indonesia | 96 |
| Bulgaria | 4910 | Sudan | 50 |
| Italia | 3428 | Bangladesh | 39 |
| Polonia | 3327 | Chad | 14 |
CENTRALI ELETTRICHE CON TURBINE A VAPORE
La maggior parte dell’elettricità prodotta nel mondo proviene da centrali elettriche con turbine a vapore alimentate a carbone, olio combustibile o gas naturale.
Generatori di vapore.
Il generatore di vapore di una centrale elettrica a turbina a vapore funzionante a combustibili fossili è un'unità caldaia con un forno in cui viene bruciato il combustibile, superfici evaporanti nei tubi in cui l'acqua viene convertita in vapore, un surriscaldatore che aumenta la temperatura del vapore prima fornendolo alla turbina a valori che raggiungono i 600°C, surriscaldatori intermedi (secondari) per riscaldare il vapore parzialmente scaricato nella turbina, un economizzatore in cui l'acqua di alimentazione in ingresso viene riscaldata dai fumi di scarico, e un preriscaldatore in cui i fumi cede il proprio calore residuo all'aria immessa nel focolare.
Per fornire l'aria necessaria alla combustione nel focolare, si utilizzano dei ventilatori che creano al suo interno un tiraggio artificiale, o forzato. In alcuni generatori di vapore, il tiraggio viene creato dai ventilatori di scarico (aspiratori di fumo), in altri dai ventilatori di alimentazione (pressione) e molto spesso da entrambi, che forniscono il cosiddetto. tiraggio bilanciato con pressione neutra nel focolare.
Quando il carburante viene bruciato, componenti non combustibili, il cui contenuto può raggiungere il 12-15% del volume totale di bituminoso e il 20-50% di lignite, si depositano sul fondo della camera di combustione sotto forma di scorie o residui secchi cenere. Il resto passa attraverso il forno sotto forma di polvere, che dovrebbe essere purificata dai gas di scarico prima di essere rilasciata nell'atmosfera. La rimozione della polvere e della cenere viene effettuata mediante cicloni e precipitatori elettrici, in cui le particelle di polvere vengono caricate e depositate su fili o piastre collettori aventi carica di segno opposto.
Gli standard per le nuove centrali elettriche limitano l’emissione nell’atmosfera non solo di particolato, ma anche di anidride solforosa. Pertanto, immediatamente prima del camino, nei condotti del gas sono previsti scrubber chimici, spesso installati dopo i precipitatori elettrici. Gli scrubber (a umido o a secco) utilizzano vari processi chimici per rimuovere lo zolfo dai gas di scarico.
A causa dell'elevato grado di rimozione della polvere e della cenere ora vengono utilizzati anche filtri a maniche in tessuto con scuotimento e controlavaggio, contenenti centinaia di grandi sacchi in tessuto - elementi filtranti.
Generatori elettrici.
Il generatore della macchina elettrica viene messo in rotazione dal cosiddetto. un motore primo come una turbina. L'albero rotante del motore primo è collegato tramite un accoppiamento all'albero del generatore elettrico, che solitamente porta poli magnetici e avvolgimenti di campo. Il campo magnetico della corrente generata nell'avvolgimento di campo da un piccolo generatore ausiliario o dispositivo a semiconduttore (eccitatrice) attraversa i conduttori dell'avvolgimento dello statore (il telaio stazionario del generatore), grazie ai quali viene indotta una corrente alternata in questo avvolgimento, che viene rimosso dai terminali di uscita del generatore. I grandi generatori trifase producono tre correnti separate ma coordinate in tre sistemi di conduttori separati, con tensioni che arrivano fino a 25 kV. I conduttori sono collegati a un trasformatore elevatore trifase, dalla cui uscita l'elettricità viene trasmessa tramite linee elettriche trifase ad alta tensione ai centri di consumo.
I potenti turbogeneratori moderni hanno un sistema di ventilazione chiuso con idrogeno come gas di raffreddamento. L’idrogeno non solo rimuove il calore, ma riduce anche le perdite aerodinamiche. La pressione operativa dell'idrogeno è compresa tra 0,1 e 0,2 MPa. Per un raffreddamento più intenso del generatore è possibile fornire idrogeno anche sotto pressione nei conduttori cavi dello statore. In alcuni modelli di generatori, gli avvolgimenti dello statore vengono raffreddati con acqua. Vedi anche GENERATORI DI MACCHINE ELETTRICHE E MOTORI ELETTRICI.
Per migliorare l'efficienza di raffreddamento e ridurre le dimensioni del generatore, si sta studiando la possibilità di realizzare un generatore raffreddato con elio liquido. Vedi anche SUPERCONDUTTIVITÀ.
Turbine a vapore.
Il vapore proveniente dai surriscaldatori del generatore di vapore che entra nella turbina passa attraverso un sistema di ugelli di ingresso profilati (apparato ad ugelli). In questo caso la pressione e la temperatura del vapore diminuiscono e la velocità aumenta notevolmente. Getti di vapore ad alta velocità colpiscono la corona delle pale del rotore (con un profilo alare) montato sul rotore della turbina e l'energia del vapore viene convertita in energia di rotazione del rotore.
Il vapore attraversa una serie di griglie di guida e di alette di azionamento fino a ridurre la sua pressione a circa 2/3 di quella atmosferica e la temperatura al livello minimo (32–38° C) necessario per evitare la condensazione del vapore.
All'uscita della turbina, il vapore scorre attorno a fasci di tubi del condensatore attraverso i quali viene pompata l'acqua fredda e, cedendo calore all'acqua, si condensa, per cui qui viene mantenuto un leggero vuoto. La condensa che si accumula sul fondo del condensatore viene pompata all'esterno e, dopo aver attraversato una serie di scambiatori di calore, ritorna al generatore di vapore per ricominciare il ciclo. Il vapore per questi scambiatori di calore di riscaldamento viene prelevato da diversi punti del percorso del vapore della turbina a temperature sempre più elevate man mano che aumenta la temperatura del flusso di ritorno della condensa.
Poiché il condensatore richiede grandi quantità di acqua, è consigliabile costruire grandi centrali termoelettriche in prossimità di grandi specchi d'acqua. Se le riserve idriche sono limitate, vengono costruite torri di raffreddamento. In una torre di raffreddamento, l'acqua utilizzata per condensare il vapore nel condensatore viene pompata alla sommità della torre, da dove defluisce lungo numerosi divisori, diffondendosi in uno strato sottile su un'ampia superficie. L'aria che entra nella torre sale per effetto del tiraggio naturale o forzato creato da potenti ventilatori. Il movimento dell'aria accelera l'evaporazione dell'acqua, che si raffredda a causa dell'evaporazione. In questo caso l'1–3% dell'acqua di raffreddamento viene persa e si disperde nell'atmosfera sotto forma di nuvola di vapore. L'acqua raffreddata viene reimmessa nel condensatore e il ciclo si ripete. Le torri di raffreddamento vengono utilizzate anche nei casi in cui l'acqua viene prelevata da un serbatoio, in modo da non scaricare le acque reflue calde in un bacino idrico naturale.
La potenza delle turbine a vapore più grandi raggiunge i 1600 MW. Gli stadi di alta, intermedia e bassa pressione possono essere eseguiti su un unico rotore e la turbina viene quindi chiamata turbina monoalbero. Ma le turbine di grandi dimensioni sono spesso prodotte con un design a due alberi: gli stadi intermedio e di bassa pressione sono montati su un rotore separato dallo stadio di alta pressione. La temperatura massima del vapore davanti alla turbina dipende dal tipo di acciaio utilizzato per le linee del vapore e i surriscaldatori e, di norma, è 540–565 ° C, ma può raggiungere i 650 ° C. Vedi anche TURBINA.
Regolazione e gestione.
Prima di tutto, è necessario mantenere con precisione la frequenza standard della corrente alternata generata. La frequenza della corrente dipende dalla velocità di rotazione degli alberi della turbina e del generatore, pertanto è necessario regolare il flusso (consumo) di vapore all'ingresso della turbina in piena conformità con le variazioni del carico esterno. Questo viene fatto utilizzando regolatori controllati da computer molto precisi che agiscono sulle valvole di controllo di ingresso della turbina. I controllori a microprocessore coordinano il funzionamento di diversi blocchi e sottosistemi della centrale elettrica. I computer situati nella sala di controllo centrale avviano e arrestano automaticamente le caldaie a vapore e le turbine, elaborando dati provenienti da oltre 1.000 punti diversi nella centrale elettrica. I sistemi di controllo automatizzato (ACS) monitorano il funzionamento sincrono di tutte le centrali elettriche nel sistema energetico e regolano la frequenza e la tensione.
ALTRI TIPI DI CENTRALI ELETTRICHE
Centrali idroelettriche.
Circa il 23% dell'elettricità mondiale è generata da centrali idroelettriche. Convertono l'energia cinetica dell'acqua che cade nell'energia meccanica della rotazione della turbina e la turbina fa ruotare un generatore di corrente della macchina elettrica. La più grande centrale idroelettrica del mondo è stata installata a Itaipu, sul fiume. Paranà, dove divide Paraguay e Brasile. La sua potenza è di 750 MW. Presso la centrale idroelettrica di Itaipu sono state installate in totale 18 unità di questo tipo.
Le centrali elettriche ad accumulo con pompaggio (PSPP) sono dotate di unità (macchine idrauliche ed elettriche), che per la loro progettazione sono in grado di funzionare sia in modalità turbina che in modalità pompa. Durante le ore di basso carico, la centrale elettrica ad accumulo di pompaggio, consumando elettricità, pompa l'acqua da un serbatoio inferiore a un serbatoio superiore e durante le ore di carico maggiore nel sistema energetico, utilizza l'acqua immagazzinata per generare energia di picco. Il tempo di avvio e cambio modalità è di diversi minuti. Vedi anche IDROELETTRICO.
Unità turbina a gas.
Le turbine a gas sono ampiamente utilizzate nelle piccole centrali elettriche di proprietà di comuni o imprese industriali, e anche come unità di “picco” (backup) nelle grandi centrali elettriche. Nelle camere di combustione dei motori a turbina a gas viene bruciato olio combustibile o gas naturale e il gas ad alta temperatura e alta pressione agisce sulle giranti della turbina più o meno allo stesso modo del vapore in una turbina a vapore. Il rotore rotante di una turbina a gas aziona un generatore elettrico e un compressore d'aria, che fornisce alla camera di combustione l'aria necessaria per la combustione. Circa 2/3 dell'energia viene assorbita dal compressore; i gas di scarico caldi dopo che la turbina vengono scaricati nel camino. Per questo motivo il rendimento delle turbine a gas non è molto elevato, ma anche i costi di capitale sono bassi rispetto alle turbine a vapore della stessa potenza. Se una turbina a gas viene utilizzata solo per poche ore all’anno durante i periodi di picco di carico, gli elevati costi operativi sono controbilanciati da bassi costi di capitale, tanto che l’utilizzo di una turbina a gas per fornire fino al 10% della potenza totale di una centrale elettrica è economicamente fattibile.
Nelle centrali elettriche a turbina a gas a ciclo combinato (CCGT), i gas di scarico ad alta temperatura della turbina a gas non vengono convogliati in un camino, ma in una caldaia a calore di recupero, che produce vapore per la turbina a vapore. L'efficienza di un tale impianto è superiore a quella della migliore turbina a vapore presa separatamente (circa il 36%).
Centrali elettriche ICE.
Nelle centrali elettriche di proprietà di comuni e imprese industriali, i motori a combustione interna diesel e benzina vengono spesso utilizzati per azionare i generatori elettrici. Vedi anche MOTORE TERMICO.
I motori a combustione interna hanno una bassa efficienza, dovuta alle specificità del loro ciclo termodinamico, ma questo svantaggio è compensato da bassi costi di capitale. I motori diesel più grandi hanno una potenza di circa 5 MW. Il loro vantaggio è la loro piccola dimensione, che permette loro di essere comodamente posizionati accanto al sistema di consumo energetico nel comune o in una fabbrica. Non necessitano di grandi quantità di acqua, poiché i gas di scarico non devono condensare; sufficiente raffreddamento dei cilindri e dell'olio lubrificante. Nelle installazioni con un gran numero di motori diesel o benzina, i gas di scarico vengono raccolti in un collettore e inviati a un generatore di vapore, il che aumenta significativamente l'efficienza complessiva.
Centrali elettriche nucleari.
Nelle centrali nucleari, l'elettricità viene generata allo stesso modo delle centrali termiche convenzionali che bruciano combustibili fossili, attraverso generatori di macchine elettriche azionati da turbine a vapore. Ma il vapore qui è prodotto dalla fissione degli isotopi di uranio o plutonio durante una reazione a catena controllata che avviene in un reattore nucleare. Il liquido refrigerante che circola attraverso il percorso di raffreddamento del nocciolo del reattore rimuove il calore di reazione rilasciato e viene utilizzato direttamente o tramite scambiatori di calore per produrre vapore, che viene fornito alle turbine.
I costi di capitale per la costruzione di una centrale nucleare sono estremamente elevati rispetto ai costi delle centrali elettriche a combustibili fossili di pari capacità: negli Stati Uniti in media circa 3.000 dollari/kW, mentre per le centrali a carbone è di 600 dollari/kW . Ma le centrali nucleari consumano quantità molto piccole di combustibile nucleare, il che può essere piuttosto significativo per i paesi che altrimenti dovrebbero importare combustibile convenzionale. Vedi anche SCAMBIATORE DI CALORE; fissione del nucleo; ENERGIA NUCLEARE; CENTRALI ELETTRICHE E PROPULSIONI NAVI.
Centrali solari, eoliche, geotermiche.
L'energia solare viene convertita direttamente in elettricità da generatori di corrente fotovoltaici a semiconduttori, ma i costi di capitale di questi convertitori e della loro installazione sono tali che il costo della potenza installata è molte volte superiore a quello delle centrali termoelettriche. Esistono numerosi grandi impianti di energia solare operativi; il più grande di essi, con una capacità di 1 MW, si trova a Los Angeles (California). Il tasso di conversione è del 12–15%. La radiazione solare può essere utilizzata anche per generare elettricità concentrando i raggi solari mediante un grande sistema di specchi controllato da computer su un generatore di vapore montato al centro su una torre. Un impianto pilota di questo tipo con una capacità di 10 MW è stato costruito in pz. Nuovo Messico. Le centrali solari negli Stati Uniti generano circa 6,5 milioni di kWh all'anno.
Gli sviluppatori di parchi eolici da 4 MW costruiti negli Stati Uniti hanno dovuto affrontare numerose sfide a causa della loro complessità e delle grandi dimensioni. Lo stato della California ha costruito una serie di "campi eolici" con centinaia di piccole turbine eoliche collegate alla rete elettrica locale. Gli impianti eolici si ammortizzano solo se la velocità del vento è superiore a 19 km/he i venti soffiano più o meno costantemente. Purtroppo sono molto rumorosi e quindi non possono essere posizionati vicino a centri abitati. Vedi anche MOTORE EOLICO.
La produzione di energia geotermica è discussa nell'articolo RISORSE ENERGETICHE.
TRASMISSIONE DI ELETTRICITÀ
L'elettricità prodotta dal generatore viene trasportata a un trasformatore elevatore tramite conduttori massicci e rigidi in rame o alluminio chiamati busbar. La sbarra di ciascuna delle tre fasi (vedi sopra) è isolata in un guscio metallico separato, talvolta riempito con gas isolante SF6 (esafluoruro di zolfo).
I trasformatori aumentano la tensione ai livelli necessari per trasmettere in modo efficiente l'elettricità su lunghe distanze. Vedi anche TRASFORMATORE ELETTRICO.
Generatori, trasformatori e sbarre collettrici sono interconnessi tramite dispositivi di disconnessione ad alta tensione: interruttori manuali e automatici che consentono di isolare le apparecchiature per la riparazione o la sostituzione e di proteggerle dalle correnti di cortocircuito. La protezione contro le correnti di cortocircuito è fornita da interruttori automatici. Negli interruttori a olio, l'arco che si verifica quando i contatti si aprono si estingue nell'olio. Negli interruttori aperti, l'arco viene spento con aria compressa oppure viene utilizzato il “soffiaggio magnetico”. Gli interruttori automatici più recenti sfruttano le proprietà isolanti del gas SF6 per estinguere l'arco.
Per limitare la forza delle correnti di cortocircuito che possono verificarsi durante incidenti sulle linee elettriche, vengono utilizzati reattori elettrici. Il reattore è un induttore con diverse spire di conduttore solido collegate in serie tra la sorgente di corrente e il carico. Riduce la corrente al livello consentito dall'interruttore.
Da un punto di vista economico, la soluzione più conveniente, a prima vista, sembra essere una disposizione aperta della maggior parte delle sbarre ad alta tensione e delle apparecchiature ad alta tensione della centrale elettrica. Tuttavia, vengono sempre più utilizzate apparecchiature in involucri metallici con isolamento in gas. Tali apparecchiature sono estremamente compatte e occupano 20 volte meno spazio rispetto ad apparecchiature aperte equivalenti. Questo vantaggio è molto significativo nei casi in cui il costo del terreno è elevato o quando è necessario aumentare la capacità di un quadro chiuso esistente. Inoltre, è auspicabile una maggiore protezione laddove le apparecchiature potrebbero essere danneggiate da un grave inquinamento atmosferico.
Per trasmettere l'elettricità a distanza vengono utilizzate linee elettriche aeree e via cavo che insieme alle sottostazioni elettriche formano reti elettriche. I fili non isolati delle linee elettriche aeree sono sospesi utilizzando isolanti su supporti. Le linee elettriche in cavo sotterraneo sono ampiamente utilizzate nella costruzione di reti elettriche nelle città e nelle imprese industriali. La tensione nominale delle linee elettriche aeree va da 1 a 750 kV, cavo - da 0,4 a 500 kV.
DISTRIBUZIONE ELETTRICITÀ
Nelle sottostazioni di trasformazione, la tensione viene successivamente ridotta al livello necessario per la distribuzione ai centri di consumo energetico e, infine, ai singoli consumatori. Le linee elettriche ad alta tensione sono collegate tramite interruttori automatici alla sbarra della sottostazione di distribuzione. Qui la tensione viene ridotta ai valoriimpostati per la rete principale che distribuisce l'elettricità attraverso vie e strade. La tensione della rete principale può variare da 4 a 46 kV.
Nelle sottostazioni di trasformazione della rete principale, l'energia viene ramificata nella rete di distribuzione. La tensione di rete per i consumatori residenziali e commerciali varia da 120 a 240 V. I grandi consumatori industriali possono ricevere elettricità con tensioni fino a 600 V, nonché tensioni superiori tramite una linea separata dalla sottostazione. La rete di distribuzione (aerea o in cavo) può essere organizzata secondo uno schema a stella, ad anello o combinato, a seconda della densità di carico e di altri fattori. Le reti di trasmissione dell'energia delle aziende elettriche pubbliche vicine sono riunite in un'unica rete.
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Riscaldamento rigenerativo dell'acqua di alimento nelle centrali termoelettriche L'effetto della rigenerazione sull'efficienza degli impianti
Riscaldamento rigenerativo dell'acqua di alimentazione a TPP 3
Impatto della rigenerazione sull'efficienza della stazione 3
Consumo di vapore nelle estrazioni a turbina per la rigenerazione 5
Equazione del bilancio termico per il riscaldatore 6
Consumo di vapore per turbina con rigenerazione 6
Consumo specifico di vapore per turbina con rigenerazione 7
Distribuzione delle selezioni rigenerative in turbina 8
Distribuzione della rigenerazione per turbine con postriscaldamento 10
Temperatura ottimale dell'acqua di alimentazione 11
1) Temperatura teorica ottimale dell'acqua di alimentazione 11
2) Temperatura economica ottimale dell'acqua di alimentazione 12
Sottoriscaldamento dell'acqua di alimentazione alla temperatura di saturazione nei riscaldatori rigenerativi 12
Circuiti di riscaldamento rigenerativo 14
Schema con riscaldatori di tipo miscelato 14
Schema a blocchi di un riscaldatore di tipo miscelato con drenaggio a valle 14
Schema di drenaggio drenaggio a se stesso 15
Schema di drenaggio delle cascate 16
Miglioramento dello schema di drenaggio a cascata per i raffreddatori di drenaggio 16
Raffreddatori ad estrazione di vapore 18
Raffreddatori a vapore remoti 19
Schema "Violino" 19
Schema Ricor – Nekolny 19
Schema reale del riscaldamento rigenerativo utilizzato nelle centrali termoelettriche. 20
Disegni di riscaldatori rigenerativi 22
Progettazione dell'HDPE 22
Progettazione del PVD 23
Bilancio materiale del fluido di lavoro nel ciclo della stazione 26
Ripristino delle perdite di vapore e acqua al TPP 27
Metodo chimico per preparare acqua aggiuntiva 27
Metodo termico di dissalazione dell'acqua aggiuntiva 28
Impianti di evaporazione multistadio 29
Circuito a tre stadi con alimentazione sequenziale a 30 evaporatori
Evaporazione multistadio di una caldaia flash 31
Con perdita di efficienza termica del gruppo turbina 33
Senza perdita di efficienza termica 33
Calcolo termico dell'impianto di evaporazione 35
Equazione del bilancio termico KI 36
Fornitura di energia termica ai consumatori da CHPP 37
Fornitura di calore con acqua calda per il riscaldamento, la ventilazione e il fabbisogno di acqua calda sanitaria 38
Schema in tre fasi per il riscaldamento dell'acqua della rete 38
Coefficiente di riscaldamento cogenerativo 39
Calcolo dell'installazione della rete 40
Deaerazione dell'acqua di alimentazione al TPP 43
L'influenza dei gas disciolti nell'acqua sul funzionamento delle apparecchiature 43
Disaeratori delle centrali elettriche 44
Classificazione dei disaeratori 45
Serbatoi di stoccaggio del disaeratore 45
Inserimento di un disaeratore nel circuito termico della turbina 46
Equazione del bilancio termico 47
Equazione del bilancio materiale 47
Piante nutrici di TPP 48
Inclusione di PN e KN nello schema termico 48
Azionamento della pompa di alimentazione 49
Inclusione di un azionamento a turbina nel circuito termico di una turbina 50
Determinazione della pressione creata dalle pompe di alimentazione 52
Pressione generata dalle pompe di condensa 52
Diagramma termico schematico del TPP 52
Preparazione del PTS IES 56
Selezione delle apparecchiature della centrale elettrica 56
Selezione potenza TPP 56
Selezione delle apparecchiature della centrale elettrica principale 58
Selezione di caldaie TPP 59
Tipi di caldaie 60
Scelta delle turbine e dei condensatori 60
Selezione delle apparecchiature ausiliarie per l'installazione della turbina. 60
Selezione degli scambiatori di calore nello schema termico 61
Selezione della pompa 61
Selezione del serbatoio 63
Scelta degli equipaggiamenti ausiliari per l'installazione della caldaia 64
Scelta delle attrezzature per i sistemi di preparazione delle polveri 64
Selezione del TDM 65
Scelta del trattamento dell'acqua 65
Riserva trattamento acqua 66
Schema termico di dettaglio di una centrale termoelettrica (RTS CHPP) 66
Schema delle principali condotte del vapore delle centrali termoelettriche a blocco (10.1) 66
Schema delle principali condotte del vapore delle centrali termoelettriche non unitarie (10.2) 67
Schema delle condotte principali delle centrali termoelettriche a blocco (10.3) 67
Linea principale della condensa della turbina (10.6) 67
Condotte e raccordi di centrali elettriche 68
Tipi di condotte e loro caratteristiche 68
Limitazione delle condutture 70
Monitoraggio delle condizioni delle tubazioni 70
Designazioni dei tubi 70
Calcolo della pipeline 70
Raccordi per centrali elettriche 71
In realtà, questo schema di rigenerazione non viene utilizzato, perché il punto finale di espansione cade nella zona di umidità estrema ed è anche impossibile implementare uno schema di progettazione per il trasferimento del vapore
Lo schema attuale viene eseguito con estrazione del vapore dalla turbina, con condensazione completa del vapore nei condensatori senza ritorno alla turbina.
Questo schema garantisce il funzionamento della turbina, poiché:
1) il punto finale dell'espansione non cambia la sua posizione rispetto alla turbina senza rigenerazione; 2) L'estrazione del vapore per la rigenerazione nella quantità del 20% della portata totale consente di ridurre il flusso volumetrico di vapore all'LPC, il che porta ad una diminuzione dell'altezza della pala dell'ultimo stadio del turbina, e quindi contribuisce ad aumentare la resistenza meccanica della pala; 3) nel primo stadio della turbina (regolatore), minore è l'altezza della pala, minore è lo stadio a causa dei vortici che si originano alla radice e alla fasciatura. L'utilizzo della rigenerazione a parità di potenza richiede un aumento del flusso di vapore nel primo stadio della turbina, che ha un effetto benefico sull'aumento dell'altezza della pala del primo stadio.
Consumo di vapore nelle estrazioni a turbina per la rigenerazione
La quantità di vapore portato al riscaldatore rigenerativo è determinata dalla capacità di condensazione del riscaldatore.
La capacità di condensazione del riscaldatore è determinata dal bilancio termico, cioè dall'uguaglianza della quantità di calore assorbito dall'acqua di alimentazione e introdotto dal vapore di riscaldamento.
Equazione del bilancio termico del riscaldatore
Dpv - flusso dell'acqua di alimentazione
Dпi – flusso di vapore riscaldante
ipwi – entalpia dell'acqua di alimentazione all'uscita del riscaldatore
iпвi – entalpia dell'acqua di alimentazione all'ingresso del riscaldatore
ipi – entalpia del vapore riscaldante
idri – entalpia di drenaggio
0,99 - efficienza del riscaldatore
Consumo di vapore per turbina con rigenerazione
Il flusso di vapore alla turbina di rigenerazione viene determinato in base all'equazione dell'energia della turbina.
Potenza determinata per turbine con riscaldatori rigenerativi
Per turbine senza estrazione del vapore
Il coefficiente di sottoproduzione di energia elettrica da parte del vapore dell'i-esima estrazione
Consumo relativo di vapore in estrazione
Consumo di vapore con rigenerazione
Consumo di vapore senza rigenerazione
Consumo specifico di vapore per turbina con rigenerazione
Turbina P.T
Per determinare gli equilibri e l'efficienza di una turbina con rigenerazione si utilizzano le stesse formule delle turbine senza rigenerazione. La differenza sta nella temperatura e nell'entalpia dell'acqua di alimentazione.
Distribuzione delle estrazioni rigenerative nella turbina
Quando crei un diagramma, devi rispondere alle seguenti domande:
Quale dovrebbe essere il grado di riscaldamento dell'acqua in un riscaldatore rigenerativo?
Come distribuire le estrazioni in tutta la turbina?
Quante estrazioni sono ottimali per una turbina?
1. È considerato ottimale se il grado di riscaldamento dell'acqua è il seguente:
2. Una distribuzione uniforme del calo termico tra le prese è considerata ottimale:
3. Dipendenza dell'efficienza dal numero di stadi:
Il numero ottimale di fasi di riscaldamento va da cinque a nove. Se il numero di stadi è inferiore a cinque, l'aumento dell'efficienza termica () è molto piccolo e non ha senso realizzare più di nove stadi, perché l'aumento di efficienza è insignificante e non commisurato ai costi.
L'exergia del vapore ottimale in questa selezione è vicina all'exergia dell'acqua di alimentazione.
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Efficienza delle centrali termoelettriche
Nel prossimo futuro, un importante contributo alla risoluzione del problema energetico sarà possibile utilizzando i generatori magnetoidrodinamici (MHD), aumentando l’efficienza termodinamica delle centrali termoelettriche. I prodotti caldi ionizzati della combustione del carburante sotto forma di plasma a bassa temperatura con una temperatura di circa 2500 °C vengono fatti passare ad alta velocità attraverso un forte campo magnetico Utilizzando densità di corrente moderate - fino a 200 A/m e anodi, il contenuto totale di impurità in cui è inferiore al 5%, si ottiene il grado di piombo CO se il bismuto nel metallo grezzo è inferiore allo 0,5%. Il consumo di energia è basso - circa 100 kWh/t, che equivalgono a 360 MJ, e con l'efficienza media delle centrali termoelettriche - 3,5 kg/t di combustibile equivalente, notiamo che il 10-11% del combustibile in peso della il metallo viene consumato per la raffinazione a fuoco del piombo.Il vantaggio delle centrali termoelettriche è che possono funzionare con quasi tutti i tipi di combustibile minerale: vari carboni e i loro prodotti di arricchimento, torba, scisto, combustibile liquido e gas naturale. Allo stesso tempo, le unità principali di una centrale termoelettrica hanno un'efficienza molto elevata, che garantisce un'efficienza complessiva delle moderne centrali elettriche fino al 42%.
Per aumentare l’efficienza del ciclo termico, le centrali elettriche aumentano la temperatura di surriscaldamento e la pressione del vapore vivo e utilizzano anche il surriscaldamento secondario alle temperature più elevate possibili. Ma all'aumentare della temperatura del vapore, la corrosione dei tubi metallici delle superfici riscaldanti aumenta a causa dell'intensificazione dei processi di diffusione, poiché aumenta la temperatura delle pareti metalliche dei tubi della parte di uscita dei surriscaldatori. All'aumentare della pressione del vapore vivo, aumenta la temperatura della parete dei tubi a griglia, lavata dall'interno da un mezzo acquoso più caldo.
Nella fig. 6-1a mostra un diagramma termico schematico di una centrale elettrica a condensazione. Una caratteristica di questo tipo di centrale è che solo una piccola parte del vapore fornito alla turbina (fino a circa il 30%) viene utilizzato dagli stadi intermedi della turbina per riscaldare l'acqua di alimentazione, mentre il resto del vapore viene inviato al condensatore della turbina a vapore, dove il suo calore viene ceduto all'acqua di raffreddamento. Allo stesso tempo, le perdite di calore con l'acqua di raffreddamento sono piuttosto significative (fino al 55% della quantità totale di calore ricevuto nella caldaia durante la combustione del combustibile). L'efficienza delle centrali elettriche a condensazione ad alta pressione non supera il 40%.
L'efficienza dell'unità di potenza è vicina al 50%. Ciò dovrebbe garantire un risparmio di carburante del 20-25% rispetto a una centrale termica convenzionale.
Per aumentare l'efficienza dell'installazione MHD, il gas caldo, dopo il raffreddamento nel canale, viene inviato al forno di una caldaia a vapore convenzionale di una centrale termica (TPP). I calcoli preliminari mostrano che l'efficienza complessiva dell'impianto raggiungerà il 60-70%, ovvero supererà l'efficienza del 15-20%. d. le migliori centrali termiche a condensazione.
Lo schema schematico di questa centrale elettrica è il seguente. Gli specchi catturano i raggi del sole, li raccolgono in raggi e li dirigono al centro (fuoco), dove si trova la caldaia a vapore. Il vapore ad una temperatura di 400 C e una pressione di 35 atm fa ruotare il turbogeneratore. L'efficienza della prima centrale solare nel nostro paese è piccola - non più del 15%, il costo specifico della capacità installata è 10 volte superiore rispetto a una centrale termica convenzionale, il costo di 1 kWh è approssimativamente lo stesso di una centrale termica centrali elettriche di capacità comparabile.
Rendimenti dei gruppi caldaia di alcune centrali termoelettriche
Le centrali termoelettriche possono generare non solo energia elettrica, ma anche energia termica (acqua calda per il riscaldamento e l'approvvigionamento idrico e vapore per le esigenze tecnologiche di produzione). L'efficienza delle moderne centrali termoelettriche (CHP) è ancora più elevata e raggiunge il 60-70%.
Le macchine create negli ultimi due secoli hanno una bassa efficienza, ad esempio per una locomotiva a vapore è 10-15. Ciò significa che l'85-90/o dell'energia contenuta nel combustibile viene dispersa inutilmente. I costi improduttivi e le perdite di energia sono elevati anche nelle centrali termoelettriche nel processo di conversione lungo i percorsi dalle caldaie alle turbine e ai generatori.
Sistema macchina prof. A. N. Shelesta, che utilizza il calore atmosferico, può essere utilizzato per centrali termoelettriche, la cui efficienza sarà doppia rispetto a quelle esistenti.
Il rendimento termico netto caratterizza il perfetto funzionamento del locale caldaia; come elemento della centrale elettrica, tiene conto del calore di scarico utilizzato, nonché delle perdite per il fabbisogno proprio del locale caldaia. L'efficienza termica netta è espressa dalla formula
Centrale elettrica a condensazione. Il principale indicatore energetico di una centrale a condensazione (unità a condensazione) è il fattore di efficienza netta, che tiene conto del proprio consumo di energia elettrica e termica. Il fattore di efficienza è direttamente correlato a importanti indicatori energetici come il consumo specifico di calore e combustibile standard per elettricità fornita.
Naturalmente, se l'elettricità sostituita dal gas naturale viene generata in centrali termoelettriche, la cui efficienza entro il 1980 raggiungerà presumibilmente un valore di circa il 35-40%, allora con un tasso di utilizzo del combustibile nei forni a gas superiore al 40%, il gas i forni non solo diventeranno un investimento più economico, ma anche più economico da gestire.
Lo schema termico di base di un impianto di cogenerazione (CHP) con turbine con due estrazioni controllate di vapore e condensazione è mostrato in Fig. 3-2.6. Parte del calore del vapore che entra nella turbina viene utilizzato per generare energia elettrica, dopodiché questo vapore scaricato nella turbina viene inviato ai consumatori termici. La quantità rimanente di vapore non utilizzata dalle utenze termiche entra nel condensatore. L'efficienza delle centrali termoelettriche supera significativamente l'efficienza delle centrali a condensazione e ammonta al 70-75%.
ECONOMIA TERMICA DELLE CENTRALI A CONDENSAZIONE (CPP) E SISTEMA DEI COEFFICIENTI DI EFFICIENZA
L'efficienza termica di una centrale elettrica è caratterizzata dal suo fattore di efficienza (efficienza), pari al rapporto tra l'energia ricevuta e il calore del carburante consumato. Per qualsiasi periodo di tempo, ad esempio un periodo annuale, il rendimento di una centrale termoelettrica è pari a
L’efficienza energetica delle centrali termoelettriche viene valutata in base all’efficienza netta, tenendo conto del consumo proprio di elettricità e calore della centrale. Il fattore di efficienza netto viene determinato per la centrale o l'unità nel suo complesso, nonché separatamente per gli impianti a turbina e a caldaia. In quest'ultimo caso, per ciascuno di questi impianti viene determinato il consumo totale di calore ed elettricità.
Bilancio energetico. Il parametro principale e più importante che determina la prestazione energetica di una centrale nucleare è il coefficiente di efficienza m], pari al rapporto tra la potenza elettrica Ne e la potenza termica Nt rilasciata a seguito delle reazioni nucleari nel bersaglio e nel mantello, m] = Ne/Nt. La differenza fondamentale tra una centrale ITS e una centrale nucleare è che nelle centrali ITS ci sono costi energetici aggiuntivi per alimentare il conducente, quindi m] = Ne - Nd)/Nt. La riduzione dell'efficienza dovuta a questi costi negli schemi di centrali elettriche sviluppate non supera
L'efficienza di un dato processo di conversione energetica mostra quanta dell'energia originale (espressa in percentuale) viene convertita nella forma di energia di cui abbiamo bisogno. Ad esempio, quando diciamo che una centrale termoelettrica funziona con un rendimento del 35%, ciò significa che il 35% (0,35) dell'energia chimica rilasciata dalla combustione del combustibile viene convertita in energia elettrica.
Il vantaggio principale dei generatori MHD è che, aumentando l’efficienza del 10-20% rispetto alle centrali termoelettriche, possono attualmente generare elettricità su scala industriale.
Il difetto di una moderna centrale nucleare è che non sappiamo ancora come convertire l’energia del nucleo atomico direttamente in energia elettrica. Bisogna prima ricevere calore e poi trasformarlo in movimento utilizzando gli stessi vecchi sieo-dog che esistono dall'invenzione della macchina a vapore. Per questo motivo anche l’efficienza della centrale nucleare è bassa. E sebbene questo sia un difetto comune a tutte le centrali termiche, è comunque fastidioso che il problema della rimozione del calore da un reattore nucleare debba essere risolto con mezzi ingombranti e tecnicamente imperfetti.
Il rendimento delle tubazioni t tr Nelle moderne centrali termoelettriche, se non si tengono conto delle perdite del fluido di lavoro, è del 99%, e tenendo conto delle perdite di vapore e acqua 96-977o-
L'accademico V.A. Kirillin ha recentemente citato altre figure interessanti. Ha ricordato che la produzione di elettricità e la capacità delle centrali elettriche nel nostro Paese crescono in media dell'11,5% all'anno. Ciò significa che ogni dieci anni la capacità delle nostre centrali triplica. E tra vent'anni, l'intero settore energetico di oggi, che ci sembra superpotente, rappresenterà solo il 9% del settore energetico totale... Questo calcolo mostra in modo convincente quanto sarebbe economicamente vantaggioso passare alla costruzione di energia termica impianti con un fattore di efficienza non pari a 40, ma pari al 55-60%.
Ciò è generalmente possibile, ma finora tutti gli elementi che utilizzano il gas del generatore funzionano solo a temperature elevate, ad esempio 800 gradi. Un simile impianto per la combustione di gas infiammabile fu costruito, ad esempio, diversi anni fa dallo scienziato sovietico O. Dav-tyan. Consisteva in un involucro in cui da un lato veniva immessa l'aria normale e dall'altro il gas del generatore. I flussi di aria e gas del generatore sono separati da uno strato di elettrolita solido. Da ogni metro cubo di volume di un tale elemento puoi ottenere fino a 5 kilowatt di potenza. Si tratta di 5 volte di più rispetto a una moderna centrale termoelettrica. L'efficienza di questo elemento è elevata, ma sfortunatamente dopo qualche tempo l'elettrolita cambia composizione e gli elementi diventano inutilizzabili.
Il valore di efficienza è determinato principalmente dal valore di efficienza del locale caldaia. Il coefficiente di efficienza caratterizza l'efficienza dei processi termici che non servono a convertire il calore in lavoro. A questo proposito non ha senso confrontare Bejfa4HH l’efficienza di un impianto termico -f (cioè, in sostanza, l’efficienza di un impianto a caldaia) e l’efficienza di una centrale elettrica.
I test sui bruciatori di questo tipo sono stati effettuati dai dipendenti di Kharkovenergo [L. 105] in una delle centrali elettriche del sud alle seguenti condizioni. Sulla parete frontale del forno sono stati installati tre bruciatori di una caldaia ad alta pressione (85 atm) con una capacità di 105 t/h di vapore con una temperatura di surriscaldamento di 500°C. Lo stress termico del volume del forno a pieno carico della caldaia è stato di 128 Mtl1m -h. L'efficienza della caldaia è stata determinata mediante bilanci diretti e inversi. Il calore di combustione del gas naturale è stato determinato da un calorimetro Junkers e la composizione dei gas di scarico è stata determinata
Anche nel settore energetico c’è spazio per l’uso promettente dei tubi di calore. L’efficienza delle moderne centrali termoelettriche è prossima al 40%. Risulta molto difficile aumentare ulteriormente questo valore. Uno dei modi possibili è aumentare la temperatura del ciclo operativo, ma ciò porta ad un forte riscaldamento delle pale della turbina e alla perdita della loro resistenza. Per lo più vengono riscaldate le estremità sottili delle pale, più lontane dal massiccio rotore. Anche in questo caso, i tubi di calore possono venire in soccorso. Le pale possono essere cave e riempite con fluido di lavoro, nel qual caso si trasformeranno essenzialmente in tubi di calore opportunamente sagomati. Il movimento della condensa al loro interno sarà effettuato a causa delle forze centrifughe, ovvero in questo caso non sarà necessaria una struttura capillare. La zona di evaporazione è la zona di massimo flusso termico alle estremità delle pale, la zona di condensazione è la base delle pale, da dove il calore verrà ceduto al rotore e poi allontanato attraverso di esso dalla zona di passaggio del vapore Jet. Apparentemente, il rotore può anche essere reso cavo, trasformandolo in un grande tubo di calore, che non solo migliorerà il trasferimento di calore attraverso di esso, ma accelererà anche il tempo necessario all'intera turbina per riscaldarsi alle temperature operative durante il periodo di avvio. [L. 29].
Il valore rappresenta il coefficiente di utilizzo del calore del combustibile durante la produzione di energia e il consumo termico e non è un coefficiente di efficienza della centrale elettrica.
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Di quali perdite energetiche tiene conto l’efficienza di una centrale termoelettrica nel suo complesso? Qual è la differenza tra l'efficienza lorda e netta della stazione?
L'efficienza di una centrale termica nel suo insieme ηс è uguale al prodotto di tre efficienze: ηe, l'efficienza del generatore di vapore ηpg e l'efficienza del trasporto di calore ηtr (il valore ηtr può avere un altro nome - l'efficienza delle condutture) . Da ciò si può vedere che ηс tiene conto delle perdite di energia totali nell'unità turbogeneratore, nel generatore di vapore e nelle tubazioni.
Il suddetto rendimento di una centrale termoelettrica nel suo complesso è il rendimento lordo della centrale, ovvero .
Parte dell'elettricità generata dalle centrali termoelettriche e dalle centrali nucleari viene spesa per i bisogni propri della centrale elettrica: azionamento di varie pompe, preparazione del combustibile di carbone polverizzato per la combustione, illuminazione di officine, ecc. Questa circostanza tiene conto del rendimento netto della centrale, pari al prodotto del valore (1 - Ksn), dove Ksn è la quota di consumo di energia elettrica per il proprio fabbisogno, solitamente pari al 4-10% della potenza totale della centrale. la centrale elettrica.
Cos'è il carburante convenzionale? Introdurre i concetti: consumo specifico di vapore per turbina, consumo specifico di calore per unità turbina, consumo specifico di combustibile equivalente di una centrale elettrica.
Per confrontare le riserve e il consumo di vari tipi di risorse energetiche (combustibile fossile, energia idroelettrica, combustibile nucleare, ecc.), viene utilizzato il combustibile di riferimento, che ha un potere calorifico di 29.310 kJ/kg (7.000 kcal/kg). Ciò ci consente di confrontare l’efficienza termica delle centrali elettriche che utilizzano diversi tipi di energia naturale primaria.
Il consumo specifico di vapore per turbina è il consumo di vapore fresco per unità di elettricità prodotta, kg/kWh.
Il consumo di calore specifico di un'unità turbina è il consumo di calore del combustibile per unità di elettricità prodotta. Questa quantità è adimensionale.
Il consumo specifico di combustibile equivalente di una centrale elettrica è il consumo di combustibile equivalente per unità di elettricità prodotta, gut/kWh (gut – 1 grammo di combustibile equivalente).
Descrivere i possibili metodi di fornitura di calore ed energia elettrica ai consumatori. Quali sono gli indicatori di efficienza termica degli impianti di cogenerazione? Qual è il coefficiente di riscaldamento, come dipende dalla temperatura esterna?
Esistono due modi principali per fornire calore ed elettricità ai consumatori:
Basato sulla produzione combinata di energia termica ed elettrica (CHP) mediante turbine di cogenerazione;
Uno schema separato di fornitura di calore ed elettricità, quando il consumatore riceve elettricità dal sistema di alimentazione e energia termica dal locale caldaia distrettuale.
La produzione di elettricità mediante il riscaldamento delle turbine di una centrale termoelettrica garantisce tassi di efficienza termica più elevati rispetto alle centrali termoelettriche, perché in una centrale termoelettrica parte del vapore che lavora nella turbina rilascia il suo calore durante la condensazione non nell'ambiente, ma in consumatori termici.
L'efficienza termica della cogenerazione è caratterizzata dai seguenti indicatori:
L'efficienza di una centrale termoelettrica per la produzione di energia elettrica, pari al rapporto tra la potenza elettrica e il consumo di calore del combustibile per la generazione di energia elettrica;
L'efficienza di una centrale termica per la produzione di calore, pari al rapporto tra la fornitura di calore ai consumatori e il consumo di calore del combustibile per la produzione di energia termica; questa efficienza tiene conto solo delle perdite nei riscaldatori e nelle condutture della rete;
Produzione specifica di energia elettrica da consumo termico, pari al rapporto tra la potenza elettrica di riscaldamento (ovvero quella parte della potenza elettrica totale fornita dal vapore che non raggiunge il condensatore) e il consumo di calore del combustibile per la produzione di energia termica.
Se il carico termico aumenta in modo significativo, la centrale termica può coprirlo non solo mediante estrazioni a turbina, ma anche con l'ausilio di un locale caldaia di punta. Il coefficiente di riscaldamento α del CHP mostra quale quota del carico termico totale del CHP è coperta dalle estrazioni a turbina. Nel periodo più freddo dell'anno, l'αCHP diminuisce, poiché aumenta la quota del carico termico del CHPP, coperto dal locale caldaie di punta.
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Distribuzione dell'energia Centrali elettriche di diverso tipo, situate in luoghi diversi, possono essere collegate tramite linee elettriche ad alta tensione (linee elettriche) a una rete elettrica. In questo caso, il carico costante (di base) consumato durante il giorno viene assorbito dalle centrali nucleari (NPP), dalle centrali termoelettriche con turbine a vapore ad alta efficienza e dalle centrali elettriche (CHP e CHP), nonché dalle centrali idroelettriche (HPP). . Durante le ore di carico elevato, le centrali elettriche con pompaggio (PSPP), le unità turbina a gas (GTU) e le centrali termiche meno efficienti funzionanti con combustibili fossili sono inoltre collegate alla rete generale di linee di trasmissione del sistema elettrico. L’approvvigionamento energetico da sistemi energetici presenta vantaggi significativi rispetto all’approvvigionamento da centrali elettriche isolate: l’affidabilità dell’approvvigionamento energetico migliora, le risorse energetiche della regione vengono utilizzate meglio, il costo dell’elettricità viene ridotto grazie alla distribuzione più economica del carico tra le centrali elettriche, il la potenza di riserva richiesta viene ridotta, ecc. Efficienza delle centrali elettriche. In termini percentuali, l'efficienza termica di una moderna centrale termoelettrica non supera il 36%, principalmente a causa delle perdite di calore trasportate dai gas di scarico - prodotti della combustione. Le centrali nucleari che operano a temperature e pressioni più basse hanno un'efficienza complessiva leggermente inferiore, circa il 32%. Gli impianti a turbina a gas con una caldaia a calore di recupero (un generatore di vapore che utilizza il calore dei gas di scarico) e una turbina a vapore aggiuntiva possono avere un'efficienza superiore al 40% Centrali elettriche nucleari. Tali centrali elettriche funzionano secondo lo stesso principio delle centrali termoelettriche, ma utilizzano l'energia ottenuta durante il decadimento radioattivo per la generazione di vapore. Il minerale di uranio arricchito viene utilizzato come combustibile. Rispetto alle centrali termiche e idroelettriche, le centrali nucleari presentano seri vantaggi: richiedono una piccola quantità di carburante, non interrompono il regime idrologico dei fiumi e non emettono gas inquinanti nell'atmosfera. Il processo principale che avviene in una centrale nucleare è la fissione controllata dell'uranio-235, che rilascia una grande quantità di calore. La parte principale di questa centrale è un reattore nucleare, il cui ruolo è mantenere una reazione di fissione continua, che non dovrebbe trasformarsi in un'esplosione nucleare. Combustibile nucleare - minerale contenente il 3% di uranio-235; riempie lunghi tubi d'acciaio - elementi combustibili (barre di combustibile). Se molte barre di combustibile vengono poste una accanto all'altra, inizierà una reazione di scissione. Per poter controllare la reazione, tra le barre di combustibile vengono inserite delle barre di controllo; spingendoli dentro e fuori, puoi controllare la velocità di decadimento dell'uranio-235. Il complesso di barre di combustibile fisse e regolatori mobili è un reattore nucleare. Il calore generato dal reattore viene utilizzato per far bollire l'acqua e produrre vapore, che aziona la turbina di una centrale nucleare per produrre elettricità.
La violazione della modalità operativa di una centrale nucleare minaccia di un disastro causato dall'uomo: un'esplosione nucleare. Il rischio connesso all'esercizio delle centrali nucleari ha causato la quasi completa cessazione della loro costruzione negli Stati Uniti, in Germania, Inghilterra e Canada; solo Francia e Giappone continuano i loro programmi nucleari. Allo stesso tempo, le principali riserve mondiali di combustibili fossili utilizzati nelle centrali termoelettriche (carbone, petrolio e gas) saranno esaurite nel 21° secolo. I depositi di uranio dureranno molto più a lungo. Pertanto, sarà difficile per l’umanità fare a meno di sviluppare le tecnologie nucleari più sicure possibili. Allo stesso tempo, va ricordato che i rifiuti dei reattori nucleari sono estremamente pericolosi non solo di per sé, ma creano anche la possibilità di un'esplosione. Pertanto, lo sviluppo dell’industria nucleare dovrebbe essere accompagnato (o addirittura preceduto) dalla scoperta di modi per utilizzare lo stoccaggio o il trattamento dei rifiuti nucleari. Centrale termica. Le centrali termoelettriche producono elettricità come risultato della conversione dell'energia termica rilasciata durante la combustione del combustibile. I principali tipi di combustibile per una centrale termica sono le risorse naturali: gas, olio combustibile, meno spesso carbone e torba. Un tipo di centrale termica (TPP) è una centrale combinata di calore ed elettricità (CHP) - una centrale termica che genera non solo elettricità, ma anche calore, che sotto forma di acqua calda attraverso le reti termiche entra nelle nostre batterie. Nella fig. percorso energetico dalla centrale all'appartamento Una caldaia con acqua è installata nella sala turbine della centrale termica. Quando il carburante brucia, l'acqua nella caldaia si riscalda fino a diverse centinaia di gradi e si trasforma in vapore. Il vapore sotto pressione fa ruotare le pale della turbina, che a sua volta fa ruotare il generatore. Il generatore produce corrente elettrica. La corrente elettrica entra nelle reti elettriche e attraverso di esse raggiunge città e villaggi, entra nelle fabbriche, nelle scuole, nelle case, negli ospedali. La trasmissione di elettricità dalle centrali elettriche tramite linee elettriche viene effettuata a tensioni di 110-500 kilovolt, cioè significativamente superiori alla tensione dei generatori. L'aumento della tensione è necessario per trasmettere l'elettricità su lunghe distanze. Successivamente è necessario riportare la tensione a un livello conveniente per il consumatore. La conversione della tensione avviene nelle sottostazioni elettriche utilizzando trasformatori. Attraverso numerosi cavi posati sottoterra e fili tesi in alto sopra il suolo, la corrente scorre nelle case delle persone. E il calore sotto forma di acqua calda proviene dalla centrale termica attraverso la rete di riscaldamento, anch'essa situata nel sottosuolo.
Legenda nella figura: Torre di raffreddamento - un dispositivo per il raffreddamento dell'acqua in una centrale elettrica con aria atmosferica Caldaia a vapore - un'unità chiusa per la produzione di vapore in una centrale elettrica riscaldando l'acqua. Il riscaldamento dell'acqua viene effettuato bruciando combustibile (nelle centrali termoelettriche di Saratov - gas). Progettato per trasmettere elettricità. Esistono linee elettriche aeree (fili tesi sopra il suolo) e sotterranee (cavi elettrici). Centrale idroelettrica. In una centrale idroelettrica, l’energia cinetica dell’acqua che cade viene utilizzata per generare elettricità. La turbina e il generatore convertono l'energia dell'acqua in energia meccanica e poi in elettricità. Turbine e generatori sono installati nella diga stessa o nelle sue vicinanze. A volte viene utilizzata una tubazione per trasportare l'acqua pressurizzata al di sotto del livello di una diga o alla presa di una centrale idroelettrica. La potenza di una centrale idroelettrica è determinata principalmente in funzione di due variabili: (1) la portata d'acqua, espressa in metri cubi al secondo (m3/s), e (2) il battente idrostatico, che è la differenza di altezza tra il punto iniziale e finale della caduta dell'acqua. La progettazione dell'impianto può basarsi su una o entrambe queste variabili.
Dal punto di vista della conversione energetica, l’energia idroelettrica è una tecnologia ad altissima efficienza, spesso più del doppio dell’efficienza delle centrali termiche convenzionali. Il motivo è che un volume d’acqua che cade verticalmente trasporta una grande carica di energia cinetica, che può essere facilmente convertita in energia meccanica (di rotazione) necessaria per produrre elettricità. Le attrezzature idroelettriche sono abbastanza ben progettate, relativamente semplici e molto affidabili. Poiché nel processo non è presente calore (a differenza del processo di combustione), l'apparecchiatura ha una lunga durata e i malfunzionamenti sono rari. La durata della centrale idroelettrica è di oltre 50 anni. Molte centrali costruite negli anni venti del Novecento – la prima fase del periodo d'oro dell'energia idroelettrica – sono ancora in funzione. Poiché tutti i processi lavorativi essenziali possono essere gestiti e monitorati a distanza tramite un'unità di controllo centrale, è necessario poco personale tecnico in loco. Allo stato attuale, è già stata accumulata una notevole esperienza nella gestione di centrali idroelettriche con una capacità da 1 kW a centinaia di MW. Il grafico di carico di una determinata area o città, che rappresenta un cambiamento nel tempo della potenza totale di tutti i consumatori , ha cali e massimi. Ciò significa che in un determinato momento della giornata è necessaria una grande potenza totale di generatori, e in altri momenti alcuni generatori o centrali elettriche possono essere spenti o funzionare a carico ridotto. Il problema della rimozione dei picchi viene risolto dalle stazioni di stoccaggio con pompaggio (PSPP), che funzionano come segue. Durante gli intervalli di tempo in cui il carico elettrico nei sistemi combinati è minimo, la centrale ad accumulazione con pompaggio pompa l'acqua dal serbatoio inferiore al serbatoio superiore e consuma elettricità dal sistema. Nella modalità di brevi “picchi” - valori di carico massimo - la centrale ad accumulo di pompaggio funziona in modalità generatore e spreca l'acqua accumulata nel serbatoio superiore. I PSPP sono diventati particolarmente efficaci dopo l’avvento delle turbine idrauliche a circolazione, che svolgono le funzioni sia di turbine che di pompe. Le prospettive di utilizzo delle centrali di pompaggio dipendono in gran parte dall'efficienza, che in relazione a queste centrali è intesa come il rapporto tra l'energia generata dalla centrale in modalità generatore e l'energia consumata in modalità di pompaggio. Il risparmio di carburante quando si utilizzano i PSPP si ottiene caricando ulteriormente le apparecchiature termiche per caricare i PSPP. Allo stesso tempo, viene consumato meno carburante rispetto alla produzione di elettricità di punta in una centrale termica o in una centrale con turbina a gas. Inoltre, la sua modalità di ricarica facilita la messa in servizio di centrali elettriche di base che genereranno energia con un consumo specifico di carburante inferiore. Le prime centrali ad accumulazione con pompaggio all'inizio del XX secolo. aveva un'efficienza non superiore al 40%; nelle moderne centrali elettriche con pompaggio l'efficienza è del 70-75%. I vantaggi delle centrali ad accumulazione con pompaggio, oltre al valore di efficienza relativamente elevato, includono anche il basso costo dei lavori di costruzione. A differenza delle centrali idroelettriche convenzionali, non è necessario bloccare i fiumi, costruire alte dighe con lunghi tunnel, ecc. |
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86. Determinando la lunghezza d'onda di De Broglie degli elettroni, quando bombardati da atomi di idrogeno non eccitati, due righe apparivano nel loro spettro nella prima serie di infrarossi.
87. Un fotone con un'energia di 3 MeV nel campo di un nucleo pesante si è trasformato in una coppia elettrone-positrone. Se le velocità di queste particelle sono le stesse, qual è la loro energia cinetica in MeV? ().
88. Trova la massa dell'uranio-238, che ha la stessa attività dello stronzio-90 del peso di 1 mg. I tempi di dimezzamento dell'uranio e dello stronzio sono rispettivamente di 4,10 9 e 28 anni.
90
=96
.
Una centrale nucleare con un'efficienza del 25% consuma 235 g di uranio-235 al giorno. Determina la potenza della stazione in caso di rilascio della fissione di un nucleo di uranio 
Energia J.
91
=95
.
L'efficienza di una centrale nucleare è del 20%. Quando un nucleo si divide 
Vengono rilasciati 200 MeV di energia. Quanto uranio viene consumato per 1 ora di funzionamento di una centrale elettrica con una potenza di 10 6 W.
92.
Un contatore Geiger installato vicino ad un preparato di un isotopo radioattivo dell'argento registra il flusso 
-particelle Alla prima misurazione, il flusso Ф 1 delle particelle era pari a 87 s -1, e dopo tempo T
= 1 giorno, il flusso F2 è risultato pari a 22 s -1. Determinare l'emivita T 1/2 isotopo.
93.
Determinare l'energia di legame specifica dell'isotopo dell'ossigeno 
. (massa del neutrone 1.00867a.u.m .
, massa dell'atomo di idrogeno 1,00783 a.u.m .
, massa dell'atomo di ossigeno 16,99913 a.m.). (MeV).
94
. Determinare il consumo giornaliero di uranio puro 
capacità termica della centrale nucleare R= 300 MW se energia E, rilasciato durante un evento di fissione di un nucleo di uranio è di 200 MeV.
97
. L'efficienza di una centrale nucleare da 5000 kW è del 17%. Quando un nucleo si divide 
viene rilasciata un'energia di 200 MeV. Quanto uranio (g) consuma la centrale al giorno? ( 
).
99. Determina il numero di atomi che decadono nel tempo in un isotopo radioattivo T = 1 s se la sua attività UN= 0,1 MBq. Considera la costante di attività per il tempo specificato.
Una centrale nucleare non è sostanzialmente diversa da una centrale termica, fatta eccezione per il combustibile. Per la generazione viene utilizzato combustibile nucleare di origine naturale o artificiale. L'uranio estratto naturalmente in miniere profonde può essere classificato come naturale, mentre le materie prime secondarie che hanno subito lavorazioni speciali possono essere considerate artificiali. Da un punto di vista chimico, il combustibile artificiale può essere metallico o carburo, ossido o nitrito, ed eventualmente miscelato.
Energia elettrica di una centrale nucleare - formula
Poiché il nostro Stato è uno dei sei paesi in cui viene estratta la maggior parte dell'uranio, questo elemento ne è anche il principale combustibile.
Principio di funzionamento
Dopo i tragici eventi, le voci sono state attivamente diffuse nei media e instillate nel subconscio dei cittadini secondo cui qualsiasi centrale elettrica che produce energia utilizzando combustibile nucleare prima o poi causerebbe un'esplosione e un impatto negativo sulle persone e sull'ambiente. Il più alto viene prodotto nell'impianto di Balakovo. Ma molti scienziati sostengono che la probabilità di un'esplosione o di qualsiasi altro danno derivante dalla centrale nucleare di Balakovo non è maggiore di quella di qualsiasi impresa industriale o produttiva. Il fatto è che per generare energia è necessario il calore, che si ottiene come risultato di una serie di azioni e reazioni a catena, la fissione in atomi di una delle opzioni di combustibile nucleare, molto spesso è l'uranio. Questo processo è considerato il principale processo operativo sull'intero territorio di qualsiasi centrale nucleare.
Tipi di motori a reazione
Tutte le installazioni sono suddivise in categorie in base al combustibile utilizzato per generare energia, al refrigerante e ai moderatori, che controllano l'intero processo di reazione. Per raggiungere un elevato livello di efficienza, molti reattori utilizzano acqua alleggerita sotto forma di vapore, che agisce in due modi diversi.
Il primo metodo consiste nel fornire vapore caldo direttamente al nucleo. Il livello di temperatura di tale unità di potenza è molto elevato; è comunemente chiamato unità di ebollizione. Il secondo dipende dai materiali di grafite, con l'aiuto dei quali viene generato il gas, consentendo il monitoraggio dell'intero funzionamento del sistema. Per questo tipo di lavori esiste la stazione di Balakovo.
Storia dello sviluppo e della costruzione delle centrali nucleari
Il primo utilizzo del combustibile nucleare per produrre energia fu effettuato in un laboratorio dell'Idaho (all'inizio degli anni '50, negli USA). Il prototipo produceva energia sufficiente per far funzionare quattro lampade a incandescenza da 200 W ciascuna. Durante lo sviluppo, un tale sistema è stato in grado di costruire un'intera struttura su più piani. Dopo centinaia di studi e reazioni, solo nel 1955 un simile reattore fu collegato ad un'intera rete, rendendo la città di Arco famosa in tutto il mondo come sede del primo reattore nucleare al mondo.
Ma mentre gli americani conducevano esperimenti e osservazioni, i russi avevano lanciato un anno prima, nel 1954, nella città di Obninsk (URSS, regione di Kaluga) una centrale nucleare con una capacità molte volte maggiore. Fu da questo momento che iniziò la produzione attiva di energia nucleare da parte dei russi. Inoltre, dopo un paio d'anni, le centrali nucleari iniziarono a essere costruite come funghi; nei successivi 10-15 anni, i cittadini sovietici costruirono 17 centrali nucleari;
Produzione di energia del sistema nucleare
Cos'è l'elettricità potenza della centrale nucleare? È impossibile rispondere in modo inequivocabile a questa domanda, poiché tutte le centrali nucleari in Russia hanno capacità molto diverse, da 48 MW a 4000 MW. L'ultima cifra si ottiene se una centrale nucleare con una capacità di 1.000 ha 4 reattori. La maggior parte di essi funziona con un sistema idrico chiamato VVER. Questo tipo di reattore è il più diffuso nel nostro Paese (se ne contano circa 18 unità in totale), di cui 12 unità hanno la cifra millesimale. Non è inoltre escluso l'uso di sistemi di bollitura a canali. Nella Federazione Russa ci sono solo 15 reattori di questo tipo.
L'acqua è applicabile non solo per il sistema energetico o di funzionamento del reattore eterogeneo, ma anche per il sistema acqua-acqua o dei recipienti a pressione. Inoltre, con l'aiuto dell'acqua, il reattore, in interazione con i neuroni termici, può essere utilizzato come riflettore e moderatore, ed eventualmente anche come refrigerante per neutroni.
A proposito, una centrale nucleare con una capacità di 1000 ha (efficienza 20), con ciascun reattore da 1000 MW, ed è il modello più comune non solo nel nostro paese, ma anche nel mondo. Sono presenti il 7% del totale delle strutture di questo tipo nel mondo.
Tipi di centrali elettriche diesel
Una centrale elettrica diesel con la potenza necessaria per le esigenze individuali è un'ottima opzione per fornire elettricità ad un villaggio remoto o ad una casa specifica dalle linee elettriche. Spesso, i residenti rurali e i proprietari di bar e negozi preferiscono avere a casa e, se necessario, installare un'unità diesel per generare luce in caso di emergenza o interruzione generale dell'elettricità lineare.
Quando acquisti un prodotto del genere per un sacco di soldi, devi decidere in anticipo:
- hai bisogno di una cabina mobile o fissa;
- qual è l'efficienza (coefficiente di efficienza) necessaria per collegare tutti gli elementi essenziali;
- qual è il consumo di carburante e viene utilizzato in modo economico dal sistema;
- controlla il pacco.
La potenza media per una casa tipica senza riscaldamento elettrico e consumi eccessivi è di 5 kW, ma se il fabbisogno è molto maggiore, fornirà il riscaldamento elettrico in inverno.
Tipi di ES e loro priorità
L'installazione è principalmente economica (relativamente). Ma consuma quasi 2 volte meno materie prime per il funzionamento, ma la stazione produce un'efficienza equivalente in volume sia per i sistemi diesel che per quelli a benzina.
Il modo più economico per organizzare l'illuminazione in casa è installare una potenza di 2 kW e oltre. Vale la pena notare che la base del lavoro è il sole splendente che cade all'interno. Il sistema solare potrebbe fornire luce ai propri alloggi solo in una luminosa giornata di sole.
Qual è la portata della produzione di elettricità nella Federazione Russa?
La Federazione Russa procede fiduciosa nello sviluppo del settore energetico e la presenza di miniere di uranio produttive lo rende possibile. A causa della crescita attiva, tutti i sistemi energetici sono uniti in gruppi geografici. In collaborazione con i paesi europei, operano 7 IPS e 6 associazioni energetiche operano contemporaneamente in tutto lo stato: Centro, Urali, Volga, Siberia, Nord-Ovest e Sud. Inoltre, esiste una struttura parallela dell'Est, l'energia elettrica di questa centrale è fornita dal transito dalla direzione siberiana.
Nel 2016 sono state registrate le associazioni di Sebastopoli (Crimea). All’inizio del 2017 nel nostro Paese c’erano circa 700 centrali elettriche con diversi tipi di supporto vitale. E la capacità installata delle centrali elettriche russe lo scorso anno ha raggiunto i 236 GW.
Produzione e distribuzione di energia elettrica.
In una centrale elettrica regionale (cioè vicina alle fonti energetiche), l'elettricità viene spesso generata da generatori di corrente alternata di macchine elettriche. Per ridurre le perdite durante la trasmissione e la distribuzione, la tensione rimossa all'uscita del generatore elettrico viene aumentata da una sottostazione di trasformazione. L'elettricità viene quindi trasmessa attraverso linee elettriche ad alta tensione (PTL) su lunghe distanze, che possono essere misurate in centinaia di chilometri. Numerose sottostazioni di distribuzione sono collegate alle linee elettriche, scaricando l'elettricità ai centri di consumo energetico locali. Poiché l'elettricità viene poi trasmessa attraverso le strade e le aree popolate, nelle sottostazioni la tensione viene nuovamente ridotta dai trasformatori per motivi di sicurezza. Le linee principali della rete sono collegate ai trasformatori abbassatori delle sottostazioni. In punti convenienti di questa rete sono installati punti di diramazione per la rete di distribuzione dei consumatori elettrici.
Centrali elettriche.
Centrali elettriche di diverso tipo, situate in luoghi diversi, possono essere combinate tramite linee elettriche ad alta tensione in una rete elettrica. In questo caso, il carico costante (di base) consumato durante il giorno viene assorbito dalle centrali nucleari (NPP), dalle centrali termoelettriche con turbine a vapore ad alta efficienza e dalle centrali elettriche (CHP e CHP), nonché dalle centrali idroelettriche (HPP). . Durante le ore di carico elevato, le centrali elettriche con pompaggio (PSPP), le unità turbina a gas (GTU) e le centrali termiche meno efficienti funzionanti con combustibili fossili sono inoltre collegate alla rete generale di linee di trasmissione del sistema elettrico.
L’approvvigionamento energetico da sistemi energetici presenta vantaggi significativi rispetto all’approvvigionamento da centrali elettriche isolate: l’affidabilità dell’approvvigionamento energetico migliora, le risorse energetiche della regione vengono utilizzate meglio, il costo dell’elettricità viene ridotto grazie alla distribuzione più economica del carico tra le centrali elettriche, il la potenza di riserva richiesta viene ridotta, ecc.
Fattore di carico.
Il carico del consumatore varia a seconda dell'ora del giorno, del mese dell'anno, del tempo e del clima, della posizione geografica e dei fattori economici.
Il carico può raggiungere il suo livello massimo (picco) solo per poche ore all'anno, ma la capacità della centrale elettrica o del sistema di alimentazione deve essere progettata anche per il carico di picco. Inoltre, è necessaria una potenza in eccesso, o riserva, in modo che le singole unità di potenza possano essere spente per manutenzione e riparazione. La capacità di riserva dovrebbe essere pari a circa il 25% della capacità totale installata.
L'efficienza di una centrale elettrica e di un sistema energetico può essere caratterizzata dalla percentuale di elettricità (in kilowattora) effettivamente generata in un anno rispetto alla massima produzione annua possibile (nelle stesse unità). Il fattore di carico non può essere pari al 100%, poiché il fermo delle unità di potenza per manutenzione programmata e riparazioni in caso di guasto di emergenza è inevitabile.
Efficienza delle centrali elettriche.
L’efficienza termica di una centrale elettrica a carbone può essere approssimata dalla massa di carbone, in chilogrammi, che viene bruciata per produrre un kilowattora di elettricità. Questa cifra (consumo specifico di carburante) è diminuita costantemente da 15,4 kg/kWh negli anni '20 a 3,95 kg/kWh all'inizio degli anni '60, ma è gradualmente aumentata fino a 4,6 kg/kWh negli anni '90. L'aumento è in gran parte dovuto all'introduzione dell'h collettori di polveri e depuratori di gas, che consumano fino al 10% della produzione di una centrale elettrica, nonché il passaggio al carbone più pulito (a basso contenuto di zolfo), per il quale molte centrali elettriche non sono state progettate.
In termini percentuali, l'efficienza termica di una moderna centrale termoelettrica non supera il 36%, principalmente a causa delle perdite di calore trasportate dai gas di scarico - prodotti della combustione.
Le centrali nucleari che operano a temperature e pressioni più basse hanno un'efficienza complessiva leggermente inferiore, circa il 32%.
Gli impianti a turbina a gas con una caldaia a calore di recupero (un generatore di vapore che utilizza il calore dei gas di scarico) e una turbina a vapore aggiuntiva possono avere un'efficienza superiore al 40%.
Maggiore è la temperatura operativa e la pressione del vapore, maggiore è l'efficienza termica di una centrale elettrica con turbina a vapore. Se all'inizio del XX secolo. Questi parametri erano 1,37 MPa e 260° C, ma ora sono comuni pressioni superiori a 34 MPa e temperature superiori a 590° C (le centrali nucleari funzionano a temperature e pressioni inferiori rispetto alle più grandi centrali termiche, poiché le normative limitano la temperatura massima consentita al nocciolo del reattore) ).
Nelle moderne centrali elettriche con turbine a vapore, il vapore, parzialmente scaricato nella turbina, viene prelevato nel suo punto intermedio per essere riscaldato (surriscaldamento intermedio) alla temperatura iniziale e possono essere previsti due o più stadi di riscaldamento. Il vapore proveniente da altri punti della turbina viene deviato per preriscaldare l'acqua di alimentazione fornita al generatore di vapore. Tali misure aumentano notevolmente l'efficienza termica.
Economia dell'industria dell'energia elettrica.
La tabella fornisce dati approssimativi sul consumo di elettricità pro capite in alcuni paesi del mondo.
| CONSUMO ANNUO DI ENERGIA ELETTRICA PRO CAPITE (kWh, primi anni '90) |
|||
| Norvegia | 22485 | Brasile | 1246 |
| Canada | 14896 | Messico | 1095 |
| Svezia | 13829 | Turchia | 620 |
| Stati Uniti d'America | 10280 | Liberia | 535 |
| Germania | 6300 | Egitto | 528 |
| Belgio | 5306 | Cina | 344 |
| Russia | 5072 | India | 202 |
| Giappone | 5067 | Zaire | 133 |
| Francia | 4971 | Indonesia | 96 |
| Bulgaria | 4910 | Sudan | 50 |
| Italia | 3428 | Bangladesh | 39 |
| Polonia | 3327 | Chad | 14 |
CENTRALI ELETTRICHE CON TURBINE A VAPORE
La maggior parte dell’elettricità prodotta nel mondo proviene da centrali elettriche con turbine a vapore alimentate a carbone, olio combustibile o gas naturale.
Generatori di vapore.
Il generatore di vapore di una centrale elettrica a turbina a vapore funzionante a combustibili fossili è un'unità caldaia con un forno in cui viene bruciato il combustibile, superfici evaporanti nei tubi in cui l'acqua viene convertita in vapore, un surriscaldatore che aumenta la temperatura del vapore prima fornendolo alla turbina a valori che raggiungono i 600°C, surriscaldatori intermedi (secondari) per riscaldare il vapore parzialmente scaricato nella turbina, un economizzatore in cui l'acqua di alimentazione in ingresso viene riscaldata dai fumi di scarico, e un preriscaldatore in cui i fumi cede il proprio calore residuo all'aria immessa nel focolare.
Per fornire l'aria necessaria alla combustione nel focolare, si utilizzano dei ventilatori che creano al suo interno un tiraggio artificiale, o forzato. In alcuni generatori di vapore, il tiraggio viene creato dai ventilatori di scarico (aspiratori di fumo), in altri dai ventilatori di alimentazione (pressione) e molto spesso da entrambi, che forniscono il cosiddetto. tiraggio bilanciato con pressione neutra nel focolare.
Quando il carburante viene bruciato, componenti non combustibili, il cui contenuto può raggiungere il 12-15% del volume totale di bituminoso e il 20-50% di lignite, si depositano sul fondo della camera di combustione sotto forma di scorie o residui secchi cenere. Il resto passa attraverso il forno sotto forma di polvere, che dovrebbe essere purificata dai gas di scarico prima di essere rilasciata nell'atmosfera. La rimozione della polvere e della cenere viene effettuata mediante cicloni e precipitatori elettrici, in cui le particelle di polvere vengono caricate e depositate su fili o piastre collettori aventi carica di segno opposto.
Gli standard per le nuove centrali elettriche limitano l’emissione nell’atmosfera non solo di particolato, ma anche di anidride solforosa. Pertanto, immediatamente prima del camino, nei condotti del gas sono previsti scrubber chimici, spesso installati dopo i precipitatori elettrici. Gli scrubber (a umido o a secco) utilizzano vari processi chimici per rimuovere lo zolfo dai gas di scarico.
A causa dell'elevato grado di rimozione della polvere e della cenere ora vengono utilizzati anche filtri a maniche in tessuto con scuotimento e controlavaggio, contenenti centinaia di grandi sacchi in tessuto - elementi filtranti.
Generatori elettrici.
Il generatore della macchina elettrica viene messo in rotazione dal cosiddetto. un motore primo come una turbina. L'albero rotante del motore primo è collegato tramite un accoppiamento all'albero del generatore elettrico, che solitamente porta poli magnetici e avvolgimenti di campo. Il campo magnetico della corrente generata nell'avvolgimento di campo da un piccolo generatore ausiliario o dispositivo a semiconduttore (eccitatrice) attraversa i conduttori dell'avvolgimento dello statore (il telaio stazionario del generatore), grazie ai quali viene indotta una corrente alternata in questo avvolgimento, che viene rimosso dai terminali di uscita del generatore. I grandi generatori trifase producono tre correnti separate ma coordinate in tre sistemi di conduttori separati, con tensioni che arrivano fino a 25 kV. I conduttori sono collegati a un trasformatore elevatore trifase, dalla cui uscita l'elettricità viene trasmessa tramite linee elettriche trifase ad alta tensione ai centri di consumo.
I potenti turbogeneratori moderni hanno un sistema di ventilazione chiuso con idrogeno come gas di raffreddamento. L’idrogeno non solo rimuove il calore, ma riduce anche le perdite aerodinamiche. La pressione operativa dell'idrogeno è compresa tra 0,1 e 0,2 MPa. Per un raffreddamento più intenso del generatore è possibile fornire idrogeno anche sotto pressione nei conduttori cavi dello statore. In alcuni modelli di generatori, gli avvolgimenti dello statore vengono raffreddati con acqua.
Per migliorare l'efficienza di raffreddamento e ridurre le dimensioni del generatore, si sta studiando la possibilità di realizzare un generatore raffreddato con elio liquido.
Turbine a vapore.
Il vapore proveniente dai surriscaldatori del generatore di vapore che entra nella turbina passa attraverso un sistema di ugelli di ingresso profilati (apparato ad ugelli). In questo caso la pressione e la temperatura del vapore diminuiscono e la velocità aumenta notevolmente. Getti di vapore ad alta velocità colpiscono la corona delle pale del rotore (con un profilo alare) montato sul rotore della turbina e l'energia del vapore viene convertita in energia di rotazione del rotore.
Il vapore attraversa una serie di griglie di guida e di alette di azionamento fino a ridurre la sua pressione a circa 2/3 di quella atmosferica e la temperatura al livello minimo (32–38° C) necessario per evitare la condensazione del vapore.
All'uscita della turbina, il vapore scorre attorno a fasci di tubi del condensatore attraverso i quali viene pompata l'acqua fredda e, cedendo calore all'acqua, si condensa, per cui qui viene mantenuto un leggero vuoto. La condensa che si accumula sul fondo del condensatore viene pompata all'esterno e, dopo aver attraversato una serie di scambiatori di calore, ritorna al generatore di vapore per ricominciare il ciclo. Il vapore per questi scambiatori di calore di riscaldamento viene prelevato da diversi punti del percorso del vapore della turbina a temperature sempre più elevate man mano che aumenta la temperatura del flusso di ritorno della condensa.
Poiché il condensatore richiede grandi quantità di acqua, è consigliabile costruire grandi centrali termoelettriche in prossimità di grandi specchi d'acqua. Se le riserve idriche sono limitate, vengono costruite torri di raffreddamento. In una torre di raffreddamento, l'acqua utilizzata per condensare il vapore nel condensatore viene pompata alla sommità della torre, da dove defluisce lungo numerosi divisori, diffondendosi in uno strato sottile su un'ampia superficie. L'aria che entra nella torre sale per effetto del tiraggio naturale o forzato creato da potenti ventilatori. Il movimento dell'aria accelera l'evaporazione dell'acqua, che si raffredda a causa dell'evaporazione. In questo caso l'1–3% dell'acqua di raffreddamento viene persa e si disperde nell'atmosfera sotto forma di nuvola di vapore. L'acqua raffreddata viene reimmessa nel condensatore e il ciclo si ripete. Le torri di raffreddamento vengono utilizzate anche nei casi in cui l'acqua viene prelevata da un serbatoio, in modo da non scaricare le acque reflue calde in un bacino idrico naturale.
La potenza delle turbine a vapore più grandi raggiunge i 1600 MW. Gli stadi di alta, intermedia e bassa pressione possono essere eseguiti su un unico rotore e la turbina viene quindi chiamata turbina monoalbero. Ma le turbine di grandi dimensioni sono spesso prodotte con un design a due alberi: gli stadi intermedio e di bassa pressione sono montati su un rotore separato dallo stadio di alta pressione. La temperatura massima del vapore davanti alla turbina dipende dal tipo di acciaio utilizzato per le linee del vapore e i surriscaldatori e, di norma, è compresa tra 540 e 565 °C, ma può raggiungere i 650 °C.
Regolazione e gestione.
Prima di tutto, è necessario mantenere con precisione la frequenza standard della corrente alternata generata. La frequenza della corrente dipende dalla velocità di rotazione degli alberi della turbina e del generatore, pertanto è necessario regolare il flusso (consumo) di vapore all'ingresso della turbina in piena conformità con le variazioni del carico esterno. Questo viene fatto utilizzando regolatori controllati da computer molto precisi che agiscono sulle valvole di controllo di ingresso della turbina. I controllori a microprocessore coordinano il funzionamento di diversi blocchi e sottosistemi della centrale elettrica. I computer situati nella sala di controllo centrale avviano e arrestano automaticamente le caldaie a vapore e le turbine, elaborando dati provenienti da oltre 1.000 punti diversi nella centrale elettrica. I sistemi di controllo automatizzato (ACS) monitorano il funzionamento sincrono di tutte le centrali elettriche nel sistema energetico e regolano la frequenza e la tensione.
ALTRI TIPI DI CENTRALI ELETTRICHE
Centrali idroelettriche.
Circa il 23% dell'elettricità mondiale è generata da centrali idroelettriche. Convertono l'energia cinetica dell'acqua che cade nell'energia meccanica della rotazione della turbina e la turbina fa ruotare un generatore di corrente della macchina elettrica. La più grande centrale idroelettrica del mondo è stata installata a Itaipu, sul fiume. Paranà, dove divide Paraguay e Brasile. La sua potenza è di 750 MW. Presso la centrale idroelettrica di Itaipu sono state installate in totale 18 unità di questo tipo.
Le centrali elettriche ad accumulo con pompaggio (PSPP) sono dotate di unità (macchine idrauliche ed elettriche), che per la loro progettazione sono in grado di funzionare sia in modalità turbina che in modalità pompa. Durante le ore di basso carico, la centrale elettrica ad accumulo di pompaggio, consumando elettricità, pompa l'acqua da un serbatoio inferiore a un serbatoio superiore e durante le ore di carico maggiore nel sistema energetico, utilizza l'acqua immagazzinata per generare energia di picco. Il tempo di avvio e cambio modalità è di diversi minuti.
Unità turbina a gas.
Le turbine a gas sono ampiamente utilizzate nelle piccole centrali elettriche di proprietà di comuni o imprese industriali, e anche come unità di “picco” (backup) nelle grandi centrali elettriche. Nelle camere di combustione dei motori a turbina a gas viene bruciato olio combustibile o gas naturale e il gas ad alta temperatura e alta pressione agisce sulle giranti della turbina più o meno allo stesso modo del vapore in una turbina a vapore. Il rotore rotante di una turbina a gas aziona un generatore elettrico e un compressore d'aria, che fornisce alla camera di combustione l'aria necessaria per la combustione. Circa 2/3 dell'energia viene assorbita dal compressore; i gas di scarico caldi dopo che la turbina vengono scaricati nel camino. Per questo motivo il rendimento delle turbine a gas non è molto elevato, ma anche i costi di capitale sono bassi rispetto alle turbine a vapore della stessa potenza. Se una turbina a gas viene utilizzata solo per poche ore all’anno durante i periodi di picco di carico, gli elevati costi operativi sono controbilanciati da bassi costi di capitale, tanto che l’utilizzo di una turbina a gas per fornire fino al 10% della potenza totale di una centrale elettrica è economicamente fattibile.
Nelle centrali elettriche a turbina a gas a ciclo combinato (CCGT), i gas di scarico ad alta temperatura della turbina a gas non vengono convogliati in un camino, ma in una caldaia a calore di recupero, che produce vapore per la turbina a vapore. L'efficienza di un tale impianto è superiore a quella della migliore turbina a vapore presa separatamente (circa il 36%).
Centrali elettriche ICE.
Nelle centrali elettriche di proprietà di comuni e imprese industriali, i motori a combustione interna diesel e benzina vengono spesso utilizzati per azionare i generatori elettrici.
I motori a combustione interna hanno una bassa efficienza, dovuta alle specificità del loro ciclo termodinamico, ma questo svantaggio è compensato da bassi costi di capitale. I motori diesel più grandi hanno una potenza di circa 5 MW. Il loro vantaggio è la loro piccola dimensione, che permette loro di essere comodamente posizionati accanto al sistema di consumo energetico nel comune o in una fabbrica. Non necessitano di grandi quantità di acqua, poiché i gas di scarico non devono condensare; sufficiente raffreddamento dei cilindri e dell'olio lubrificante. Nelle installazioni con un gran numero di motori diesel o benzina, i gas di scarico vengono raccolti in un collettore e inviati a un generatore di vapore, il che aumenta significativamente l'efficienza complessiva.
Centrali elettriche nucleari.
Nelle centrali nucleari, l'elettricità viene generata allo stesso modo delle centrali termiche convenzionali che bruciano combustibili fossili, attraverso generatori di macchine elettriche azionati da turbine a vapore. Ma il vapore qui è prodotto dalla fissione degli isotopi di uranio o plutonio durante una reazione a catena controllata che avviene in un reattore nucleare. Il liquido refrigerante che circola attraverso il percorso di raffreddamento del nocciolo del reattore rimuove il calore di reazione rilasciato e viene utilizzato direttamente o tramite scambiatori di calore per produrre vapore, che viene fornito alle turbine.
I costi di capitale per la costruzione di una centrale nucleare sono estremamente elevati rispetto ai costi delle centrali elettriche a combustibili fossili di pari capacità: negli Stati Uniti in media circa 3.000 dollari/kW, mentre per le centrali a carbone è di 600 dollari/kW . Ma le centrali nucleari consumano quantità molto piccole di combustibile nucleare, il che può essere piuttosto significativo per i paesi che altrimenti dovrebbero importare combustibile convenzionale. fissione del nucleo; ENERGIA NUCLEARE; CENTRALI ELETTRICHE E PROPULSIONI NAVI.
Centrali solari, eoliche, geotermiche.
L'energia solare viene convertita direttamente in elettricità da generatori di corrente fotovoltaici a semiconduttori, ma i costi di capitale di questi convertitori e della loro installazione sono tali che il costo della potenza installata è molte volte superiore a quello delle centrali termoelettriche. Esistono numerosi grandi impianti di energia solare operativi; il più grande di essi, con una capacità di 1 MW, si trova a Los Angeles (California). Il tasso di conversione è del 12–15%. La radiazione solare può essere utilizzata anche per generare elettricità concentrando i raggi solari mediante un grande sistema di specchi controllato da computer su un generatore di vapore montato al centro su una torre. Un impianto pilota di questo tipo con una capacità di 10 MW è stato costruito in pz. Nuovo Messico. Le centrali solari negli Stati Uniti generano circa 6,5 milioni di kWh all'anno.
Gli sviluppatori di parchi eolici da 4 MW costruiti negli Stati Uniti hanno dovuto affrontare numerose sfide a causa della loro complessità e delle grandi dimensioni. Lo stato della California ha costruito una serie di "campi eolici" con centinaia di piccole turbine eoliche collegate alla rete elettrica locale. Gli impianti eolici si ammortizzano solo se la velocità del vento è superiore a 19 km/he i venti soffiano più o meno costantemente. Purtroppo sono molto rumorosi e quindi non possono essere posizionati vicino a centri abitati.
La produzione di energia geotermica è discussa nell'articolo RISORSE ENERGETICHE.
TRASMISSIONE DI ELETTRICITÀ
L'elettricità prodotta dal generatore viene trasportata a un trasformatore elevatore tramite conduttori massicci e rigidi in rame o alluminio chiamati busbar. Bus di ciascuna delle tre fasi ( vedi sopra) è isolato in un guscio metallico separato, talvolta riempito con gas isolante SF6 (esafluoruro di zolfo).
I trasformatori aumentano la tensione ai livelli necessari per trasmettere in modo efficiente l'elettricità su lunghe distanze.
Generatori, trasformatori e sbarre collettrici sono interconnessi tramite dispositivi di disconnessione ad alta tensione: interruttori manuali e automatici che consentono di isolare le apparecchiature per la riparazione o la sostituzione e di proteggerle dalle correnti di cortocircuito. La protezione contro le correnti di cortocircuito è fornita da interruttori automatici. Negli interruttori a olio, l'arco che si verifica quando i contatti si aprono si estingue nell'olio. Negli interruttori aperti, l'arco viene spento con aria compressa oppure viene utilizzato il “soffiaggio magnetico”. Gli interruttori automatici più recenti sfruttano le proprietà isolanti del gas SF6 per estinguere l'arco.
Per limitare la forza delle correnti di cortocircuito che possono verificarsi durante incidenti sulle linee elettriche, vengono utilizzati reattori elettrici. Il reattore è un induttore con diverse spire di conduttore solido collegate in serie tra la sorgente di corrente e il carico. Riduce la corrente al livello consentito dall'interruttore.
Da un punto di vista economico, la soluzione più conveniente, a prima vista, sembra essere una disposizione aperta della maggior parte delle sbarre ad alta tensione e delle apparecchiature ad alta tensione della centrale elettrica. Tuttavia, vengono sempre più utilizzate apparecchiature in involucri metallici con isolamento in gas. Tali apparecchiature sono estremamente compatte e occupano 20 volte meno spazio rispetto ad apparecchiature aperte equivalenti. Questo vantaggio è molto significativo nei casi in cui il costo del terreno è elevato o quando è necessario aumentare la capacità di un quadro chiuso esistente. Inoltre, è auspicabile una maggiore protezione laddove le apparecchiature potrebbero essere danneggiate da un grave inquinamento atmosferico.
Per trasmettere l'elettricità a distanza vengono utilizzate linee elettriche aeree e via cavo che insieme alle sottostazioni elettriche formano reti elettriche. I fili non isolati delle linee elettriche aeree sono sospesi utilizzando isolanti su supporti. Le linee elettriche in cavo sotterraneo sono ampiamente utilizzate nella costruzione di reti elettriche nelle città e nelle imprese industriali. La tensione nominale delle linee elettriche aeree va da 1 a 750 kV, cavo - da 0,4 a 500 kV.
DISTRIBUZIONE ELETTRICITÀ
Nelle sottostazioni di trasformazione, la tensione viene successivamente ridotta al livello necessario per la distribuzione ai centri di consumo energetico e, infine, ai singoli consumatori. Le linee elettriche ad alta tensione sono collegate tramite interruttori automatici alla sbarra della sottostazione di distribuzione. Qui la tensione viene ridotta ai valoriimpostati per la rete principale che distribuisce l'elettricità attraverso vie e strade. La tensione della rete principale può variare da 4 a 46 kV.
Nelle sottostazioni di trasformazione della rete principale, l'energia viene ramificata nella rete di distribuzione. La tensione di rete per i consumatori residenziali e commerciali varia da 120 a 240 V. I grandi consumatori industriali possono ricevere elettricità con tensioni fino a 600 V, nonché tensioni superiori tramite una linea separata dalla sottostazione. La rete di distribuzione (aerea o in cavo) può essere organizzata secondo uno schema a stella, ad anello o combinato, a seconda della densità di carico e di altri fattori. Le reti di trasmissione dell'energia delle aziende elettriche pubbliche vicine sono riunite in un'unica rete.