Генераторы энергии

Прежде всего, генерация - это преобразование энергии в полезные для нас виды энергии из первичных носителей энергии. Их существует приличное количество: основные и достаточно экзотические и интересные варианты. Но основное, с чем мы имеем дело, это закон сохранения энергии и преобразование энергии. И, соответственно, основное, о чем мы будем говорить, если мы говорим о генерации, это коэффициент полезного действия. Это то, как мы преобразуем первичную энергию и с какой эффективностью. При этом, поскольку наша система является не только технической, но и экономической, для нас может оказаться важным и то, каким образом и как нам достается первичная энергия. И поэтому вторым важным элементом, который касается генерации энергии, является логистика первичного энергоносителя и в некоторых случаях логистика продуктов, которые остались после того, как преобразована энергия. Если их накапливается достаточно много, то нам нужно их куда-то девать. И если они опасны, то нам опять же нужно что-то с ними делать.

Поэтому основная тема - это то, как и где мы берем первичную энергию, в том числе сколько стоит первичный энергоноситель, и как мы обеспечиваем безопасность окружающей среды по поводу отходов производства энергии. Причем, отходы производства электроэнергии могут быть сами по себе интересным продуктом. В этом отношении первичная экологичность станции генераторов электроэнергии тоже может быть интересным вопросом, и простроение всей цепочки логистики может давать достаточно неплохую прибавку в экономике за счет того, что мы продумываем сразу всю схему работы с энергией и с ее носителями, в том числе с побочными продуктами, от начала до конца, от места, где добываются или возникают первичные энергоносители, до того места, где потом в конце концов используется то, что осталось от производства электроэнергии или тепловой энергии.  

И поскольку мы говорим о генерации энергии, то стоит отметить важную часть энергетики, которая очень влияет на коэффициент полезного действия, на эффективность преобразования энергии, это тема когенерации. Это совместное производство электрической и тепловой энергии, которое позволяет в гораздо большем объеме использовать энергию, заключенную в первичных энергоносителях, на части генерирующих мощностей. Соответственно, важнейшими характеристиками генераторов электроэнергии, являются мощности, которые они способны произвести.

В энергетике принято говорить об установленной мощности, это максимальная мощность, которую может выдать данный энергообъект, и располагаемая мощность, это то, сколько фактически в данный момент он может выдать. Как правило, располагаемая мощность ниже установленной мощности, в силу того, что мы имеем дело со сложными техническими системами, которые существуют, с одной стороны, определенные свойства сезонности и особенности первичного энергоносителя, с другой стороны, сложность оборудования, необходимость его обслуживания и ремонта.

Соответственно, второй важной характеристикой, которая используется для поддержания стабильности энергосистемы, является маневр мощности. В зависимости от того, насколько и с какой скоростью мы можем регулировать мощность, выдаваемую в энергосистему, зависит также класс наших генерирующих мощностей, и зависит то, как они взаимодействуют с энергосистемой, в том числе какие услуги могут оказывать энергосистеме, а фактически поскольку это экономическое предприятие, нам важно что мы продаем в энергосистему, а мы продаем мощность, энергию и регулирование мощности.

Еще я хотел остановиться на одной особенности, что все наши энергосистемы, вся сложная структура энергосистемы, имеет интересный аспект: мы имеем потребление резистивное, это так называемая активная нагрузка, и то, что существует в энергосистеме дополнительно как емкостная, так и индуктивная нагрузка, на них тоже расходуется мощность. И фактически наши генерирующие устройства, как правило, являются электрическими машинами. И у них есть особенности, связанные с тем, что у них заложена индуктивная составляющая, и их синхронизация по частоте, синхронизация по фазе важна, и от этого зависит полная мощность системы. Полезная мощность, которую мы можем отбирать, всегда будет меньше, чем полная мощность, активная и реактивная мощности вместе составляют полную мощность энергосистемы. Интересно, что когда мы говорим о полной и полезной нагрузке, мы часто говорим и употребляем разные системные единицы. Если мы говорим о полной мощности, то мы , как правило, говорим о вольт-амперах (В·А), соответственно, кило-, мега-, и так далее, а если мы говорим о полезной, то мы говорим о киловаттах, и соответственно, дальше о киловатт-часах, когда мы говорим о энергии как таковой.

По типу первичного энергоносителя электростанции, электрогенераторы достаточно сильно отличаются. В зависимости от типа первичного энергоносителя, мы имеем дело с различными особенностями, которые как в процессе преобразования, в устройстве самих энергообъектов, так и в их характеристиках для сети, о которых я уже говорил, о возможности маневра, располагаемой мощности, активной и реактивной составляющей, тех помехах, которые они генерят в сеть, они существенно отличаются.

Первое, с чего я хотел бы начать, это самая распространенная на сегодняшний день в мире энергетика, это тепловые станции. Станции, построенные на использовании процессов горения.

(автор jwvein, лицензия Pixabay)

(автор surfdeluxe, лицензия Pixabay)

(автор siwkus, лицензия Pixabay)

Они существуют совершенно различные, существуют теплостанции, теплоэлектроцентрали, конденсационные электрические станции, газотурбинные установки, парогазовые установки и вплоть до сложных установок с промежуточной газификацией твердого топлива, фактически парогазовые установки на угле. Также в класс таких станций традиционно относят еще и дизельные станции, но у них есть свои особенности. Они, как правило, имеют достаточно небольшую мощность, и я в основном буду останавливаться на более крупных энергообъектах, поскольку у нас первичное знакомство.

По типу первичного энергоносителя станции делятся на газовые, угольные, и существуют отдельные станции на других видах топлива, в основном это жидкое топливо в виде мазута, отходы от нефтепереработки, которые не используются в других важных процессах в экономике. Станции имеют свою особенность, важно в их структуре увидеть, что, как правило, в тепловой станции находится достаточно приличное количество агрегатов, причем, в зависимости от типа они могут работать с использованием воды в качестве промежуточного теплоносителя, и напрямую.

Напрямую работают в основном газовые станции и самая простая из них - газотурбинная станция. Те станции, которые используют воду в качестве промежуточного теплоносителя - это, прежде всего, конденсационные и тепловые электростанции, которые очень похожи по своей структуре, отличаются единственным моментом, тем, что в тепловых станциях происходит отбор мощности на тепло, что позволяет повысить общий КПД станции, но при этом возникают определенные нюансы, связанные с распределением тепловой энергии, с уменьшением возможности использования, оптимизации именно электрической мощности, потому что для конденсационных электрических станций характерны особые мероприятия, особые технические устройства, которые позволяют оптимизировать цикл. Фактически это цикл Карно в том или ином виде, с которым мы имеем дело, и который очень зависит от того, как мы организуем охлаждение. И существует охлаждение от простого совершенно, проточного с прудами охладителями, с забором из реки и возвращением в реку, до сложных систем со сложными устройствами, градирнями и так далее, которые предназначены для оптимизации отвода тепла, что позволяет увеличить КПД, но на тепловых станциях, теплоэлектроцентралях, которые обеспечивают город теплом, горячим водоснабжением и электроэнергией одновременно, обычно ставится достаточно упрощенная система водоохлаждения, и КПД на них электрический, как правило, ниже.

Также мы, имея дело с различными видами топлива, можем обратить внимание, что тепловые станции отличаются по логистике и типу удаления продуктов горения. Если с газовыми станциями достаточно просто, то с угольными станциями мы имеем дело с золоудалением, с достаточно интересными и сложными системами хранения и отвалов, багерной системой станции. И при этом там очень важно обратить внимание, что мы можем отбирать, если предусмотрели проектом, сухую золу, и она является очень неплохим дальше продуктом для строительства, но тогда мы должны следить за чистотой и очисткой, соответственно, за тем, чтобы у нас не было в золе большого количества вредных примесей. Также у нас с точки зрения экологии очень важно соблюдать экологические нормы. Продукты горения характеризуются как загрязнениями, которые находятся в первичном топливе, такие как сера, так и теми загрязнениями, которые появляются в высокотемпературных процессах, это в основном окисление азота.

Соответственно, самой сложной и интересной станцией является парогазовая установка, где в первичном цикле используется газ и газовая турбина, примерно такая же как на самолете, и дальше остатки, выхлоп с турбины нагревает воду, и вторая ступень работает уже как тепловая станция обычная, и эти устройства позволяют в идеале доводить коэффициент полезного действия где-то до 70% и чуть больше. Это очень большие цифры, если вы посмотрите на физику этого процесса, это очень многоступенчатые сложные скоростные процессы, и турбины - это сложные сооружения, и не зря профессия теплоэнергетик считается одной из самых сложных в энергетике, эти специалисты являются одной из элит энергетики вместе с диспетчерами и релейщиками.

Дальше я хотел поговорить коротко о следующем типе тепловой станции - атомной электростанции.

АЭС Торнесс (автор Kevin Phillips, лицензия Pixabay)

Блочный щит управления третьего энергоблока Нововоронежской атомной станции. Россия, Воронежская область. (автор Сергей Пятаков / CC-BY-SA 3.0)

Она очень похожа по своей структуре на тепловую станцию, единственным важным отличием здесь является то, что мы имеем дело с радиоактивностью, и типом теплогенерации. Соответственно, мы не можем слишком сильно нагревать контур деления, и у нас возникает достаточно низкопотенциальное тепло, это низкопотенциальные турбины, тихоходные турбины, они имеют свою особенность, то есть те турбины, которые используются на тепловых станциях, на атомных станциях не применяются, там делаются специальные турбины. И, с другой стороны, мы имеем дело с радиоактивностью, необходимостью передачи тепла в несколько этапов и, соответственно, двух-, трехконтурные схемы, где первичным носителем может быть как вода, так и жидкий металл.

С точки зрения маневра мощности, тепловые станции являются, с одной стороны, достаточно маневренными, и, с другой стороны, у них неплохая готовность, то есть скорость ввода холодных агрегатов в резерв. Самые маневренные - это конечно газотурбинные установки, которые разгоняются достаточно быстро. Тепловая станция разгоняется помедленнее, потому что ей нужно время, чтобы запустить водяной контур, парообразование, котел. Атомная станция характеризуется практически стабильным энерговыделением, количество электричества на ней практически постоянно, с атомными станциями маневр - дело очень затруднительное, маневр производится другими станциями. В частности, одним из привычных типов станций, которые обеспечивают маневр мощности в больших объемах, являются гидроэлектростанции. Зачастую они представляют из себя невероятные по размерам сооружения, но принцип их действия достаточно прост.

ГЭС Три ущелья (Китай) (автор Ирина Иванова)

Соответственно, запасенная энергия зависит от высоты столба жидкости, воды.

Ниагарский водопад (автор pieonane, лицензия Pixabay)

Первый (нижний) водопад на реке Кынгагре, 1.5 км от поселка Аршан в Бурятии
(автор Alexey Salmin, CC BY-SA 4.0)

Дальше эти станции характеризуются высотой и объемом водохранилища.

Саяно-Шушенская ГЭС (автор Foris Aleksey, CC BY-3.0)

Соответственно, что такое водохранилище. Водохранилище - это способ регулирования мощности станции, обеспечения ее достаточной стабильности и маневренности. Потому что они позволяют обеспечить сглаживание погодных циклов, которые у нас существуют. Для наших широт очень важные циклы, это зимние, когда фактически все осадки выпадают в виде снега и у нас не существует пополнения запасов воды, в этот момент идет срабатывание накопленной воды водохранилища, в этот момент для многих станций существует сезонный провал, и, соответственно, есть весенние и летние времена таяния снегов на равнинах и в горах, которые дают большой поток воды, и в частности для того, чтобы регулировать избыток потока, на электрических станциях существует система водопропускания, водосброса, которая позволяет пропустить часть воды без генерации. Гидроэлектростанции маневренны, и в Сибири, там где есть приличный избыток гидроресурсов, они являются основными обеспечивающими первичное регулирование, то есть большие пики и провалы мощности обеспечиваются через гидроэлектростанции.

Также у нас существуют возобновляемые источники энергии. Первым из них является гидроэлектростанция, но они используются уже давно и характеризуются традиционными размерами и системами выдачи мощности.

Кама ГЭС (автор prudnikow, лицензия Pixabay)

На новых возобновляемых источниках энергии мы остановимся в отдельной лекции, но с точки зрения их работы с системой, их характеристик по отношению к системе, они характеризуются сильной погодозависимостью, необходимостью точного расчета места их расположения, где есть доступность солнца или ветра. Так же они характеризуются тем, что дают определенный объем помех, поскольку имеют первичную генерацию на постоянном токе, и в них существует система преобразования из постоянного тока в переменный, которые обладает теми или иными видами несовершенства и вносит в энергосистему некоторое количество помех. Кроме положительных черт, они имеют в себе некоторые отрицательные черты, некоторые сложности их использования, которые тоже нужно учитывать, если мы имеем дело с реальностью.

Существуют определенные экзотические виды энергоснабжения. Это волновые, приливные электростанции, электростанции на течениях и геотермальные электростанции. Как правило, они встречаются не очень часто, но тем не менее эти процессы могут использоваться для электроснабжения и особенно могут оказаться полезными для энергоснабжения удаленных территорий, которые традиционно энергоснабжаются за счет дизельных электростанций.

Для размышления

Используя законы сохранения энергии и вещества, опишите, а лучше нарисуйте, схему (обнаруживаем отличие схемы от модели) потоков вещества и энергии на ТЭЦ. Если получается меньше семи, то недосчитались.

Воздержание от гугления +10 к мышлению.

Материалы

• Череповецкая ГРЭС с бинарной парогазовой установкой ПГУ-420
• Текст научной работы на тему «Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 45: Традиционная энергетика. Гидравлические электрические станции: состояние и перспективы их развития»
• Канал Hi-News.ru. Как работает гидроэлектростанция