Паротурбинные энергетические установки

Паротурбинные электростанции работают на органическом (твердом, жидком, газообразном) и ядерном топливе. Наиболее широко используют твердое органическое топливо – уголь, торф, горючие сланцы. В качестве газообразного топлива применяют природный, доменный и коксовый газ. Газообразное топливо дает значительную экономию эксплуатационных и капитальных затрат, позволяет автоматизировать работу котлов. Использование жидкого топлива (в первую очередь мазута) дает примерно те же преимущества, что и газообразное.

АЭС строят вблизи крупных энергопотребителей, так как масса ядерного топлива очень мала и его перевозка дешевле, чем передача электроэнергии на большие расстояния.

ТЭС кроме электроэнергии вырабатывают тепловую энергию. Она используется для технологических процессов, отопления и т.д. Те станции. Которые производят в основном электроэнергию называются конденсационными, а которые производят тепло – теплофикационными.

Конденсационные ТЭС

Технологический процесс на конденсационной ТЭС происходит следующим образом: твердое топливо в железнодорожных вагонах поступает на склад, затем на вагоноопрокидыватель, котором вагоны поворачивают на 180⁰ вокруг продольной оси, уголь сбрасывается на решетку и пройдя через нее поступает в приемные бункеры. Из бункера уголь подается в дробильно-измельчительное отделение, где он размалывается в пылеуголь. Пылеуголь системой пневмотранспорта подается в бункер угольной пыли, а из него в горелки топочной камеры. Газы, выходящие из топочной камеры, проходят газоходы котлоагрегата, поступают в пароперегреватель, где отдают тепло горячей воде ( в результате образуется пар), а затем поступают в экономайзер, где нагревают воду перед ее поступлением в котел. Затем газы поступают в электрофильтры для очистки от пыли и через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.

Шлак и зола из топочной камеры, пыль из электрофильтров и пароперегревателей системой гидросмыва транспортируется на золоотвалы.

Перегретый пар из пароперегревателя подается в турбину, вращает ее и находящийся на одном валу с ней генератор. Электроэнергия, вырабатываемая генератором передается на сборные шины и затем – потребителям.

Тепловой кпд установки пропорционален разности температур пара входящего и выходящего из турбин. Для увеличения этой разности температур пар после турбины поступает в конденсатор, в котором поддерживатся давление ниже атмосферного, что позволяет уменьшить температуру конденсации уходящего пара примерно на 25⁰. Для охлаждения отработанного пара через трубы конденсатора пропускают холодную воду из естественного водоема или градирни. Конденсат перекачивается в питательный бак, из которого насосом его вновь подают в котел. Таким образом, создается замкнутый цикл: питательная вода – пар – конденсат.

Конденсационные АЭС

Существует большое разнообразие атомных установок. Рабочим телом в них всегда служит пар. Рабочее тело – это среда, совершающая работу по преобразованию тепловой энергии в механическую. Наиболее часто используют классификацию АЭС по числу контуров: существуют одно-, двух- и трехконтурные установки.

При работе по одноконтурной схеме пар образующийся в активной зоне реактора затем поступает в турбину. Данная схема наиболее проста, однако образующийся пар радиоактивен, поэтому большая часть оборудования АЭС должна иметь защиту от облучения и работа с этим оборудованием небезопасна. При двух- и трехконтурной схеме отвод тепла из реактора осуществляется теплоносителем, который затем передает тепло рабочему телу непосредственно или через теплоноситель промежуточного контура. В этом случае рабочее тело и теплоноситель второго контура в нормальных условиях нерадиоактивны, и эксплуатация АЭС существенно облегчается. Однако заметно возрастают затраты на строительство АЭС, особенно работающих по трехконтурной схеме.

Также различают АЭС, работающие на тепловых (медленных) и на быстрых нейтронах.

Реакторы на медленных нейтронах

Первая АЭС была построена в 1954 г – Белоярская АЭС. Она работает на тепловых нейтронах. В качестве ядерного топлива на АЭС этого типа используется уран-235. Этот изотоп в природном уране составляет 0,7%, а 99,3% - уран-238. Уран-235 способен поглощать нейтроны:

U₂₃₅ + n⁰ = J + Kr + m n⁰ + бета-частицы + гамма-излучение

При распаде 1г U₂₃₅ выделяется огромное количество энергии – 86,4х10⁶ кДж. Чтобы нейтроны, образующиеся при делении U-235могли быть вновь поглощены, они должны в значительной степени уменьшить свою энергию. Такие нейтроны называются медленными или тепловыми.

Для уменьшения энергии нейтронов служит замедлитель (тяжелая вода, графит), состоящий из легких атомов. Тяжелые атомы для этого непригодны, так как нейтроны, сталкиваясь с ними, отскакивают, практически не уменьшая свою энергию. Так как по реакции на один захваченный нейтрон образуется несколько новых, то возможно развитие разветвленной цепной ядерной реакции, что может привести к взрыву. Для предотвращения развития такой реакции применяют специальные регулирующие стержни. В зависимости от глубины погружения стержней регулируется количество обрывов цепей, и ядерный распад поддерживается как неразветвленная цепная реакция.

Устройство, в котором поддерживается неразветвленная реакция ядерного деления называется ядерным реактором. Ядерное горючее в нем размещается в тепловыделяющих элементах ТВЭЛах. Выделяющееся при радиоактивном распаде тепло передается циркулирующей в трубках воде-теплоносителю. Такой тип реакторов называется канальным. Кпд АЭС на медленных нейтронах составляет 33-40%.

Реакторы на быстрых нейтронах

В реакторах на быстрых нейтронах ядерным топливом служит Pu₂₃₉. Он образуется в результате следующего процесса:

U₂₃₈ захватывает нейтрон и образуется U₂₃₉ затем инициируется гамма-излучение, в результате чего образуется Np₂₃₉ идет бета-излучение и образуется Pu₂₃₉. В реакторах на быстрых нейтронах замедлитель не нужен.

В реакторах на быстрых нейтронах тепловыделение намного больше, чем в реакторах на тепловых нейтронах. Поэтому нужен более эффективный отвод тепла. АЭС на быстрых нейтронах обычно трехконтурные: в первом контуре циркулирует расплавленный натрий с повышенной радиоактивностью, во втором контре – тоже натрий, но нерадиоактивный, который отдает тепло рабочему телу (воде).

На всех АЭС образующийся пар направляют в турбину. Дальше также как на ТЭС.

Наибольшими мощностями АЭС располагают США (более 100 ГВт), Франция (около 60 ГВт), Япония (около 40 ГВт). В Росси в настоящее время работают 9 станций общей мощностью около 21 ГВт.