Электротехника Лекции. Закон Кулона напряженность электрического поля
 Скачать 39.64 Mb.
|
|
Экологические проблемы ТЭС Оседание почвы. Известно, что нефть и газ залегают в толще Земли в пористых породах и являются "подушкой" для верхних пластов. При выкачивании нефти или природного газа эта подушка нарушантся и земная поверхность может оседать на 10 и более метров. Сжигание топлива. Состав атмосферы: азот порядка 80%, кислород -20%, аргон, углекислый газ, водород и др. порядка 1%. Содержание углекислого газа 0,03%. Необходимо учитывать также наличие водяных паров. Атмосфера выполняет функции защиты Земли от чрезмерного нагревания и охлаждения. Причем эта защита осуществляется углекислым газом и парами воды. При сжигании топлива в ТЭС в последнее столетие замечено сильное увеличение углекислого газа в составе атмосферного воздуха (примерно на 15%). А это неотвратимо приведет к "парниковому эффекту", т.е. увеличению средней температуры на земной поверхности. Это вызвано также сокращением площади растительного покрова на Земле. Значительный урон растительности наносят также отравляющие вещества. Сжигание кислорода.Ежегодно при сжигании на Земле расходуется около 10-15 106 тонн свободного кислорода. Ведь кислород является основным окислителем при реакции горения. Для примера реактивный самолет типа Боинга при перелете Москва - Владивосток сжигает от 30 до 50 тонн свободного кислорода. Выбросы в атмосферу. При работе типовой ТЭС мощностью 1000Мвт и коэффициенте полезного действия 40% в атмосферу в течении года непрерывной работы выбрасывается: углекислого газа - 70 000тонн, угарного газа - 100 тонн, твердых частиц - 300 тонн, а также дымовые газы, в состав которых могут входить соединения серы (соединяясь с водой образуется -серная кислота). азота (образуется азотная кислота), радиоактивные вещества (изотопы радия и др.) Таблица (данные по США)
Тепловое загрязнение водоемов.При работе ТЭС охлажденная вода из онденсаторов сбрасывается в естественные водоемы, в результате происходит "тепловое загрязнение водоемов". При этом нарушаются естественные условия существования живых и растительных организмов. Проблема золы. Золоотвалы ТЭС мощностью 1000Мвт ежегодно составляют площадь 0,5км2 высотой 2м. Теплофикационные электроцентрали (ТЭЦ) вырабатывают одновременно и тепловую, и электрическую энергию. Носителем первой служит пар, который ТЭЦ передают по трубам на расстояние 10-15км для использования в быту (отопление, снабжение горячей водой) и для нужд промышленности. В соответствии со своим назначением ТЭЦ строятся вблизи или на окраинах больших городов. Благодаря использованию теплоты пара, отработавшего в паровой турбине, ТЭЦ значительно экономичнее, чем конденсационные станции. Их кпд производства электроэнергии 40-50%, а кпд производства тепловой энергии может достигать 80%. Тепловые электростанции с газовыми турбинами и двигателями внутреннего сгорания играют сравнительно малую роль в России. Газовые турбины являются новейшими тепловыми двигателями. При мощностях свыше 10Мвт их кпд достигает 35%. Весьма ценно то, что газовую турбину можно пустить в ход в течение нескольких минут, а для пуска мощной паровой турбины на угле требуется несколько часов. 2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ (ГЭС). Основой изучения работы ГЭС, преобразующих энергию воды в электрическую энергию, является наука, называема я гидравликой. ГЭС преобразуют энергию водяных потоков в электрическую энергию. Первичными двигателями на этих станциях служат гидравлические турбины, приводимые в движение потоком воды. Они вращают ротор генераторов. Плотина создает необходимый напор – разность уровней между участком реки выше плотины – это верхний бьеф и участком реки ниже плотины – нижний бьеф. Приближенно, мощность ГЭС Р (кВт), определяется расходом воды Q (м3/с), высотой между уровнем воды в верхнем и нижнем бьефе Н (м) (12-2) η –коэффициент полезного действия Напор Н увеличивают в равнинных реках с помощью плотины (рис.146 а), а в горных местностях строят специальные обводные каналы, называемые деривационными (рис.146 б). а б Рис. 146 Схема создания напора с помощью плотины(а). Схема деривационной ГЭС(б). В ковшовой турбине (рис. 147) потенциальная энергия гидростатического давления в сопле полностью превращается в кинетическую энергию движения воды (рис.147а). Рабочее колесо турбины выполняется в виде диска (рис. 147б), по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти. Вода, огибая поверхности лопастей, меняет направление движения. При этом возникают центробежные силы, действующие на поверхности лопастей, и энергия движения воды преобразуется в энергию, вращения колеса турбины. Если скорость движения воды, вытекающая из турбины равна нулю, то вся кинетическая энергия превращается в механическую энергию турбины. Внутри сопла расположена, регулирующая игла, перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды. Рис. 147 Схема работы активной турбины: 1- верхний бьеф, 2- водовод, 3 – сопло, 4 – рабочее колесо, 7- лопасти ковша. Гидротурбина, гидравлическая турбина, водяная турбина, ротационный двигатель – преобразует механическую энергию воды в энергию вращения вала. На валу турбины находится ротор генератора. Основным рабочим органом турбины, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо (рис.148). Вода подводится к рабочему колесу через сопла. Регулирование мощности осуществляется поворотом лопаток турбины. Рис. 148 Схема активной гидротурбины: а) рабочее колесо, б) сопла. Рис. 149 Схема плотинной ГЭС На ГЭС (рис.149) турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной. Чтобы получить скорости агрегатов близкие к оптимальным, при больших напорах воды, используют турбины с малым значением быстроходности. Гидрогенератор Красноярской ГЭС (всего генераторов 12шт) ( технические данные) Диаметр ротора – 16,1 м. Длина сердечника ротора – 1,75м. Число полюсов – 64шт (р=32). Скорость ротора – 93,8об/мин. Мощность одного генератора -500МВт. Выходное напряжение – 15,8КВ. Коэффициент мощности –cosφ=0,85. КПД – 98,2% Масса генератора – 1650тонн ГЭС исключительно экономична в эксплуатации. Цена 1КВт-часа в 5-6 раз дешевле, чем на ТЭС. Крупнейшие ГЭС России- Усть – Илимская (р. Ангара)– 4320МВт; Братская (р.Ангара) – 4500МВт; Красноярская (р.Енисей) – 6000МВт; Саяно – Шушенская (р.Енисей) – 6400Мвт. В приплотинных ГЭС здание, в котором размещаются гидрогенераторы, строится вблизи плотины на берегу или же в самом теле плотины. У деривационных ГЭС плотина перегораживает реку на некотором расстоянии от здания станции, и вода подается в турбины через водоводные каналы. Характерным для ГЭС является непостоянство стока вода в течение года, а следовательно и вырабатываемой гидроэнергии. Для регулирования стока сооружают искусственное водохранилище выше гидростанции по течению реки. Возможно регулирование суточное – в часы малой нагрузки генераторов (например, ночью) вода накапливается в водохранилище, в часы большой нагрузки накопленный запас воды расходуется. Регулирование стока может быть и годовым (накопление воды во время паводка) и даже многолетним. Оно тем совершеннее, чем больше объем водохранилища. Вода из водохранилища может использоваться для орошения засушливых территорий, а подъем воды, создаваемый плотиной вплоть до верховий реки, существенно улучшает условия для судоходства. 3. ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ (ГАЭС) В промышленно развитых странах большая часть электроэнергии (80%) вырабатывается на ТЭС, для которых наиболее желателен равномерный график электрической нагрузки. На агрегатах этих станций невыгодно проводить регулирование мощности. Периодические включения и отключения ТЭС не позволяют решить задачу регулирования мощности из-за большой продолжительности процессов включения и отключения станции. На запуск ТЭС в лучшем случае требуются часы. Работа крупных ТЭС в резко переменных режимах нежелательна, т.к. это приводит к перерасходу топлива, повышенному износу оборудования и снижению надежности в работе ТЭС. Поэтому в настоящее время дефицит в маневренных мощностях («пик» нагрузки) покрывается ГЭС, у которых набор полной мощности с нуля можно произвести за 1-2мин. Регулирование мощности ГЭС производится следующим образом. В периоды времени, когда в электрической системе имеются провалы нагрузки, ГЭС работают с незначительной мощностью и вода заполняет водохранилище. При этом запасается энергия. С наступлением пиков включаются агрегаты ГЭС и вырабатывается электрическая энергия. Накопление энергии в водохранилищах на равнинных реках (европейская часть России) приводит к затоплению обширных территорий, что во многих случаях крайне нежелательно. Небольшие реки малопригодны для регулирования мощности, т.к. они не успевают заполнить водой водохранилище. Задачу снятия пиков решают гидроаккумулирующие электрические станции (ГАЭС) , работающие следующим образом (см. рис. 150) .. Рис.150 Схема работы ГАЭС. В интервалы времена, когда электрическая нагрузка в объединенных электрических системах минимальна, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее, потребляя электрическую энергию из объединенной системы. При этом в машинном отделении станции электрические машины работают в режиме насосов и гонят воду по трубопроводам снизу вверх. При наступлении пиков электрической нагрузки – ГАЭС работает в генераторном режиме и расходует воду, запасенную в верхнем водохранилище. На ГАЭС перепад высот между нижним и верхним водохранилищами составляет 80-100м. Первые ГАЭС вначале 20 века имели КПД не выше 40%, у современных ГАЭС КПД составляет 70-75%. К преимуществам ГАЭС также относится относительно низкая стоимость строительных работ, здесь нет необходимости перекрывать реки, возводить высокие плотины с длинными водоводами и т.д. 4. ПРИЛИВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ Энергия морских приливов и отливов, или «лунная» энергия может быть использована для выработки электрической энергии. Приливные электрические станции (ПЭС) связаны с взаимодействием гравитационных полей Земли, Луны и Солнца и их работа связана с космическими явлениями и не зависит от многочисленных погодных условий, определяемых случайными факторами. Основные периоды приливов составляют около суток и около полусуток (≈ 12часов25мин). В течение года на характеристики приливных течений оказывает влияние взаимное расположение указанных космических объектов. Весной силы притяжения Луны и Солнца действуют в одном направлении, обеспечивая максимальную интенсивность приливных течений. Минимальная интенсивность приливов имеет место в 1-ой и 3-ей четвертях Луны, когда вектора сил притяжения Луны и Солнца перпендикулярны. В открытом океане приливная волна имеет высоту всего 2-3 метра и почти незаметна, но на мелководье и в заливах, она может достигать высоты 12-16м. Скорости приливных течений могут достигать 2-3м/с. Сегодня в мире действуют около десятка ПЭС общей мощностью около 500Мвт (рис.151). Рис. 151 Схема приливной электростанции Наиболее существенный недостаток ПЭС – неравномерность их работы. Этот недостаток можно компенсировать , совместив ПЭС с ГАЭС или с ГЭС. При совместной работе ГЭС увеличивает мощность при спаде мощности ПЭС и ее остановке; в то время как ПЭС работает с большой мощностью, ГЭС запасает воду в водохранилище. Таким образом, можно уменьшить как суточную, так и сезонную неравномерность работы ПЭС. 5. АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ (АЭС) Ядра урана (92U235), захватывающие тепловые нейтроны (0n1) с энергией порядка 0,03эв делятся, выделяя при этом большую энергию. Схема деления имеет вид: 0n1 + 92U235→ 92U236 → X +Y + 2-3 0n1 + Q, (12-3) где Q = 200-250Мэв, X и Y – фрагменты или осколки деления, 92U236 – нестабильное ядро урана. 0n1 + 92U235→ 92U236 → 56Ba144 + 35K89 +30n1 +Q1; 0n1 +92U235 → 92U236→55Cs140 + 37Rb94 +20n1 + Q2. Осколки деления в дальнейшем самопроизвольно распадаются до образования стабильных ядер: 55Cs140 → 56Ba140 →57La140 →58Ge140 →стабильное ядро; 37Rb94 →38Sr94 →39Y94 →40Zr90 → стабильное ядро. Дефект массы исходного ядра урана и масс продуктов реакции положителен (Δm>0) и деление сопровождается выделением тепла. Причем Q=200-250Мэв (для сравнения при химической реакции горения (взрыва) тротила на один атом выделяется энергия порядка 10эв). Ядро U-235 захватывает медленный нейтрон. Ядро приобретает при этом избыточную энергию. Эта энергия перераспределяется между всеми нуклонами ядра. Ядро подобно капле жидкости деформируется. Ядерные силы ослабевают. За счет кулоновского отталкивания ядро разрывается на части (осколки) с выделением энергии и 2-3 нейтронов. В 1г урана-235 содержится 2,6 1021 ядер. При делении этих ядер можно получить 23,2Мвт час энергии. В то же время при сжигании 1г угля выделяется энергия 7-8вт час энергии. (1кг урана -235 по выделяемой энергии эквивалентен 670цистернам нефти. В 1-ой цистерне - 60тонн нефти) Особенностью реакции деления ядер урана является выделение при распаде свободных нейтронов, что делает возможным осуществление цепной реакции. Количество порождаемых нейтронов изменяется в геометрической прогрессии, т.е. 1 → 2 → 4 →8 →16 → 32 и т.д. Условия цепной реакции:
Итак, при делении ядер урана -235 выделяется большая энергия. Этот факт привел к созданию атомной бомбы (см. рис.152) Рис.152 Макет атомной бомбы В бомбе имеются два куска почти чистого урана -235 (1). Это ядерный заряд, заключенный в металлической оболочке (2). В каждом куску происходит деление ядер при случайном попадании в ядро теплового нейтрона. Однако цепная реакция не развивается, т.к. каждый кусок имеет массу, меньше критической. В этом случае большое число нейтронов, выводится из реакции не прореагировав с ядрами. При объединении двух кусков в один масса урана становится больше критической. Объединение кусков должно быть быстрым, чтобы в реакцию включилось большое число ядер урана. С этой целью применяют обычное взрывчатое вещество (3) , с помощью которого выстреливают одним куском урана в другой. Таким образом, в атомной бомбе осуществляется неуправляемая цепная реакция. Управляемая реакция происходит в ядерных реакторах. В реакторе создаются условия, при которых число нейтронов с течением времени практически не меняется, Следовательно, в единицу времени делится одно и то же количество ядер, т. В единицу времени выделяется определенная энергия. Основными частями ядерного реактора являются активная зона – 1, система регулирований цепной реакции – регулирующие стержни -2, отражатель нейтронов -3, радиационная защита -4. В активной зоне протекает цепная реакция и выделяется энергия. Рис. 153 Схема основных функциональных узлов АЭС. Схематично активная зона показа на рис. 153 В активной зоне располагаются замедлители нейтронов -1, урановые стержни -2, которые являются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами). Для замедления нейтронов используется графит. При взаимодействии с ядрами графита нейтроны замедляются до тепловых скоростей. В этом случае нейтроны легко захватываются ядрами урана. Регулирующие стержни -3 ( кадмий или бор) интенсивно поглощают нейтроны, поэтому введение стержней в активную зону позволяет управлять числом нейтронов в реакторе (либо автоматически поддерживать одно и то же значение выделяющейся энергии, либо прекратить цепную реакцию). Через активную зону проходит трубопровод с теплоносителем 5. В качестве теплоносителя используется вода или металл с низкой температурой плавления ( например натрий с температурой плавления 980С). Теплоноситель перемещается с помощью насоса 6. В теплообменнике 7 теплоноситель отдает энергию воде, превращая ее в пар. Пар направляется в турбину 8, соединенную с электрогенератором 9. Из турбины пар поступает в конденсатор 10, где превращается в воду, а затем вода превращается в пар и далее по многократому циклу. В настоящее время в мире работают сотни АЭС. Первая АЭС в России введена в эксплуатацию в 1954г. Основные технические данные реактора РБМК-1000. РБМК (реактор Большой Мощности Канальный, цифра 1000 это 1000МВт электрической энергии). Загрузка урана 235 – 192тонны. Температура пара перед турбиной - 2800С. Реактор размещается в бетонной шахте 21,6 х21,6 м2, высотой 25,5м. Масса графитовой кладки (замедлитель) -1700тонн. Число топливных каналов – 1693. Масса агрегата – 107тонн. В настоящее время в атомной энергетике начинается постепенный переход на реакторы с быстрыми нейтронами (реакторы – размножители). При этом используется не уран-235, а уран- 238 (основной изотоп). 92U238 + 0n1→92U239 +γ → 93Np239 + -1e0 → 94Pu239 +-1e0 +Q. (12-4) |