Загальна характеристика

Джерела живлення в енергетичних системах – це електричні станції. Електрична станція – це установка, яка перетворює різні види енергії в електричну.

Тип станції визначається енергоресурсами, які використовуються. Енергоресурси поділяються на невідновлювальні та відновлювальні. До невідновлювальних відносять органічні (вугілля, газ, торф, ядерне паливо та ін.), до відновлювальних – вода, сонце, глибинне тепло землі, вітер.

В залежності від енергоресурсів, які використовуються, електростанції поділяються на:

· теплові з органічним паливом (ТЕС)

· ядерним паливом (АЕС)

· гідравлічні (ГЕС) та гідроакумулюючі (ГАЕС)

· сонячна енергетика

· вітрові (ВЕС)

· геотермальні (ГеоТЕС)

· морські: приливні (ПЕС), прибійні, термальні, хвильові установки

· Станції з магнітогідродинамічними генераторами (МГДЕС).

Теплові станції з органічним паливом та ядерним паливом, гідравлічні та гідроакумулюючі – це традиційні станції для будь-якої енергосистеми.

Геотермальні, вітрові, приливні, хвильові, сонячні та станції з магнітогідродинамічними генераторами не є ще традиційними і належать до альтернативної енергетики.

2.2 Теплові електричні станції на органічному паливі

Тепловими станціями на органічному паливі є електричні станції, на яких теплова енергія від спалювання палива перетворюється в електричну.

В залежності від типу первинного двигуна станції поділяються на:

- паротурбінні (ПТЕС);

- газотурбінні (ГТЕС);

- парогазові (ПГЕС);

- дизельні (ДЕС).

Паротурбінні електричні станції.

На паротурбінній електричній станції первинний двигун – це парова турбіна. Для отримання електричної енергії необхідно обертання генератора, яке створює турбіна, що знаходиться на одному валу з генератором, утворюючи турбоагрегат. Обертальний рух турбіни обумовлений парою, що подається від парогенератора (котла) при спалюванні в ньому палива.

Паротурбінні станції в залежності від типу турбін поділяються на конденсаційні (КЕС) та теплофікаційні (ТЕЦ).

КЕС призначена для вироблення тільки електричної енергії, ТЕЦ – для вироблення теплової та електричної енергії. КЕС великої потужності позначаються ТЕС. Потужність ТЕС може досягати кількох мільйонів кВт, найбільша потужність ТЕЦ – 1 млн. 200 тис.кВт.

Основні техніко-економічні показники паротурбінних станцій:

1. Коефіцієнт корисної дії (ккд) становить 41 %;

2. Обмежена маневровість (включення та відключення генератора потребує часу в межах 2 годин);

3. Собівартість електричної енергії залежить від вартості органічного палива, включаючи вартість добування і транспортування з урахуванням необхідності постійного спалювання.

Газотурбінні електричні станції.

На газотурбінній електричній станції первинний двигун – газова турбіна, де відбувається процес згоряння палива, в результаті чого утворюються гази, які обертають турбіну.

Основні техніко-економічні показники газотурбінних станцій:

- Коефіцієнт корисної дії вищий ніж ккд паротурбінних станцій за рахунок зменшення теплових втрат (близько 50 %);

- Велика маневровість (відсутній процес приготування пари);

- Собівартість електричної енергії зростає порівняно з паротурбінною станцією за рахунок значної питомої вартості палива для газових турбін (наприклад, рідкого палива).

Враховуючи наведені техніко-економічні показники газотурбінних установок, доцільно використовувати їх в години найбільшого споживання електричної енергії і розміщувати їх в зв’язку з цим на території паротурбінних електричних станцій.

Парогазові електричні станції.

Технологічна схема парогазової електричної станції передбачає сумісне використання паротурбінних та газотурбінних установок. При цьому за рахунок газотурбінних установок збільшується ккд станції до 60 % та її маневровість, а наявність в схемі виробництва електричної енергії паротурбінних установок зменшує собівартість електричної енергії.

Дизельні електричні станції.

Дизельні електричні станції для виробництва електричної енергії використовують дизельні установки, які характеризуються значними питомими витратами дизельного палива з високою питомою вартістю. Дизельні електричні станції мають невелику потужність і використовуються для постачання електричної енергії окремим споживачам або є резервним джерелом живлення для окремих груп споживачів.

2.3. Атомні електричні станції

Атомні електричні станції (АЕС) – це паротурбінні станції, де приготування пари відбувається за рахунок теплової енергії, яка виділяється при протіканні реакції в ядерному реакторі. У якості енергоресурсів використовуються уран та плутон.

За технологічною схемою АЕС можуть бути одно-, дво- та триконтурні.

Одноконтурна схема - пара, яка утворюється в реакторі, надходить до турбіни радіоактивним забрудненим. Схема проста, але необхідний захист від випромінювання, ускладнений ремонт обладнання.

Двоконтурна схема – перший контур віддає тепло парі другого контуру. Обладнання другого контуру працює без радіоактивного забруднення.

Триконтурна схема – другий контур віддає тепло парі третього контуру, яка поступає в турбіну з високим рівнем очищення від радіоактивного забруднення.

Двоконтурна і триконтурна схеми мають високий рівень наійдності і відвідно високу вартість.

На АЕС можуть застосовуватись два основних типи ядерних реакторів: на теплових і швидких нейтронах. В результаті реакції в реакторах на швидких нейтронах відтворюється значна кількість ядерної речовини, коефіцієнт відтворення становить 1, 7; в реакторах на теплових нейтронах цей процес незначний. В основному використовуються реактори на теплових нейтронах, які поділяються на два типи: РБМК і ВВЕР.

РБМК – реактор великої потужності канальний, в якому теплоносій – вода, сповільнювач реакції – графітові стрижні.

ВВЕР – водо-водяний енергетичний реактор, в якому і теплоносій і сповільнювач реакції – вода, яка знаходиться під великим тиском, що відповідно вимагає надзвичайно міцних корпусів.

У зазначених реакторах в якості пального використовуються тепловиділяючі елементи (ТВЕЛ) з природного або низькозбагаченого урану, які можуть завантажуватись в РБМК в його робочому стані, в ВВЕР – тільки в неробочому, що пов’язано з великим тиском в корпусі. Завантаження ядерного пального здійснюється з періодичністю 18-20 місяців.

РБМК використовуються на АЕС з одноконтурними схемами, ВВЕР – з дво- та триконтурними схемами.

Основні техніко-економічні показники АЕС:

- Велика потужність станцій (потужність окремих блоків становить 1 млн., 1, 5 млн. кВт), що є економічним;

- Надзвичайно низька маневровість з регулюванням потужності у вузькому діапазоні;

- Питомі капіталовкладення приблизно в два рази вищі ніж в ТЕС на твердому органічному палива, але якщо крім капіталовкладень в будівництво АЕС врахувати капіталовкладення в будівництво паливних підприємств і транспортування палива, то співвідношення суттєво зменшується;

- Собівартість електричної енергії нижча ніж на ТЕС;

- Зменшення витрат органічного палива на виробництво електричної енергії та відповідне зниження навантаження на транспортну систему;

Екологічні аспекти експлуатації АЕС:

- Необхідність великої кількості води для реакторів;

- Необхідність жорстокого радіаційного контролю;

- Проблеми утилізації та захоронення відпрацьованого ядерного палива.

АЕС є основним джерелом виробництва електричної енергії в енергосистемах (20-40%).

2.4. Гідравлічні та гідроакумулюючі електричні станції

Гідравлічні електричні станції (ГЕС) - станції, на яких енергія води, яка звільняється при зміні її висотного положення (з верхнього б’єфа до нижнього б’єфу), перетворюється в електричну енергію. Вода обертає робоче колесо турбіни, на одному валу з яким знаходиться генератор. Турбіна і генератор утворюють гідроагрегат. Зміна висотного положення води обумовлює напір води, який може бути створений греблею, деривацією або греблею і деривацією разом.

Греблі застосовуються при великих витратах води та малих ухилах її поверхні. В залежності від витрати води ГЕС може бути русловою або пригреблевою.

Руслова ГЕС споруджується при невеликому напорі води, її будівля разом з греблею входить до складу споруд, які приймають напір з боку верхнього б'ефа.

Пригреблева ГЕС розташована за греблею і не сприймає повного тиску води, споруджується при середніх і великих напорах. Підведення води до турбін виконується по трубопроводах, які знаходяться в греблі і тунелях, що прокладені в обхід.

Деривація - сукупність споруд, які підведять воду до станційного вузла ГЕС і виконуються у вигляді трубопроводу, каналу або тунелю. Якщо напір води створюється греблею та деривацією, то висота греблі може бути невеликою для

забезпечення лише відводу води з річки в деривацію. Напір створюється за рахунок різниці рівнів води в річці і деривації.

У гребле-дериваційній (змішаній) схемі використовують властивості двох схем: може бути створено водосховище і використана деривації.

З метою більш повного і ефективного використання гідроресурсів на великих ріках споруджуються каскади, до яких входять декілька послідовно розташованих ГЕС.

В залежності від гідроресурсів ріки пригреблеві ГЕС можуть велику потужність (4 млн. кВт, 6, 5 млн. кВт і навіть 18 млн. кВт та 20 млн. кВт).

Дериваційна та змішані схеми застосовують, як правило, в гірській місцевості. Ці станції мають невелику потужність.

Основні техніко-економічні показники ГЕС:

- Велика маневровість;.

- Високий ккд (92-96%);

- Високий рівень автоматизація процесів виробництва електричної енергії;

- найнижча собівартість електричної енергії серед існуючих електричних станцій, але значний рівень капіталовкладень;

- перекриття рік, особливо при спорудження каскадів ГЕС, ускладнює та уповільнює судноплавство.

Екологічні аспекти спорудження ГЕС:

- відсутність шкідливих викидів до навколишнього середовища;

- наявність проблем з рибоводством;

- затоплення великих територій при спорудженні рівнинних ГЕС великої потужності, що може стати причиною екологічної катастрофи.

Гідроелектростанції є одним з найефективніших джерел електроенергії. Вартість електроенергії, що виробляє ГЕС у 5-6 разів менша ніж на ТЕС і кількість персоналу для обслуговування ГЕС в 15-20 разів менша ніж на АЕС.

Гідроакумулюючі електричні станції (ГАЕС) – це ГЕС, які для вироблення електричної енергії використовують воду, що попередньо подається до верхнього резервуару (басейну). Для цього на ГАЕС встановлюють гідроагрегати оборотного (реверсивного) типу, що працюють як генератори і як двигуни. Таким чином, під час зменшення споживання електричної енергії ГАЕС працює в насосному режимі, подає воду до верхнього резервуару і є споживачем електричної енергії. При підвищенні споживання електричної енергії ГАЕС працює в генераторному режимі як звичайна ГЕС – виробляє електричну енергію.

Основні техніко-економічні показники ГАЕС:

- Велика маневровість;.

- Ккд менший ніж на ГЕС: споживання електричної енергії в насосному режиму перевищує виробництво в генераторному режимі. Кількість спожитої електричної енергії становить 70-75 % від виробленої;

- Собівартість електричної енергії, яку споживає ГАЕС нижча ніж собівартість електричної енергії, яку вона виробляє: споживання електричної енергії відбувається в години зменшення попиту на неї;

- ГАЕС суттєво покращує умови роботи ТЕС, зменшуючи питомі витрати палива на виробництво 1 кВт∙ год електричної енергії.

Потужність ГАЕС може досягати 2 млн. кВт.