Аналогичные схемы утилизации теплоты других твердых веществ можно использовать только при достаточно большой производительности, иначе это будет экономически невыгодно по причинам, указанным выше. Производительность УСТК по коксу составляет 50-- 56 т/ч.
Наиболее сложно найти применение низкопотенциальным тепловым ВЭР (<<100°С). В последнее время их все шире используют для отопления и кондиционирования промышленных и жилых зданий, применяют тепловые насосы для повышения температурного потенциала или для получения холода. Непосредственно используют такие ВЭР только на отопление близко расположенных теплиц или рыбоводных хозяйств.
Очень остроумное решение для использования низкопотенциальной теплоты отходящих газов даже в бытовых условиях было найдено Ф. Нансеном для кухонного аппарата, который он в 1895г. применял во время своего похода к Северному полюсу. После обогрева сосуда для варки пищи (рис. 24.7) дымовые газы направлялись в дополнительные газоходы, где отдавали свою теплоту таящему снегу. КПД этого аппарата превышал 90 %, в то время как у обычных газовых плит он менее 50 %.
В промышленных условиях охлаждение дымовых газов до температур ниже 100 °С весьма затруднительно прежде всего из-за конденсации водяных паров. Холодные стенки труб, по которым циркулирует нагреваемая среда, запотевают и подвергаются интенсивной коррозии. Конденсация водяных паров имела место и в агрегате, изображенном на рис. 24.7, но ввиду уникальности назначения его можно было изготовить из дорогостоящих материалов, не боящихся коррозии, кроме того, действовал он периодически и не долго. Промышленные подогреватели воздуха для исключения коррозии также иногда изготавливают из некорродирующихся стеклянных труб. Если нет вибрации, такие трубы работают достаточно долго.
Для подогрева воды низкотемпературными газами (/<ЮО°С) начинают использовать контактные экономайзеры, представляющие собой обычные смесительные теплообменники типа градирни (см. рис. 13.2). В них происходит нагрев воды за счет теплоты контактирующих с ней газов. Поверхность контакта капель воды с газом большая, и теплообменник получается компактный и дешевый по сравнению с рекуперативным (трубчатым), но вода насыщается вредными веществами, содержащимися в дымовых газах. В ряде случаев это допустимо, например, для воды, идущей в систему химводоподготовки в котельных или на ТЭС. Если загрязнение воды недопустимо, то ставят еще один теплообменник, в котором «грязная» вода отдает теплоту «чистой» и возвращается в контактный экономайзер. Змеевики, по которым циркулирует «чистая» вода, можно установить и внутри контактного экономайзера вместо насадки.
8. Типы гидроэнергетических установок и схемы использования водной энергии
8.1 Типы гидроэнергетических установок
Гидроэнергетическая установка (ГЭУ) является предприятием, на котором происходит преобразование механической 1 энергии водного потока в электрическую или, наоборот, электрическая энергия превращается в механическую энергию воды.
ГЭУ представляет собой совокупность гидротехнических сооружений, энергетического и механического оборудования.
На ГЭУ различают верхний и нижний бьефы. Водное пространство перед подпорными сооружениями, например перед плотиной, имеет более высокую отметку уровня и называется верхним бьефом (ВБ). Водное пространство за плотиной, за зданием станции и т. д. имеет низкие отметки уровней и называется нижним бьефом (НБ).
Отметка уровня воды обозначается V или V с соответствующим числом, которое показывает высоту над уровнем моря (абсолютная отметка) или над какой-либо другой плоскостью сравнения (условная отметка).
На ПЭС бьефы имеют попеременное значение. Во время прилива море является верхним бьефом, опорожненный бассейн -- нижним бьефом. В период отлива отметки уровня в бассейне более высокие (ВБ), а в море более низкие (НБ).
Гидроэлектрические станции.
На ГЭС гидравлическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Для ГЭС необходимы расход Q, м3/с и сосредоточенный перепад уровней Н0 (рис. 2-1), т. е. напор, м.
Основные сооружения ГЭС, расположенной на равнинной реке-плоти на, перегораживающая реку и создающая подъем уровня воды, т. е. сосредоточенный перепад уровней, п здание станции, в котором размещаются гидравлические турбины, генераторы электрического тока и другое механическое и электрическое оборудование. При необходимости строятся судоходные шлюзы, водозаборные сооружения для орошения, водоснабжения, рыбопропускные сооружения и др. На ГЭС вода под действием силы тяжести движется из верхнего бьефа в нижний и вращает рабочее колесо турбины, на одном валу с которым находится ротор генератора электрического тока. Иногда при сравнительно небольшой мощности генератора применяютпромежуточнуюпередачу (редуктор или мультипликатор)-для увеличения частоты вращения и уменьшения массы генератора. Турбина и генератор вместе образуют гидроагрегат. В турбине гидравлическая энергия воды превращается в механическую энергию вращения рабочего колеса турбины вместе с ротором генератора, где происходит преобразование механической энергии в электрическую. Среди крупных ГЭУ всех видов наиболее распространенными и наиболее мощными являются ГЭС. В 1978 г. крупнейшей гидроэлектростанцией мира была Красноярская ГЭС (на р. Енисей), мощностью 6 млн. кВт. Вводимая в эксплуатацию с 1978 г. Саяно-Шу-шенская ГЭС (на р. Енисей) при полном развитии будет иметь мощность более 7 млн. кВт.
Б. НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ
Гидроэнергетическая установка, предназначенная для перекачки воды с низких отметок на высокие и для перемещения воды в удаленные пункты, называется насосной станцией (НС). На НС устанавливаются насосные агрегаты, у которых на одном валу находится насос и электрический двигатель. НС является потребителем электрической энергии.
НС имеют большое распространение. Они применяются для коммунально-бытового и промышленного водоснабжения, для водоснабжения ТЭС, в ирригационных системах для подачи воды на поля, расположенные на высоких отметках или в удаленных районах, на судоходных каналах, пересекающих высокие водоразделы, и т. д.
Крупнейшая насосная станция -- Каховская с суммарной подачей воды 530 м3/с, расчетным напором 25 м и суммарной мощностью электродвигателей 168 МВт.
Насосные станции канала Иртыш -- Караганда рассчитаны на подъем воды на 418 м и суммарную подачу 76 м3/с на расстояние 458 км. Их суммарная мощность 350 МВт.
В. ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
ГАЭС выполняет функции НС и ГЭС. В часы пониженных нагрузок энергосистемы, например ночью, ГАЭС работает как НС, потребляет электрическую энергию и перекачивает воду из нижнего бассейна в верхний, расположенный на какой-либо возвышенности. Днем и, особенно, вечером, когда электропотребление в системе увеличивается, вода из верхнего бассейна пропускается через турбины в нижний бассейн; в это время ГАЭС работает как ГЭС -- вырабатывает и отдает электрическую энергию в систему. Имеются ГАЭС не только с суточным, но и с недельным и даже с .сезонным аккумулированием энергии.
Вследствие потерь ГАЭС отдает в систему около 70--75 % электрической энергии, получаемой ею из системы. Тем не менее эти станции выгодны, так как они потребляют более дешевую, а иногда и «бросовую» электроэнергию в ночные часы, в период малой нагрузки системы, а отдают более дорогую энергию в часы -пик нагрузки. Заполняя ночные провалы и снимая утренние и вечерние пики электрической нагрузки системы, ГАЭС существенно улучшают технические условия работы ТЭС, позволяют уменьшить их удельный расход топлива на 1 кВт-ч выработки электрической энергии и в конечном итоге дают экономию топлива в системе.
В СССР построена Киевская ГАЭС мощностью 225 МВт и строится Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт. Составлен проект крупнейшей гидроаккумулирующей электростанции Холейпи (США) мощностью 2500 МВт.
Г. ПРИЛИВНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Морские приливные электростанции (ПЭС) используют приливные колебания уровня моря, которые обычно происходят два раза в сутки. В некоторых пунктах обжитых морских побережий приливные колебания достигают 8--10 м. Наибольшая величина прилива 19,6 м наблюдается в заливе Фаиди (Канада).
Во Франции: построена ПЭС Раис мощностью 240 МВт. В СССР около Мурманска построена оригинальная опытная Кислогубская ПЭС небольшой мощности.
8.2 Напор, расход и мощность гидроэнергетических установок
А. НАПОР
Геометрический или статический напор равен разности отметок уровнем верхнего Ў ВБ и нижнего Ў НБ бьефов. Применительно к данным рис. 2-1 статический напор
Но=ЎВБ-ЎНБ=121,38-102,03=19,35м (2-1)
В водноэнергстических расчетах напор ГЭС считается равным
Н?Но-hВ-С=ЎВБ-ЎНБ-hВ-С (2-2)
где hВ-С-- потери напора при движении води от водозабора (сечение В-В) до турбинной камеры (сечение С--С), которые состоят из потери) напора на вход в турбинный водовод, па преодоление сопротивления сороудерживающих решеток, на трение воды о стенки водовода и т. п. (рис. 2-2). Все эти потери составляют 2-5 % от напора Но.
В расчетах, требующих высокой точности, например, при определении коэффициента полезного действия (КПД) турбины, учитывается также кинетическая энергия потока. На рис. 2-2 показано определение напоров для ГЭС.
Полным напор определяется по разности удельных энергии потока воды во входном сечении В--В и в конечном сечении К--К.
Удельную энергию и джоулях на один килограмм массы жидкости обозначим через Э, а на один ньютон веса -- через Е--Эg. Численное значение Е выражается в Дж/Н и измеряется в метрах. Полный напор называется напором брутто HG или, точнее, напором гидротурбинного блока. Напор HG в метрах численно равен разности отнесенных к единице веса удельных энергий потока в рассматриваемых сечениях.
Удельная энергия потока воды Е, Дж/Н, в каждом сечении
где Z-- высота расположения центра тяжести данного живого сечения потока над плоскостью сравнении, О -- О, м; р-- избыточное давление, Па; г -- вес единицы объема воды, Н/м2; с/г--пьезометрическая высота равная глубине погружений центра тяжести данного живого сечении под уровень воды м; v -- средняя скорость течения воды в данном живом сечении м/с; б - коэффициент, равный отношению кинетической энергии потока при действительном распределении скорости по сечению к кинетической энергии потока, подсчитанной по средней скорости v.
При отнесении удельной энергии к единице веса воды: Z - удельная потенциальная энергия положения; с/г - удельная потенциальная энергия давления и бн2/2g - удельная кинетическая энергия.
Рабочим напором турбины (точнее турбинной установки, включающей турбинную камеру, рабочее колесо турбины и отсасывающую трубу) принято считать разность удельных энергий потоки во входном сечении С -- С в турбинную камеру и в конечном сечении К -- К с наивысшей отметкой нижнего бьефа Н =» ЕС -- Ек.
Сумма 7+ с/г дает отметку уровня воды. Скорость воды перед водоприемником обычно невелика. Если пренебречь ею, то, относя энергию (2-3) к соответствующему сечению, можно написать
ЎB-ЎK-hB-C-бKн2K/(2g) (2.4)
Для насоса, пренебрегая разностью кинетической энергии в сечениях К-К и В-В получим
Hn=EB-EK+hC-B?Ho+hC-B=ЎB-ЎK+hC-B (2-5)
Более подробно см. гл 9.
Для обратимои гидравлической машины (насосо-турбины) напор насоса будет больше напора турбины на hC-B + hB-C где hC-B -- потери в водоводе от сечения В -- В до сечения С-- С в насосном режиме, a hB-C -- в турбинном режиме.
На построенных гидроэнергетических установках напор составляет от 2 до 1767 м. Наибольший напор турбин 1767 м и нacocoв I070 м имеет ГЭУ Рейссек (Австрия).
Б. РАСХОД ВОДЫ.
Расход поды Q n м3/c, используемый ГЭС для выработки электрическом энергии, зависит от притока воды к водохранилищу или верхнему бьефу ГЭС. от наличия запасов воды в водохранилище и от потребности энергетической системы в данный момент в электрической энергии. При комплексном использовании водных ресурсов расход ГЭС зависит также от объема воды из верхнего бьефа на орошение, водоснабжение, шлюзование судов и от режима водопотребления из нижнего бьефа ГЭС. Максимальным расход, используемый ГЭС, равен пропускной способности всех ее турбин при расчетном напоре. Наибольшую пропускную способность имеют турбины Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС Каждая турбина этой ГЭС при расчетном напоре 19 м протекает по 675 м3/с. Все 22 турбины этой ГЭС потребляют около 15 тыс. м3/с. Максимальный расход воды, перекачиваемой НС пли ГАЭС, равен подаче всех се насосов при минимальном напоре и работе электрических двигателей с полной мощностью. Pacход воды НС и ГАЭС в данный момент времени определяется потребностью в воде и условиями электроснабжения.
В МОЩНОСТЬ,ЭНЕРГИЯ.
Мощностью N называется работа, производимая в единицу времени. Если напор составляет Н, м, расход воды равен Q, м3/с, то работа, которую может совершить вода в 1 секунду, т. е. потенциальная мощность водотока в ваттах, равна
No = pgQH = гQH = 9810 QH.
где р -- плотность воды, кг/м3; g -- ускорение свободного падения тела, м/с2.
В гидроэнергетике принято измерять мощность в киловаттах. При этом No = 9,81 QH.
Мощность на валу турбины равна
NT=NoзT или NT=9,81 HзT (2-6)
где зT -- КПД турбины.
Значение КПД турбины зависит от ее конструкции, размеров и изменяется при изменении нагрузки. Для малых турбин, при диаметре рабочего колеса около 1 м, наибольший КПД составляет около 0,91; для крупных турбин диаметром 9--10 м КПД достигает 0,95--0,96. Электрическая мощность агрегата Na на выводах генератора меньше мощности турбины на величину потерь в генераторе