История электрификации горной промышленности

Электрические станции ? это электроустановки, служащие для производства электрической и тепловой энергии из других видов энергии. Электростанции сооружают с учетом возможности широкого использования природных энергетических ресурсов.

2.3.1. История развития электрических станций

Для питания осветительных установок в ХIХ в. использовались так называемые блок-станции. Это были генераторные станции, назначением которых являлось снабжение электроэнергией небольшого числа потребителей, сосредоточенных в пределах одного дома или небольшого квартала города. Часто такие станции назывались «домовыми» (рис. 2.1). На таких станциях обычно передача от первичного двигателя (паровой машины или двигателя внутреннего сгорания) к генератору осуществлялась с помощью ремня. Применение ременной передачи, с одной стороны, позволяло приводить быстроходный генератор (1000 об/мин и больше) от сравнительно тихоходных паровых машин (до 200 об/мин), но, с другой стороны, требовало установки генератора на салазках, которые допускали его перемещение для увеличения натяжения ремня.

Первые блок-станции были построены в Париже для питания свечей Яблочкова, установленных на улице Оперы. В России подобного рода установкой освещался Литейный мост в Петербурге (1879 г.).

Однако блок-станции существовали недолго. Идея централизованного производства электроэнергии была настолько экономически целесообразной и настолько соответствовала основному направлению промышленного развития, что первые центральные электростанции появились уже в начале 1880-х гг., устранив блок-станции.

Появление системы трехфазного тока послужило мощным импульсом широкого использования электрической энергии в промышленности вместо пара, воды и сжатого воздуха. Горная промышленность ? фактически первая отрасль, где было положено начало практическому применению электрической энергии. В России в горной промышленности электроустановки появились в 1888 г. Они состояли из небольших генераторов постоянного тока с паровым приводом, служивших главным образом для освещения и питания двигателей подъемных установок и водоотлива. Уже в 1900 г. на I Всероссийском электротехническом съезде сообщалось о применении электрической энергии на Зыряновских свинцово-серебряных рудниках Алтая, Брянских угольных копях Донбасса и Кизеловских угольных копях Урала.

Первая промышленная электростанция в Сибири была создана на Алтае. Она была построена под руководством горного инженера Н.Н. Кокшарова летом 1892 г. на Зыряновском руднике. Отсутствие вблизи предприятия топливных ресурсов подтолкнуло воспользоваться энергией р. Березовка, на которой построили ГЭС мощностью 150 кВт. В связи с тем что расход воды резко колебался, недалеко от Зыряновска на канале, подводящем воду к станции, создали водохранилище. Электроэнергия использовалась для шахтного водоотлива, электрифицировали рудодробилку, канатную железную дорогу, электролитическую фабрику, производственные помещения и жилые постройки. Это позволило в первый же год снизить эксплуатационные расходы на водоотлив почти в вдвое.

Вслед за рудным Алтаем электрическая энергия стала использоваться на Ленских приисках. 18 сентября 1896 г. дала ток ГЭС на р. Ныгри (Павловский прииск), мощность которой была 300 кВт трехфазного переменного тока. Генераторное напряжение станции трансформировалось со 150 до 10 000 В и передавалось на отдельные прииски по ЛЭП длиной около 20 км, где вновь трансформировалось до напряжения 260 В. Промышленная нагрузка – асинхронные двигатели приисков. В 1898 г. на р. Бодайбо построили ГЭС мощностью 430 кВт, к 1915 г. образовался первый каскад ГЭС с установленной мощностью 2800 кВт. Общая мощность всех гидростанций России в то время исчислялась в 19 тыс. кВт. Успешно применялось электроперфораторное бурение и электропаровое оттаивание грунтов. На приисках работало до 100 электродвигателей, а для освещения горных работ и зданий использовалось почти 20 тыс. электрических лампочек.

В енисейской золотопромышленности электроэнергия использовалась недостаточно. На приисках Мариинской тайги в 1902–1903 гг. успешно применялось электроперфораторное бурение. Работала электростанция мощностью 600 кВт. На отдельных приисках на драгах имелись динамомашины по 4–5 кВт и небольшие установки для освещения административных зданий. В Северо-Енисейском горном округе насчитывалось свыше десятка таких электростанций средней мощностью дл 3 кВт. В Хакасском каменноугольном районе была единственная динамомашина мощностью 19 кВт.

2.3.2. Современные источники питания

Тепловые электростанции. Основную функцию а энергетическом балансе страны выполняют тепловые электростанции ? ТЭС, ГРЭС (государственная районная электростанция), сооружаемые в районах, где имеется дешевое природное топливо: торф, сланец, бурый уголь, природный газ [2]. ТЭС называют конденсационными (КЭС), если они вырабатывают только электроэнергию, а отработавший пар направляется в конденсаторы, где скрытая теплота парообразования теряется в охлаждавшей воде. ТЭС, вырабатывающие в процессе комбинированного энергопроизводства как электрическую, так и тепловую энергию (в виде пара и горячей воды), называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Коэффициент полезного действия ТЭЦ примерно в два раза выше, чем у КЭС. В настоящее время на долю ТЭС приходится примерно 80 % вырабатываемой в стране электроэнергии и 40 % тепловой энергии.

Тепловые электростанции состоят из следующих основных узлов (рис. 2.2).

Котельная установка (реактор) служит для выработки пара из воды за счет использования тепла топлива. В котельную установку входит топка, где происходит сжигание топлива, и паровой котел. Кроме этого, в нее входит пароперегреватель, экономайзер (для подогрева питательной воды), воздухоподогреватель (для подогрева воздуха для топки). Котельная установка имеет и вспомогательное оборудование: тягодувное устройство естественное (в виде высокой трубы) или искусственное (дутьевые вентиляторы); золоуловители (фильтры); систему водоподготовки (очистка воды).

Паровая турбина (рис. 2.3) состоит из вала, на котором прочно насажены диски. На ободах этих дисков закреплены особо изогнутые рабочие лопатки. Вал вращается на подшипниках. Пар из котла по соплам поступает на рабочие лопатки турбины и заставляет вал турбины вращаться. Выходя из пространства турбины, пар конденсируется, чтобы создать больший перепад давления, ускорить протекание пара и повысить эффективность цикла. Давление уменьшается со 100 до 0,4 атм.

Электрогенератор вырабатывает электрическую энергию, которая поступает на преобразовательную подстанцию. Его ротор находится на одном валу с турбиной.

Технологическая схема КЭС (рис. 2.4), включает в себя:

? топливное хозяйство 1 и топливоподачу 2, где топливо проходит специальную подготовку. Например, уголь дробится, сушится и измельчается в пыль;

? котел и воздуходувку. В котле 3 происходит сгорание топлива и нагревание теплоносителя – воды, проходящей по трубам через топку;

? наряду с воздухом в котел поступает воздух, подаваемый специальным насосом – воздуходувкой 5;

? пароперегреватель ? паропровод ? паровая турбина ? генератор. На выходе из котла теплоноситель перегревается в пароперегревателе 4 и по паропроводу 9 поступает в паровую турбину 10. В турбине энергия пара преобразуется в механическую работу вращения вала, связанного специальной муфтой с валом генератора 13, преобразующего механическую энергию в электрическую;

? газовоздушный тракт – золоуловитель ? дымосос ? дымовая труба и конденсатор. Продукты сгорания из котла проходят очистку в золоуловителях 7 и фильтрах, очищенные газы с помощь дымососов 6 выбрасываются через дымовую трубу 8 в атмосферу. На выходе из турбины пар охлаждается в конденсаторе 11, превращается в воду – конденсат, и часть ее подается насосом 12 обратно в котел, а другая часть по водопроводу поступает в водохранилище 17. В качестве охладителя пара используется, как правило, подаваемая циркуляционными насосами 14 по водопроводу 15 холодная вода из создаваемых водоемов 17 ? водохранилищ, брызгальных бассейнов, градирен.

Гидроэнергетические установки. Известно, что около 15 % энергетического баланса страны покрывается гидроэнергетическими установками (ГЭУ).

Существуют три основных вида ГЭУ:

• гидроэлектрические станции (ГЭС), которые используют энергию рек;

• приливные электростанции (ПЭС), использующие энергию приливов и отливов океанов и морей;

• гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), которые могут накапливать и использовать энергию искусственных водоемов, озер.

На гидростанциях (ГЭС) для производства энергии используется энергия движущей воды (рис. 2.5). Первичными двигателями электрогенераторов являются гидротурбины, в которых потенциальная и кинетическая энергия воды преобразуется в механическую для вращения ротора генератора. Гидротурбина (рис. 2.6) состоит из рабочего колеса и направляющего устройства. Рабочее колесо жестко закреплено на валу турбины, имеет на своем ободе по всему периметру ряд особо изогнутых лопаток. Направляющее устройство придает движению воды нужное направление и регулирует количество воды, поступающее в турбину с помощью поворотных лопаток. Механизм разворота лопаток связан с регулятором турбины, поддерживающим постоянное число оборотов и тем самым частоту тока. Из рабочего колеса вода отводится через всасывающую трубу в нижний бьеф гидростанции.

ГЭС имеют очень высокий КПД и по данному показателю являются самыми экономичными электростанциями. КПД ГЭС составляет 93 % (у ТЭС не более 40 %). Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на ГЭС, в 5–6 раз ниже, чем на тепловых и атомных станциях (АЭС). ГЭС являются мобильными установками и свободно меняют свою мощность. На них несравненно легче, чем на ТЭС и АЭС, запускаются и останавливаются агрегаты, отсутствуют ограничения по скорости изменения мощности, высока надежность.

Общий вид Саяно-Шушенской ГЭС приведен на рис. 2.7.

В советские годы страна занимала лидирующее положение в мировой гидроэнергетике. В свое время Красноярская и Саяно-Шушенская ГЭС были самыми мощными в мире. После распада СССР лидирующие позиции России и других стран СНГ были утрачены.

К недостаткам ГЭС следует отнести чрезвычайно высокие капитальные затраты на сооружение, длительные сроки строительства, зависимость работы от природных условий, ущерб от затопления земель и лесов.

Приливные электростанции ? ПЭС (рис. 2.8.) вырабатывают электрическую энергию за счет использования потенциальной энергии приливов и отливов моря. Величина прилива (в результате притяжения Луны) в различных местах Земли неодинакова: у берегов Америки она составляет 21 м, у берегов Франции и Англии порядка 15 м, у берегов России– 8–11 м на Белом и Охотском морях. Установлено, что использовать энергию приливов целесообразно при 3–4 м высоты прилива.

Приливный энергетический потенциал на побережьях страны оценивается в 200 млрд кВт ч, что примерно равно выработке электроэнергии на всех ГЭС. Однако использование приливной анергии ведется пока еще в незначительных масштабах. Главный недостаток ПЭС ? их вынужденный режим; они дают свою мощность не тогда, когдаэтого требует потребитель, а в зависимости от приливов и отливов волн. Велика также стоимость сооружения подобных станций. Вместе с тем ПЭС дают существенную экономию топлива, поэтому в будущем область их применения будет расширяться.

Гидроаккумулирующие электростанции ? ГАЭС (рис. 2.9) используют гидравлическую энергию, которая ими специально накоплена. Они объединяют две установки ? турбинную и насосную. Насосная установка позволяет накачать воду из реки в специальный бассейн, расположенный выше реки и здания ГАЭС. Естественно, на это затрачивается энергия. В нужное время вода из бассейна может быть пропущена через турбины, которые стоят на станции под напором, тем самым будет получена определенная электрическая мощность. Следовательно, гидравлическая энергия сначала аккумулируется, а затем используется. КПД ГАЭС составляет 70–80 %. Обычно на . ГАЭС устанавливают машины, которые могут работать попеременно в турбинном и насосном режимах.

Создание ГАЭС позволяет частично решить проблему пиковой энергии. В течение суток электроэнергия потребляется неравномерно. Больше всего ее требуется либо в утренние часы, когда включаются электробытовые приборы, начинают работать предприятия и электротранспорт, либо в вечерние, когда включаются освещение и электроприборы. В ночные же часы потребление электроэнергии наименьшее ? чем более свободно пользуются электроэнергией в быту и промышленности, тем более неравномерно она потребляется. Для покрытия пиков нагрузки нужны специальные станции, и в их числе прекрасными возможностями обладают ГАЭС ? ночью, потребляя энергию ГАЭС, они накачивают воду в бассейн и создают запас энергии. В часы пика нагрузки накопленная энергия используется, отдавая кратковременную пиковую мощность потребителям.

В настоящее время в России ГАЭС находятся на начальной стадии развития. В будущем пиковая нагрузка энергосистем будет увеличиваться и число ГАЭС возрастет.

Атомные электростанции. В районах, где природные энергетические ресурсы ограничены или отсутствуют, сооружают атомные электростанции (рис. 2.10). На долю АЭС сегодня приходится примерно 4,5 % вырабатываемой в стране электроэнергии. АЭС для получения электроэнергии и тепла используют ядерное горючее. Вместо котельного агрегата на АЭС находится реактор, т.е. специальные парогенераторы.

В качестве топлива на АЭС применяют тяжелые элементы: уран-235, уран-233, плутоний-239. Расщепление ядер урана-235 происходит под действием нейтронов по цепной реакции, при этом выделяется большое количество тепловой энергии (83 %) и ядерного излучения.

Реакторы (рис. 2.11) имеют так называемую активную зону 1, в которую загружается ядерное топливо, содержащее уран-235 и замедлитель (обычно графит или вода). Для сокращения зоны утечки нейтронов зона окружена отражателем 2, за которым размещается бетонная защита 5 от радиоактивных излучений. Количество ядерного топлива в реакторе значительно превышает критическую массу, поэтому в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней 4 из карбида бора. По мере выгорания топлива регулирующие стержни извлекают из активной зоны. Нагретый теплоноситель отводится по трубам 3 в теплообменник – парогенератор 6, где передает свое тепло рабочему телу (например, воде, проходящей по змеевикам и превращающейся в пар). Рабочее тело (пар) поступает в турбину 7, вращает вал турбины, соединенный с валом генератора 8. Отработавший пар попадает в конденсатор 9, после чего сконденсированная вода вновь идет в теплообменник.

Все ядерные реакторы имеют специальную биологическую защиту, чтобы предохранить обслуживающий персонал от опасных радиоактивных излучений, которые вызывают ионизацию молекул клеток.

По оценкам экспертов, запасы ядерного топлива примерно в 2000 раз превышают все запасы органического топлива на Земле, его хватит на тысячелетия. Это снимает угрозу топливной недостаточности и гарантирует человечеству возможность интенсивного развития энергетики в настоящем и в будущем. Так, в настоящее время доля АЭС в суммарном производстве энергии в мире составила 55 %. Мощность АЭС мира ? порядка 1 млн МВт.

Геотермальные электростанции. Геотермальные электростанции используют внутреннее тепло Земли, геотермическую энергию гейзеров, термальных вод для теплофикации и производства энергии (рис. 2.12).

В России геотермальные источники существуют на Камчатке, Курильских островах, в Сибири. Впервые геотермальная станция на глубинном паре под давлением 5 атм и температурой 200

С была построена в г. Лардерелло (Италия ) в 1904 г. Геотермальные электростанции используются в Италии, Исландии, России, Японии и Новой Зеландии.

В 1967 г. на Камчатке была построена Паужетская ГТЭС на 11 МВт, в 2000 г. запущены Мутновская ГТЭС на 200 МВт и Паратун-ская ГТЭС.

Гелиоэлектростанции. Гелиоэлектростанции используют энергию солнечных лучей (рис. 2.13) с помощью приемников двух видов:

? плоских, улавливающих солнечные лучи, направленных перпендикулярно плоскости (приемники отслеживают направление солнечных лучей, автоматически разворачивая свою плоскость);

?концентрирующих, в которых солнечные лучи с помощью зеркальных сферических поверхностей концентрируются в фокусе, где расположены тепловые элементы (например, паровой котел).

Сконструированы солнечные электростанции на полупроводниковых фотоэлементах (кремниевых, селеновых и др.). В таких установках солнечная энергия непосредственно превращается в электрическую.

В конце ХХ в. в США и России был создан двухслойный полупроводниковый фотоэлемент из арсенида галлия, который преобразует в электричество видимую часть солнечного спектра, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот прозрачный слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое – антимоноде галлия или арсениде алюминия. КПД такого фотоэлемента составляет примерно 30–37 %, что сопоставимо с КПД современных ТЭС и АЭС (у обычных фотоэлементов в настоящее время КПД составляет 10– 12 %. КПД гелиоэлектростанций составляет 5–10 %, стоимость электроэнергии такой электростанции в 5–10 раз выше стоимости электроэнергии, вырабатываемой традиционными электростанциями. Считается, что повышение КПД данных станций до 20 % позволит стать им конкурентным источником электричества.