Номер 3, страница 48 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

3. Как осуществляется процесс производства электроэнергии на ТЭС? Какие меры принимаются для повышения КПД ТЭС?

Как осуществляется процесс производства электроэнергии на ТЭС?

Процесс производства электроэнергии на тепловой электростанции (ТЭС) основан на преобразовании химической энергии топлива в электрическую. Этот процесс можно разбить на несколько ключевых этапов, которые вместе составляют паросиловой цикл (цикл Ренкина):

1. Сжигание топлива и получение тепла: Органическое топливо (уголь, природный газ, мазут) сжигается в топке парового котла. В результате сгорания выделяется большое количество тепловой энергии.

2. Производство пара: Тепло, полученное от сжигания топлива, используется для нагрева воды в котле и ее превращения в пар высокой температуры (до 540-600 °C) и высокого давления (до 24 МПа и выше на сверхкритических станциях).

3. Преобразование тепловой энергии в механическую: Перегретый пар под высоким давлением подается на лопатки паровой турбины. Расширяясь, пар приводит турбину во вращение. При этом его тепловая энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины.

4. Производство электроэнергии: Вал турбины соединен с валом электрогенератора. Вращение ротора генератора в магнитном поле статора приводит к возникновению (индуцированию) электрического тока в обмотках статора. Таким образом, механическая энергия преобразуется в электрическую.

5. Конденсация пара: Отработавший в турбине пар, отдавший значительную часть своей энергии, поступает в конденсатор. В конденсаторе он охлаждается большим количеством воды (из реки, озера или градирни – специальной охладительной башни) и конденсируется, снова превращаясь в воду.

6. Возврат воды в котел: Полученная вода (конденсат) с помощью насосов снова подается в паровой котел, замыкая цикл.

Ответ: Производство электроэнергии на ТЭС осуществляется путем сжигания топлива для получения высокотемпературного пара, который вращает паровую турбину, соединенную с электрогенератором; отработанный пар конденсируется и возвращается в котел для повторного использования.

Какие меры принимаются для повышения КПД ТЭС?

Коэффициент полезного действия (КПД) традиционных ТЭС составляет около 35–45%. Это означает, что более половины энергии топлива теряется, в основном в виде тепла, сбрасываемого в окружающую среду. Для повышения КПД принимаются следующие меры:

1. Повышение начальных параметров пара: Согласно термодинамике, КПД теплового цикла тем выше, чем выше температура рабочего тела (пара) на входе в турбину и чем ниже на выходе. Поэтому одной из главных мер является переход на сверхкритические (СКД) и ультрасверхкритические (УСКД) параметры пара, то есть повышение его начальной температуры (до 620 °C и выше) и давления (свыше 22,1 МПа). Теоретический предел эффективности тепловой машины описывается формулой цикла Карно: $ \eta = 1 - \frac{T_{холод}}{T_{нагрев}} $, где $T_{нагрев}$ и $T_{холод}$ — абсолютные температуры нагревателя и холодильника.

2. Применение промежуточного перегрева пара: Пар после расширения в цилиндре высокого давления турбины направляется обратно в котел для повторного перегрева, после чего поступает в цилиндры среднего и низкого давления. Это позволяет увеличить среднюю температуру подвода тепла к рабочему телу и, следовательно, повысить КПД.

3. Регенеративный подогрев питательной воды: Перед подачей в котел вода предварительно подогревается паром, отбираемым из промежуточных ступеней турбины. Это уменьшает потери тепла с уходящими газами и снижает расход топлива на производство пара.

4. Когенерация (теплофикация): Использование "отработанного" пара не только для конденсации, но и для полезных целей, таких как отопление жилых районов и промышленных объектов. Такие станции называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Суммарный КПД использования топлива на ТЭЦ (с учетом выработки и тепла, и электричества) может достигать 80-90%.

5. Использование парогазового цикла (ПГУ): Это наиболее эффективная на сегодня технология. В установках ПГУ сначала работает газовая турбина, сжигающая природный газ. Горячие выхлопные газы газовой турбины (с температурой около 500-600 °C) направляются в котел-утилизатор, где генерируют пар для дополнительной паровой турбины. Комбинация двух циклов позволяет достичь КПД свыше 60%.

6. Снижение потерь: Уменьшение потерь тепла в окружающую среду за счет качественной теплоизоляции, оптимизация процессов горения, снижение расхода электроэнергии на собственные нужды станции (работа насосов, вентиляторов и т.д.).

Ответ: Для повышения КПД ТЭС увеличивают начальные параметры пара (температуру и давление), применяют промежуточный перегрев пара и регенеративный подогрев воды, используют тепло отработанного пара для отопления (когенерация), а также внедряют парогазовые установки (ПГУ), которые комбинируют газотурбинный и паросиловой циклы.