Номер 3, страница 72, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

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

Процесс производства электроэнергии на ТЭС

Процесс производства электроэнергии на тепловой электростанции (ТЭС) основан на преобразовании энергии. Цепочка преобразований выглядит следующим образом: химическая энергия топлива → тепловая энергия пара → механическая энергия вращения турбины → электрическая энергия.

Основные этапы этого процесса:

1. Подготовка и сжигание топлива. В топке парового котла сжигается органическое топливо: угольная пыль, природный газ или мазут. В результате горения выделяется огромное количество тепловой энергии.
2. Производство пара. Эта теплота нагревает воду, циркулирующую по трубной системе котла. Вода превращается в пар, который далее перегревается до высоких параметров. На современных ТЭС температура пара может достигать 540-600 °C, а давление — 24 МПа (мегапаскалей) и выше.
3. Преобразование тепловой энергии в механическую. Перегретый пар под высоким давлением направляется на лопатки паровой турбины. Расширяясь и проходя через ступени турбины, пар отдает свою энергию, заставляя ротор турбины вращаться с высокой скоростью (обычно 3000 об/мин). Таким образом, тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения вала.
4. Производство электроэнергии. Вал турбины жестко соединен с валом электрического генератора. Вращение ротора генератора (электромагнита) внутри статора (неподвижных обмоток) наводит в обмотках статора электродвижущую силу (ЭДС) по закону электромагнитной индукции. Так механическая энергия преобразуется в электрическую.
5. Конденсация пара. Отработавший в турбине пар, потерявший большую часть своей энергии, давления и температуры, поступает в конденсатор. В конденсаторе он охлаждается циркулирующей технической водой (из реки, озера или специальной охладительной башни — градирни) и конденсируется, превращаясь обратно в воду (конденсат). Этот процесс создает глубокое разрежение на выходе турбины, что значительно увеличивает выработку энергии.
6. Замыкание цикла. Полученный конденсат с помощью насосов снова подается в паровой котел. Этот замкнутый пароводяной цикл (цикл Ренкина) позволяет многократно использовать одну и ту же воду.

Ответ: Процесс производства электроэнергии на ТЭС заключается в сжигании топлива для получения пара высокого давления, который вращает паровую турбину, соединенную с электрогенератором. Генератор преобразует механическую энергию вращения в электрическую. Отработавший пар конденсируется и возвращается в котел для повторного использования.

Меры для повышения КПД ТЭС

Коэффициент полезного действия (КПД) традиционных ТЭС, работающих по паросиловому циклу, составляет 35–45%. Это означает, что в электрическую энергию превращается менее половины энергии сгоревшего топлива. Для повышения эффективности принимаются следующие меры:

• Повышение начальных параметров пара. КПД теплового цикла напрямую зависит от разницы температур нагревателя (пар) и холодильника (конденсатор). Формула предельного КПД идеального цикла Карно: $ \eta = 1 - \frac{T_{хол}}{T_{нагр}} $. Поэтому, повышая начальную температуру и давление пара перед турбиной (используя сверхкритические и ультрасверхкритические параметры), можно существенно увеличить КПД станции.
• Промежуточный перегрев пара. Пар, пройдя через цилиндр высокого давления турбины, направляется обратно в котел для повторного перегрева. После этого он поступает в цилиндры среднего и низкого давления. Это позволяет увеличить среднюю температуру подвода тепла к рабочему телу и повысить термический КПД цикла.
• Регенеративный подогрев питательной воды. Перед подачей в котел вода (конденсат) подогревается в специальных подогревателях паром, который отбирается из промежуточных ступеней турбины. Это уменьшает расход топлива в котле, так как вода поступает в него уже подогретой.
• Когенерация (теплофикация). Это комбинированное производство электрической и тепловой энергии. Вместо того чтобы сбрасывать все тепло отработанного пара в окружающую среду через конденсатор, часть этого тепла используется для отопления, горячего водоснабжения или промышленных нужд. Станции, работающие в таком режиме, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Суммарный КПД использования топлива на ТЭЦ может достигать 80–90%.
• Применение парогазового цикла (ПГУ). Это наиболее современная и эффективная технология. Сначала природный газ сжигается в газотурбинной установке (ГТУ), которая вырабатывает электроэнергию. Затем горячие выхлопные газы ГТУ, имеющие температуру 500-600 °C, направляются в котел-утилизатор, где они нагревают воду и производят пар. Этот пар вращает паровую турбину, которая приводит в действие второй электрогенератор. Комбинация двух циклов (Брайтона и Ренкина) позволяет достичь КПД парогазовых установок (ПГУ) более 60%.
• Снижение собственных потерь. Уменьшение тепловых потерь через изоляцию, снижение расхода электроэнергии на собственные нужды станции (насосы, вентиляторы), оптимизация горения для минимизации потерь с уходящими газами и химического недожога топлива.

Ответ: Для повышения КПД ТЭС применяют: повышение начальных параметров пара, промежуточный перегрев пара, регенеративный подогрев питательной воды, когенерацию (комбинированную выработку тепла и электричества на ТЭЦ), а также используют наиболее эффективные парогазовые циклы (ПГУ), КПД которых превышает 60%.