ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАСЛИ

 

 

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАСЛИ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

 

Учебное пособие

 

Пособие посвящено начальному ознакомлению студентов специальности РЭГ с избранной специальностью. Состоит из двух блоков. В первом блоке изложены основные сведения об учебном плане специальности и рациональных методах учебной работы студентов. Описаны структуры и основные свойства электроэнергетической системы, наиболее распространенные потребители электрической энергии, принципы проектирования системы электроснабжения. Во втором блоке изложены основные особенности системы энергоснабжения промышленных предприятий и жилых районов, даются основные сведения о топливно-энергетическом комплексе, нетрадиционных источниках энергии, экологических проблемах энергетики.

По всему материалу приведены вопросы и задачи с ответами и решениями, методические рекомендации.

Введение

Дисциплина «Основы технологии отрасли» способствует установлению на ранней стадии связи студентов с избранной специальностью, стимулирует интерес к специальности, раскрывает её содержательность и актуальность в современных условиях.

Для успешного усвоения дисциплины необходимо знание математики, физики в объеме программы средней школы. Усвоение дисциплины должно способствовать успешному изучению базовых и профильных дисциплин. Целью изучения дисциплины является овладение знаниями об основах избранной специальности, требованиях к специалисту.

Задачей изучения дисциплины является усвоение основных особенностей и свойств электроэнергетической системы, принципов проектирования и эксплуатации системы электроснабжения, общих сведений об энергоснабжении промышленных предприятий и населенных мест.

Рекомендуется тщательно изучить материал лекций и решения задач. Затем необходимо попытаться самостоятельно ответить на вопросы и задания, не пользуясь сразу же ответами и решениями. Выяснить, в какой части материал уже достаточно усвоен, а в какой – требуется дополнительное изучение.

В результате изучения дисциплины студент должен:

· ознакомиться с общей структурной схемой электроэнергетической системы, типами электрических станций;

· знать основные элементы системы электроснабжения и связи между ними, режимы их работы;

· иметь общее представление о положении с энергоресурсами в мире и в России, об экологических проблемах энергетики;

· уметь применять знания по математике и физике к вопросам электроэнергетики;

· знать основное технологическое оборудование системы электроснабжения, знать правила его правильного выбора.

БЛОК1

Глава 1.
Рациональные методы изучения
дисциплин специальности

В самом начале учебы в колледже студенту следует поставить перед собой генеральную цель: стать полноценным специалистом, хозяином в своем деле. Такая психологическая установка – важный фактор успешной учебы. В худшем же случае формируется посредственный специалист, который, закончив учебное заведение, выполняет работу без увлечения и интереса, мало приносит пользы делу. Он не пользуется уважением в коллективе, не испытывает морального удовлетворения от результатов своей работы.

Ниже приводятся основные методические указания и рекомендации, выполнение которых способствует успешной учебе и становлению полноценного специалиста; они основаны на многолетнем опыте совместной работы преподавателей и студентов в нашем учебном заведении.

1. Учеба в профессиональном учебном заведении требует от студента постоянного и систематического напряжения сил, ритмичной, равномерной работы в течение семестра.

Только те знания являются прочными, долговременными, которые приобретены не наскоком, не кратковременным чрезмерным напряжением сил, а постепенно, в нормальном рабочем режиме, с повторением и закреплением учебного материала. Суммарное время работы студента за рабочие сутки должно быть примерно 10 часов (занятия по расписанию плюс самостоятельная работа). Бывает так: студент в течение семестра занимался недостаточно, но, обладая хорошими способностями, смог ценой чрезмерного напряжения сил в отведенное время (3–4 дня на один предмет) подготовиться и успешно сдать экзамены и зачеты. Однако, как правило, такие знания кратковременны; они в значительной мере стираются в памяти за считанные месяцы.

2. Учебный план, по которому учатся студенты, включает несколько циклов.

Общенаучный цикл (математика, физика, химия, информатика) является фундаментом для всей последующей учебы, поэтому ему необходимо уделить особое внимание. Нередко у студентов бытует глубоко ошибочное мнение: они считают, что значительная часть материала по математике и физике не является необходимой, не потребуется в будущей работе специалиста. Да, конкретно и непосредственно, возможно, и не все потребуется. Но изучение математики и физики формирует у специалиста общую интеллектуальную культуру, способность строго логического мышления, всестороннего и комплексного учета многих факторов, влияющих на тот или иной процесс, а все это насущно необходимо для решения множества конкретных практических вопросов на высоком научном и инженерном уровне – в процессе работы технолога, эксплуатационника.

Цикл общетехнических дисциплин (инженерная графика, электротехника, техническая механика и др.) является основой для последующего изучения специальных (профильных) дисциплин. Например, если студент посредственно изучил основы электротехники, то невозможно успешное изучение целого ряда дисциплин: электрооборудование электрических станций и подстанций, электроснабжение промышленных предприятий, электропривод и др.

Содержание дисциплин мировоззренческо-гуманитарного цикла (история Отечества, философия, социология, экономика, культурология) неизбежно отражает политические и идеологические воззрения преподавателя. Одна и та же дисциплина (например, «История Отечества») может излагаться разными преподавателями совершенно по-разному, поэтому студенты должны критически относиться к излагаемому материалу, проявлять самостоятельность, руководствуясь объективными историческими фактами, подлинными документальными материалами, а не домыслами и частными мнениями.

3. Все виды занятий (лекции, практические занятия, лабораторные работы) взаимно увязаны и составляют единый учебный комплекс. Решение задач на практических занятиях закрепляет теоретические знания. Выполнение лабораторных работ позволяет приобрести навыки экспериментатора, научиться пользоваться измерительными приборами, глубоко понять физический смысл тех или иных теоретических положений. Ко всем, без исключения, видам занятий следует относиться с должной ответственностью.

4. Ведение полноценного конспекта лекции – дело нелегкое, оно требует известного напряжения сил; на лекции нельзя расслабляться. Конспект лекций можно считать полноценным, если в нем не нарушена логика и связность текста и его может понять и усвоить студент, не знакомый ранее с текстом лекции. Необходимо вырабатывать навыки быстро схватывать основную мысль лектора, кратко и понятно записывать, широко применять сокращения слов, фраз. Опыт показывает, что количество знаков в сокращенной записи можно уменьшить на 30–40 % по сравнению с полной записью. Кроме общепринятых сокращений, каждый студент применяет свои собственные. Оптимальным по объему можно считать текст на 7–8 тетрадных страницах за 90 минут лекционного времени. Конспект следует дополнять, используя время самостоятельной работы. Дополнения следует писать на полях, которые надо обязательно предусматривать. В тех местах лекции, где не удалось пока разобраться, надо ставить вопросы (заметным цветом, например, выделителем текста) – для последующих консультаций и дополнительной работы.

В связи с тем, что учебная литература за последние 12–15 лет почти не издается, значение полноценного конспекта лекций возрастает. Лектор, используя многие источники (научные статьи, материалы конференций, материалы интернета и др.), отбирает главное, систематизирует и дает студентам в виде лекции, которая является в этом случае основным учебным материалом.

С учебной литературой, если она имеется, необходимо, по меньшей мере, ознакомиться, изучить по ней отдельные, наиболее сложные вопросы. Однако по некоторым дисциплинам (например, теоретические основы электротехники) углубленная систематическая работа с учебником обязательна в сочетании с работой по лекциям.

Желательно основную литературу постепенно приобретать, всегда иметь при себе. Например, книги по электротехнике, электрическим машинам, электроснабжению промышленных предприятий, «Правила устройства электроустановок», «Правила технической эксплуатации» и другая литература всегда необходимы в работе техника-электрика.

5. К задачам, решаемым в течение семестра, необходимо, с целью самопроверки и закрепления, возвращаться через значительное время (неделя и более): взять условие задачи и, не заглядывая в решение, попытаться решить ее как бы заново. Опыт показывает, что большинство студентов решает в этом случае не более 20–30 % задач, которые, казалось бы, ими были ранее поняты и решены. Поэтому, при решении задач (на практических занятиях, в часы самостоятельной работы) необходимо быть предельно внимательными, вести достаточно полные записи со всеми необходимыми пояснениями. В обязательном порядке следует проводить самопроверку; без нее вместо знаний и умений в большинстве случаев оказывается их иллюзия. Сравнительно небольшие дополнительные затраты времени позволяют надежно усвоить 100 % решаемых задач вместо 20–30 %, а это, в свою очередь, дает уверенность в усвоении теоретического материала, успешной сдаче экзаменов.

6. На лабораторных занятиях каждый студент должен стремиться самостоятельно выполнять работы, не надеясь на товарища (как это часто бывает), не быть сторонним наблюдателем. Необходимо самому собирать схемы, регулировать режимы, проводить измерения, анализировать результаты экспериментов.

В Московском энергетическом институте очень хорошие результаты дала такая методика проведения работ по релейной защите: каждому студенту предлагалось собрать схему релейной защиты, например, от коротких замыканий. Студент имел возможность изучить инструкцию, всю необходимую литературу, получить любую консультацию преподавателя. После заявления студента, что он готов к работе, ему предлагалось включить схему. Если загоралась зеленая сигнальная лампа, значит, схема собрана правильно, студент справился с работой. Если же после включения возникал сильный звук и вспышка, значит, произошло короткое замыкание. Понятно, что на этот случай в питающей схеме предусматривалась дополнительная защита, которая не допускала порчу лабораторного стенда, а звуковой и световой эффекты предусматривались специально при неправильной сборке схемы, и это производило на студента сильное психологическое воздействие. Он, обладая здоровым самолюбием, готовился к повторному выполнению работ весьма тщательно, и редко бывали случаи повторной неправильной сборки.

7. На втором курсе предусматривается ознакомительная (экскурсионная) практика на промышленных предприятиях. Экскурсии чередуются с аудиторными занятиями, на которых преподаватель подробно объясняет все, что студенты видели на экскурсии: приводятся соответствующие схемы, конструкции, технологические процессы. Студенты на экскурсии должны быть особенно внимательными, зрительно запоминать объекты экскурсии, вести беглые записи, готовить вопросы для аудиторных занятий и консультаций. Отчет составляется по материалам экскурсии, аудиторных занятий и консультации.

8. Пропуски занятий без уважительных причин – наиболее распространенное зло в процессе учебы студента. Если пропущено, к примеру, 10 % занятий, то нанесенный ущерб гораздо больше. Дело в том, что у каждой дисциплины есть своя логика: последующий материал связан с предшествующим. Пропустив одну лекцию и придя на следующую, студент не сможет ее понять. Нужны дополнительный труд, время, чтобы восполнить пробел. Но ведь даже при нормальной работе у студента всегда ощущается дефицит времени. Пропуски лишь усиливают этот дефицит и, в конечном счете, ставят студента в трудное положение.

Следует глубоко задуматься над указанной проблемой, понять ее возможные последствия и выработать у себя твердое внутреннее убеждение: пропуски недопустимы.

9. Для успешной учебы исключительно важен режим труда, отдыха и питания. По этой проблеме имеется обширная и доступная литература, с которой необходимо ознакомиться, выбрать полезное для себя и руководствоваться им. Опыт свидетельствует о том, что большинство студентов не имеет даже элементарных, совершенно необходимых знаний в указанной сфере. К примеру, 20–30 % студентов старших курсов страдают желудочно-кишечными заболеваниями. Причина: беспорядочное и неправильное питание. У многих физическое состояние – неудовлетворительное, но они не делают утреннюю зарядку.

10. Основные принципы взаимоотношений преподавателя и студента: взаимное уважение, сотрудничество в совместной работе по овладению знаниями и умениями. При необходимости студенты могут и должны в тактичной форме высказывать свои просьбы, пожелания преподавателю по проведению занятий. Не надо бояться задавать вопросы, если даже они окажутся иногда элементарными. Стараясь разобраться в учебном материале самостоятельно, необходимо, вместе с тем, широко пользоваться консультациями для освоения наиболее сложных вопросов.

11. Обстановка в студенческой группе весьма существенно влияет на учебный процесс. Дружба, взаимопомощь, совместный труд и взаимная требовательность формируют здоровый, творческий коллектив, благотворно влияют на всю студенческую жизнь, и наоборот, разобщенность, равнодушие друг к другу, индивидуализм, эгоизм мешают учебе, создают нездоровый морально-психологический климат в группе. Каждый студент должен всячески способствовать становлению полноценного коллектива для своего и общего блага.

Сибайский политехнический колледж (раньше он был горным техникумом) обладает интересной историей, замечательными традициями. В нем трудились и трудятся немало хороших педагогов, интересных личностей; его выпускники успешно работают по всей нашей стране и за рубежом.

Успешно работали и работают в колледже творческие художественные коллективы.

Комплекс зданий колледжа вместе с прилегающей территорией и улицами представляет собой законченный архитектурный ансамбль городского значения. Студенты, познав историю и традиции своего колледжа, станут его патриотами и активными работниками.

 

Вопросы и задания для самоподготовки

1.1. Почему ритмичность учебной работы студента имеет принципиально важное значение?

1.2. Назовите элементы единого учебного комплекса. В чем заключается их взаимосвязь?

1.3. Какие методы необходимо применять для прочного усвоения решения задач по математике, физике и другим дисциплинам?

1.4. Укажите приемы рационального ведения конспектов лекций.

1.5. Каковы основные условия успешной работы коллектива студенческой группы?

1.6. Назовите принципы взаимоотношений между преподавателями и студентами.

 

Глава 2.
Энергетическая система: структура,
основные элементы, функции

2.1. Основные типы электрических станций.
Главные свойства системы

Энергетическая система (ЭС), от которой питаются промышленные предприятия и населенные пункты, включает в себя электроэнергетическую систему (ЭЭС), системы тепло-, газо- и водоснабжения. Главными элементами ЭС являются электрические станции различных типов. Основной тип – тепловая электрическая станция (ТЭС). Вырабатываемый в парогенераторе пар направляется на турбину, которая является первичным двигателем для синхронного генератора (СГ), вырабатывающего электрическую энергию. Кроме паровых турбин, применяются газовые турбины. Раскаленный газ от сжигаемого топлива направляется непосредственно на турбину (в этом случае парогенератор – очень сложное устройство – не нужен).

На гидростанциях (ГЭС) турбина приводится во вращение потоком воды.

На атомных электростанциях (АЭС) тепловую энергию получают от атомного реактора и используют для выработки пара, направляемого на паровую турбину.

Часть электростанций вырабатывают для внешнего потребителя не только электрическую, но и тепловую энергию (ТЭЦ, АТЭЦ).

ЭЭС – это совокупность взаимосвязанных элементов, предназначенных для производства, преобразования и потребления электрической энергии. К основным элементам ЭЭС относятся генераторы, трансформаторы, выключатели, всевозможное вспомогательное оборудование, а также устройства управления и регулирования. Элементы ЭЭС связаны единством происходящих в них процессов.

Изменение режима работы любого элемента системы влияет на режимы работы всех остальных элементов. В одних случаях указанное влияние может быть незначительным и им можно пренебречь, а в других – влияние может быть весьма значительно.

Указанная взаимосвязь элементов объясняется тем, что все СГ системы в нормальном режиме работают параллельно и синхронно, т. е. с одной частотой (в нашей стране принята стандартная частота 50 Гц.). Таким образом, они составляют единый комплекс, как бы единый эквивалентный генератор.

Для поддержания в системе стабильной частоты должен соблюдаться баланс мощности, т. е. генерируемая мощность должна быть равна потребляемой. При существенном нарушении указанного баланса в системе будет изменяться частота, но при нормальном состоянии всех элементов системы такое изменение будет ограниченным по величине и времени.

Сеть 380/220 В

Сеть 380/220 В

Рис. 1. Схема электрической системы

Приведем примеры. При внезапном включении мощного потребителя (например, дуговой сталеплавильной печи мощностью 100 тыс. кВт.) генерируемую мощность невозможно мгновенно изменить – ведь для этого надо изменить режим работы станций. Поэтому частота начнет снижаться. Но в это время управляющие и регулирующие устройства дадут команду на соответствующие станции – увеличить выработку энергии. При выполнении команды частота придет в норму. При изменении баланса мощности в другую сторону (например, выключение той же печи) частота начнет повышаться. Будет дана команда на снижение выработки мощности, и частота стабилизируется, придет в норму.

Описанные процессы – это нормальные переходные процессы. Но бывают случаи, когда происходят крупные аварии и даже катастрофы. Об этом – в специальной лекции.

Типичная схема электрической системы приведена на рис. 1. Схема приведена в однолинейном изображении, т. е. под одной линией имеются в виду три фазы.

Ниже приводятся краткие сведения об основных элементах системы.

Синхронный генератор

Ротор генератора, на котором уложена обмотка возбуждения, приводится во вращение от турбины. Обмотка возбуждения через щетки и контактные кольца… Через полюса ротора создается постоянное во времени магнитное поле,…

Рис. 2. Схема синхронного генератора

Конструктивная схема шестиполюсного СГ представлена на рис. 2. Показаны сечения обмоток одной фазы (три обмотки, соединенные последовательно). В показанные на рисунке свободные пазы укладываются обмотки двух других фаз. Фазы соединяются в звезду или треугольник.

Трансформатор

Повышающий трансформатор устанавливается после генератора в начале линии электропередач (ЛЭП), понижающий – в конце. Необходимость применения… Передаваемая активная мощность Р = 300 МВт. При работе одной из двух цепей… ,

Выключатели

Объединение множества электрических станций, синхронных генераторов на параллельную работу – в систему – повышает надежность электроснабжения,…  

Вопросы и задачи для самоконтроля

2.1. Основные типы электрических станций и принципы их работы?

2.2.Что произойдет в системе при внезапном включении мощного потребителя?

2.3. Что произойдет при внезапном отключении потребителя?

2.4. Какое принципиальное преимущество имеют большие электроэнергетические системы (например, Единая система Европейской части России) по сравнению с малыми (например, автономная система Сахалина)?

 

 

Глава 3.
Потребители электрической энергии

В настоящее время существует огромное разнообразие потребителей электрической энергии, количество которых увеличивается. Научно-технический прогресс в основном идет за счет применения электрической энергии. Вместе с тем используются и потребители, применение которых началось многие десятки лет назад и даже более ста лет назад.

Ниже приводится краткая характеристика основных потребителей, которые питаются от системы электроснабжения.

Асинхронный двигатель

Принцип работы АД состоит в следующем. На неподвижной части машины – статоре – располагаются три одинаковые обмотки – фазы, сдвинутые по окружности… На вращающейся части машины – роторе – располагается обмотка ротора. Рис. 3. Соединение фаз по схеме «звезда» Рис. 4. Соединение фаз по схеме «треугольник»

Синхронная машина (генератор, двигатель)

Принцип работы: на роторе располагается обмотка, питаемая через кольца и щетки (скользящий контакт) от источника постоянного тока (электромашинный… В режиме х.х. (статорная обмотка отсоединена от сети), когда механический… Для работы генератора при заданной частоте 50 Гц должен соблюдаться баланс: энергия турбины равна энергии потребления.…

Электрические печи

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП). Самый мощный потребитель электроэнергии из всех известных – до 100 тыс. кВт.

В печь (рис. 5) опускаются три графитовых электрода (три фазы). Между фазами, между каждой фазой и шихтой возникает электрическая дуга – плавится сталь.

Рис. 5. Дуговая сталеплавильная печь

1 – стальной кожух; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – свод печи; 4 – электроды; 5 – механизм подъема электродов; 6 – дуга

Дальнейшее улучшение качества металла, полученного в ДСП, достигается его переплавкой в вакуумной дуговой печи (ВДП), в результате чего уменьшается содержание вредных примесей и растворенных газов.

Электрические печи сопротивления. Выделение тепла происходит при прохождении электрического тока по проводнику с высоким удельным сопротивлением (нихром, фехраль и др.). Выделяемая мощность определяется по формуле

,

где – напряжение;

– ток;

– сопротивление проводника.

На этом принципе работают утюг, электроплитка.

В промышленности применяются печи сопротивления мощностью порядка десятков кВт.

Индукционные электрические печи. Принцип работы таких печей поясняется на рис. 6. Обмотка, расположенная на стальном цилиндре, питается переменным током частотой 50 Гц. Создается переменное магнитное поле, проходящее по стальной стенке и замыкающееся по воздуху. В стальной стенке возникают вихревые токи, выделяется теплота, которая через пространство печи направляется к нагреваемому изделию. Мощность печей – до 100 кВт.

Рис. 6. Индукционная электрическая печь

Другой тип индукционной печи: переменное магнитное поле пронизывает среду, которую надо расплавить (например, алюминий). Непосредственно в этой среде возникают вихревые токи и выделяется тепло. Мощность печей порядка нескольких сот кВт. Во всех печах происходит преобразование электрической энергии в тепловую.

Этот тип печей применяется на Ростовском вертолетном заводе.

Печи графитации. В промышленности широко применяются разного рода графитовые изделия: электроды для ДСП (доменных сталеплавильных печей); плиты для облицовки емкостей с химически агрессивными средами; накладки для токосъемных устройств.

Для получения необходимой структуры графит должен подвергаться графитации – длительной выдержке при температуре 1830 °С. Нагрев производится электрическим током. Применяются два типа печей: на переменном и постоянном токах.

Внутреннее пространство печи, ограниченное изнутри огнеупорным материалом – шамотом, а снаружи – железобетонными плитами, заполняется заготовками графитовых изделий и засыпкой из кокса. Через эту сплошную массу из графита и кокса пропускается электрический ток (порядка 10 тыс. ампер) и выделяется тепло.

3.4. Технологические процессы, основанные
на применении электрической энергии

Электрошлаковые установки. Использование явления разогрева расплава соединений шлака до 2000 – 2300 К проходящим по нему током легло в основу высокоэффективных технологических процессов электрошлакового переплава (ЭШП) и электрошлаковой сварки (ЭШС). Эти процессы разработаны в институте электросварки им. Е.С. Патона и в значительной мере усилиями этого института распространены во многих странах.

Сущность ЭШП состоит в следующем (рис. 7). Расходуемый электрод из переплавляемого металла 1 погружается в слой электропроводного шлака 2, находящегося в водоохлаждаемом кристаллизаторе 3, закрытом водоохлаждаемым поддоном 4. Электрический ток протекает между электродом и поддоном через шлак, который имеет высокое электрическое сопротивление и интенсивно разогревается по закону Джоуля–Ленца. Находящийся в расплаве шлака торец электрода расплавляется, и капли металла, стекающие с электрода, проходят через шлак, где дополнительно разогреваются, очищаются от нежелательных примесей и собираются на дне кристаллизатора в виде слитка. В результате отвода теплоты в поддон и стенки кристаллизатора скапливающийся металл застывает в виде слитка 5, в верхней части которого находится ванна расплавленного металла 6. По мере оплавления электрод подается вниз. Между стенкой кристаллизатора и слитком образуется слой гарнисажа 7.

Рис. 7. Установка электрошлакового переплава

Электролизные установки питаются от источника постоянного тока (кремниевые выпрямители, питаемые переменным током). Явления выделения вещества на электродах при прохождении через электролит тока, а также процессы окисления или восстановления на электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей частицами вещества электронов, называются электролизом. Эти процессы применяются при производстве меди, цинка, алюминия; при нанесении покрытий (никелирование, хромирование, оцинковка, кадмирование).

Мощность установок – до десятков тысяч кВт.

Установки диэлектрического нагрева.Материалы, обладающие диэлектрическими свойствами (например, пищевые продукты, электроизоляционные материалы), подвергаются действию электрического поля высокой или сверхвысокой частоты (выше 1000 МГц). Под действием поля связанные электрические заряды (электроны, ионы, дипольные молекулы) совершают ограниченные перемещения или деформируются; при этом выделяется тепло.

Пример. В домашних условиях применяются СВЧ-установки для приготовления пищи.

Плазменный нагрев. За последние 40–45 лет широкое применение в промышленности получили плазменные технологические процессы и установки. Плазма – это состояние вещества (наряду с твердым, жидким и газообразным состояниями), когда оно состоит из свободных электронов и ионов. Пример низкотемпературной плазмы – электрическая дуга (температура 3–4 тыс. К).

С использованием плазменной технологии созданы новые материалы, обладающие особо высокими показателями – огнеупорностью, твердостью, прочностью. Создан ряд новых технологических процессов. Приведем примеры.

Плазмотрон мощностью 100 кВт режет стальную плиту толщиной 30 мм со скоростью 4 метра в минуту. Такие установки впервые разработаны в России. Точность резки – высокая; благодаря чему сводятся к минимуму подгоночные работы при сборке. При изготовлении атомных реакторов толщина стальной плиты достигает 230 мм – здесь также применяется плазменная резка. Плазменная сварка обеспечивает высококачественное соединение деталей из меди, латуни, бронзы, алюминия и его сплавов. Широко применяются плазменные наплавки и напыление.

Установки электронно-лучевого нагрева.Электронный луч – это направленный поток электронов, переносящий энергию от излучателя электронов к изделию. Электронно-лучевой нагрев применяется для обработки тугоплавких и химически активных металлов, сварки, испарения металлов и оксидов, выращивания монокристаллов, металлизации и напыления и т. д.

Технологическими преимуществами электронно-лучевого нагрева являются:

- возможность в широких пределах плавно изменять удельную энергию в зоне нагрева;

- большая удельная мощность (до нескольких МВТ);

- возможность управления пространственным положением луча с помощью магнитной системы;

- возможность использования вакуума как рабочей среды;

- возможность получения точной зоны действия электронного луча.

Лазеры. Открыты и разработаны одновременно в СССР и в США в 50‑х гг.; Нобелевские премии присуждены американскому физику Тауницу и советским академикам Басову и Прохорову.

Лазеры нашли широкое применение в промышленности, медицине, военной технике, информационной технике. Ими обрабатывают материалы практически любой твердости, металлы, алмазы, рубины и т. д. Лазерная резка широко применяется в электронной и микроэлектронной промышленности, при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Лазерная сварка наиболее эффективна в микроэлектронике.

Лазерное излучение абсолютно стерильно, поэтому оно используется в медицине для глазных операций, при остановке кровотечения, для предпосевной обработки семян.

Электроэрозийная обработка металлов. Основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, которая выделяется в канале электроискрового разряда между поверхностью обрабатываемой детали и электродом – инструментом.

Электроэрозийный способ позволяет обрабатывать токопроводящие материалы любой механической прочности, вязкости, хрупкости, получать детали сложных форм и осуществлять такие операции, которые не могут быть выполнены другими методами.

Электрогидравлическая обработка материалов основана на эффекте Юткина. Электрогидравлический эффект – это возникновение высокого давления в результате высоковольтного электрического разряда между погруженными в непроводящую жидкость электродами. За счет энергии импульсной ударной волны, распространяемой вокруг канала разряда в рабочей среде, возникает давление до 300 МН/м² (3000 атм).

Технологическое использование: очистка литья от формовочной земли; формообразование –процесс получения фасонных изделий из тонколистового материала с использованием направленных ударных волн высокой интенсивности, возникающих в жидкости при импульсном электрическом разряде; тонкое измельчение очистки сточных вод от загрязнений.

Ультразвуковые технологические установки. Ультразвук, частотой до 10⁵ кГц оказывает механическое воздействие на материал.

Технологические применения: очистка сточных вод; нагрев в объеме материала; разделение молекул и частиц различной массы; коагуляция; диспергирование; дегазация; контроль качества изделий (например, обнаружение трещин в ответственных деталях).

Электростатические промышленные установки, например, электрофильтры, установлены на обогатительной фабрике в г. Учалы для очистки дымовых газов от пыли.

Вопросы и задания для самоконтроля

3.1. Какие магнитные поля создаются в асинхронном двигателе и как они взаимодействуют?

3.2. Какими свойствами должна обладать футеровка ДСП (дуговых сталеплавильных печей)?

3.3. Какой характер имеет график нагрузки ДСП?

3.4. Каким образом выделяется тепло в индукционной печи и как оно передается нагреваемому изделию?

3.5. Перечислите основные бытовые потребители электроэнергии и приведите их краткую характеристику.

 

 

Глава 4
Принципы проектирования системы электроснабжения

Основные этапы проектирования

По разработанным методикам определяется положение источника питания – главной понизительной подстанции (ГПП). К ГПП питание подводится от… Цеховая сеть – четырехпроводная (рис. 8): три фазы (А, В, С); напряжение между…

Рис. 8. Цеховая сеть

 

Трехфазное напряжение используется обычно для асинхронных двигателей, печей и других трехфазных потребителей, а напряжение 220 В – для осветительных приборов, сварочных установок и других однофазных потребителей.

Рассмотрим принципы построения заводской сети напряжением 10 кВ на основе приведённого на рисунке генплана электромашиностроительного предприятия. На генплане указано расположение ТП и ГПП (рис. 9). Мощность трансформаторов ГПП определяется по результатам расчета нагрузки всего предприятия. Из соображений надежности на ГПП устанавливается не один, а два трансформатора. Их загрузка в номинальном режиме зависит от категории потребителей. Для I категории загрузка принимается 50 %, т. е. при выходе из строя одного трансформатора оставшийся в работе трансформатор будет загружен на 100 %.

Для II категории потребителей загрузка выбирается 65 – 70 %. В этом случае оставшийся в работе один трансформатор будет перегружен на 20 – 30 %, что допускается на ограниченное время. Каждый трансформатор работает на свою секцию шин; между секциями предусматривается возможность соединения через выключатель. В нормальном режиме работы, когда работают оба трансформатора, секционный выключатель разомкнут. При отключении одного из трансформаторов секционный выключатель включается, и все нагрузки питаются от одного трансформатора. Таким образом обеспечивается взаимное резервирование трансформаторов. Переключение на режим работы с одним трансформатором производится автоматически, в течение 0,08–0,10 с – система автоматического включения резерва (АВР).

Схемы соединения потребителей

2. Электропотребители котельной – это в основном асинхронные двигатели (I категория); подсоединяются по радиально-магистраль­ной схеме с взаимным… 3. Потребители сталелитейного цеха подсоединяются по той же схеме, что и… 4. То же – потребители чугунолитейного цеха.

Рис. 10. Схема питания компрессоров

Рис. 11. Схема питания котельной

Рис. 12. Схема питания электромашинного и аппаратного цехов

Рис. 13. Схема питания вспомогательных цехов

Вопросы и задания для самоконтроля

4.1. Какие факторы учитываются при выборе места расположения и мощности цеховой подстанции (ТП)?

4.2. Чем объясняется широкое применение четырехпроводной цеховой сети напряжением 380/220 В?

4.3. Принцип работы системы автоматического включения резерва (АВР). Для каких категорий потребителей применение этой системе обязательно?

Задачи к блоку 1

Нижеприведенные задачи по уровню сложности рассчитаны на знания по математике и физике в объеме средней школы, а также на использование материала лекций плюс интуиция и логическое мышление студентов. Выполнение задач дает студентам наглядное представление о своей специальности.

Задачи

1. Из шести одинаковых отрезков изолированного провода выполняется шесть различных конфигураций, приведенных на рис. 14.

d > L

d < L

Рис. 14. Варианты конфигураций провода

Сравнить электрические сопротивления на постоянном токе, на переменном синусоидальном токе.

Объяснить полученные результаты.

2. Первичная обмотка трансформатора содержит 100 витков; вторичная обмотка состоит из четырех секций по 25 витков каждая.

Рис. 15. Схема обмоток трансформатора

Вариант 1 расположения начал и концов секций, направление их намотки (левая, правая) приведены на рис. 15.

Другие варианты

Вариант 2:

лев.; лев.; прав.; прав.

Н-К К-Н Н-К К-Н

Вариант 3:

лев.; лев.; лев.; лев.

Н-К Н-К Н-К Н-К

Вариант 4:

лев; прав.; прав.; лев.

Н-К К-Н Н-К К-Н

В каждом варианте соединить секции вторичной обмотки таким образом, чтобы получить подварианты с величиной напряжения на выходных зажимах в %% от первичного напряжения: 0; 25; 50; 75; 100 %.

Все секции должны быть использованы.

3. Даны два варианта воздушной линии электропередач: с алюминиевым проводом; с медным проводом. Найти отношение диаметров и масс проводов при условии, что они имеют одинаковое активное электрическое сопротивление.

Принять величины удельных электрических сопротивлений:

для алюминия = 0,03 Ом·мм²/м;

для меди = 0,0175 Ом·мм²/м.

Плотности: =2700 кг/м³, =8900кг/м³.

4. Определить расположение главной понизительной подстанции (ГПП) промышленного предприятия при известном расположении электропотребителей и известной их мощности.

На рис. 16 в масштабе показано расположение потребителей; площадь круга пропорциональна мощности потребителя.

Рис. 16. Расположение электропотребителей на генплане

По какому критерию следует определять положение ГПП и какие факторы должны при этом учитываться?

5. Даны две катушки со следующими данными: катушки геометрически подобны; отношение линейных размеров равно 2; катушки намотаны из одного и того же провода с одинаковым коэффициентом заполнения; толщина и материал наружной изоляции одинаковы; плотность тока одна и та же; условия теплоотдачи в окружающую среду одинаковы (например, естественное воздушное охлаждение). Определить приближенно отношение перегревов обмоток в установившемся тепловом режиме.

6. Дан соленоид – сердечник из ферромагнитного материала с обмоткой. У торца сердечника может быть помещен экран (рис. 17)

Рис. 17. Соленоид с экраном: 1 – сердечник; 2 – обмотка; 3 – экран

Сравнить сопротивления обмотки переменному синусоидальному току при частоте = 50 Гц в следующих вариантах; соленоид без экрана; с экраном из ферромагнитного материала (напр., электротехническая сталь); с экраном из немагнитного материала (напр., алюминий, медь); с экраном из немагнитного материала – сверхпроводника (спе­циальный сплав, помещенный в жидкий гелий). Указать направление сил, действующих на экран. Решить задачу при частоте питающего напряжения = 0 (постоянное напряжение)

Рис. 18. Разрез обмотки реактора

7. На рис. 18 приведен разрез обмотки токоограничивающего реактора, предназначенного для ограничения токов коротких замыканий в сетях электроснабжения.

Указать направление сил, действующих на отдельные проводники и на обмотку в целом.

 

Рис. 19. Движение рамки в магнитном поле

8. Плоская проводящая рамка проходит зону постоянного во времени магнитного поля (рис. 19). Плоскость рамки перпендикулярна направлению поля.

Изобразить вид графиков ЭДС, наводимых в рамке, в функции пути при движении ее через зону магнитного поля (вход, нахождение в зоне поля, выход) в следующих вариантах: скорость = 100 %, ; = 100 %, ; = 100 %, ; = 200 %, .

Все графики ЭДС нанести на один рисунок в одинаковом масштабе (для сравнения графиков).

9. Определить расчетный ток для выбора сечения кабеля в установившемся тепловом режиме при заданном суточном графике изменения тока (рис. 20).

Установившийся тепловой режим кабеля наступает через 0,5 часа после включения тока, неизменного в течение указанного времени.

10. Выбрать мощность цехового трансформатора при известном суточном графике потребления мощности (рис. 21).

Установившийся тепловой режим трансформатора наступает через 8 часов с момента включения под постоянную, в течение 8 ч нагрузку.

Рис. 20. Суточный график изменения тока кабеля

Рис. 21. Суточный график изменения мощности трансформатора

11. Три фазы цеховой сети, выполненные изолированными проводниками, все вместе помещаются (для защиты от механических повреждений) в стальную трубу. Почему нельзя помещать в стальную трубу каждую фазу отдельно? Можно ли помещать каждую фазу отдельно в дюралевую трубу?

12. Даны три электрические схемы (рис. 22, 23, 24).

Рис. 22. Схема с активно-индуктивным сопротивлением

Рис. 23. Схема с активным сопротивлением

Рис. 24. Схема с емкостно-активным сопротивлением

 

Изобразить для каждой схемы вид графика изменения тока во времени при включении на источник постоянного напряжения.

Как изменится график при изменении:

– сопротивления (рис. 22);

– отношения (рис. 23);

– произведения (рис. 24)?

Библиографический список

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Учеб. для студ. энергетических и электротехнических вузов. 6-е изд., перераб. и доп., М.: Высш. шк., 1973. – 750 с.

2. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: Учеб. для студ. вузов. М.: Энергоатомиздат, 1995. – 414 с.

 

Рис. 26. Схемы соединений левых обмоток

5. В геометрически подобных катушках при отношении линейных размеров 1:2 отношение объемов равно 1:2³=1:8, а отношение поверхностей теплоотдачи в окружающую среду равно 1:2²=1:4

Мощность, выделяемая в катушке, определяется по формуле

,

где – масса проводникового материала; – объем; – плотность; – удельное электрическое сопротивление.

Мощность, выделяемая в окружающую среду с единицы поверхности меньшей катушки равна 1 (относительная величина), а большей катушки 8:4=2. Это означает, что при одинаковых условиях теплоотдачи перегрев большей катушки в два раза выше.

6. По величине сопротивления обмотки переменному току варианты располагаются в следующем порядке (от большего сопротивления к меньшему): с ферромагнитным экраном, без экрана, с немагнитным экраном, со сверхпроводящим немагнитным экраном.

На постоянном напряжении экраны не влияют на сопротивление обмотки.

Ферромагнитный экран притягивается к торцу соленоида, немагнитные экраны – отталкиваются.

Для объяснения указанных результатов необходимо применить принцип электромагнитной индукции и оценить сопротивление прохождению магнитного потока в окружающей соленоид среде для каждого варианта.

7. В сечении катушки существуют точки О (рис. 27), к которым направлены силы , действующие на проводники обмотки.

О

О

Рис. 27. Схема действия сил в обмотке реактора

 

Точки расположены ближе к наружной цилиндрической поверхности катушки, чем к внутренней. Поэтому обмотка – кольцо работает на разрыв и вместе с тем обмоточное окно стремится сжаться к указанным точкам.

8. Применяя принцип электромагнитной индукции, можно утверждать следующее: в процессах вхождения рамки в зону магнитного потока и выхода из нее потокосцепления рамки изменяются; соответственно, наводится ЭДС. На рис. 28 показаны графики ЭДС для случая при постоянной скорости движения рамки.

а

b

а

Рис. 28. График ЭДС при движении рамки

Если ширина рамки меньше ширины магнита, то на определенном интервале движения рамки потокосцепления не меняются, и ЭДС наводиться не будет. Величина ЭДС пропорциональна скорости движения рамки. Конкретные варианты задания выполнить самостоятельно.

9. На приведенном графике (см. рис. 20) получасовой максимум соответствует току 500 А – это и будет расчетный ток кабеля.

10. На приведенном графике (рис. 21) восьмичасовой максимум соответствует току 600 А – это и будет расчетный ток трансформатора. Если характер графика таков, что за любой восьмичасовой интервал нагрузка существенно меняется, то следует в качестве расчетной брать среднюю нагрузку за наиболее загруженный интервал.

11. Если в стальной трубе помещены три фазы – три кабеля, то их магнитные поля почти полностью взаимно компенсируются притом, что алгебраическая сумма токов в любой момент времени равна нулю (симметричная нагрузка фаз), магнитный поток, замыкающийся по стальной стенке трубы, близок к нулю, нагрева вихревыми токами не будет.

Если же каждая фаза помещена в отдельную трубу, то магнитный поток будет замыкаться по трубе, нагрев – порядка сотен градусов.

В дюралевую трубу отдельную фазу помещать можно, т. к. дюраль – немагнитный материал, его относительная магнитная проницаемость равна единице. Для стали величина равна порядка тысяч единиц. Поэтому магнитный поток в стальной трубе в тысячи раз больше. Нагрев пропорционален квадрату индукции.

12. В схеме с активным сопротивлением (см. рис. 23) при включении на постоянное напряжение ток устанавливается практически мгновенно (рис. 29).

В схеме (см. рис. 22) ток нарастает по экспоненте; время достижения установившегося тока зависит от постоянной времени (рис. 30).

Время переходного процесса в реально применяемых схемах – до величины порядка секунд, т. е. ток нарастает медленно (электромагнитная инерция).

Рис. 29. Изменение тока в цепи с активным сопротивлением

Рис. 30. Изменение тока в цепи с индуктивным сопротивлением

Рис. 31. Изменение тока в цепи с активно-емкостным сопротивлением

В схеме (см. рис. 24) ток устанавливается практически мгновенно (за время порядка тысячных долей секунды), а затем спадает по экспоненте до нуля. Время спадания зависит от постоянной времени (рис. 31).

Блок 2

Глава 5
Структура энергоснабжения промышленных предприятий и жилых районов

Основные энергетические ресурсы

– электрическая энергия. Она поступает в большинстве случаев от системы, а в некоторых случаях ПП имеют также собственные ТЭЦ (выработка… – тепловая энергия. Крупные и средние предприятия имеют, как правило,… – природный газ. Используется в качестве топлива для котельных, сталеплавильных печей, небольших котлов для отдельных…

Пример 1

Вариант 1. Электрическая энергия – двигатель – компрессор – сжатый воздух – и далее по назначению.

Вариант 2. Энергия сжигаемого газа – газовая турбина – компрессор – сжатый воздух – и далее по назначению.

Вариант 1 применяется при мощностях порядка нескольких МВт, а вариант 2 – при мощностях порядка десятков МВт и особенно выгодно – при наличии на предприятии сбросных горячих газов, температура которых около 700 °С.

Пример 2

Вариант 1. Электрическая энергия – двигатель – компрессор – сжатый воздух – установка для очистки сточных вод (аэротенк) – барботаж через фильтросные пластины (рис. 32).

Пузырьки воздуха проходят через фильтросные пластины; на поверхности пузырьков адсорбируются загрязнения и в виде пены выходят на поверхность сточной воды. Затем пена сдувается вентилятором в специальные лотки. КПД установки – 15–20 %.

Рис. 32. Барботажная установка;

1 – флотированная пена с загрязнениями; 2 – сточная вода; 3 – бак; 4 – пузырьки воздуха; 5 – фильтросные пластины (пористая керамика, через которую продавливается сжатый воздух); 6 – камера сжатого воздуха

Вариант 2. Электрическая энергия – двигатель – аэратор – пузырьки воздуха (рис. 33).

Рис. 33. Аэрационная установка:

1 – аэратор; 2 – бак; 3 – сточная вода; 4 – пузырьки воздуха; 5 – флотированная пена с загрязнениями

Набор аэраторов насаживается на общий вал, соединяемый через муфту с валом электродвигателя. Часть аэратора (примерно 55 %) находится в воздухе, а другая часть (45 %) – в воде. Аэратор представляет собой систему из тонких проволочных стальных колец, расположенных концентрически. Эти кольца соединяются радиальными эвольвентного вида элементами, закрепленными в ступице. При вращении аэратора поверхность проволок захватывает воздух и в виде мелких пузырьков нагнетает его в сточную воду. Остальной процесс – как в варианте 1. КПД – 60–70 %, т. е. в 4 раза выше, чем в 1 варианте.

Пример 3

Вариант 1. Электрическая энергия – двигатель – компрессор – сжатый воздух – пескоструйный (или дробеструйный) аппарат для очистки стального литья – КПД –15–20 %.

Вариант 2. Электрическая энергия – двигатель – турбинка с выбросом песка или дроби для очистки стального литья. КПД –60-70 %.

Структурная схема энергоснабжения предприятия электромашиностроительной промышленности (НЭВЗ) приведена на рис. 34, 35.

Рис. 34. Структурная схема энергоснабжения завода

Рис. 35. Структурная схема электроснабжения

Из всех видов энергии особая роль принадлежит электрической энергии. Она применяется в наиболее сложных и прогрессивных технологических процессах. Многие процессы могут быть осуществлены только электрической энергией – например, выплавка особо качественных сталей, получение сверхчистого алюминия (фольга), поверхностная закалка рельсов. Без электрической энергии невозможно функционирование вычислительных центров, узлов связи, систем управления.

В табл. 1 приведен перечень электродвигателей, применяемых в котельной.

Таблица 1

Наименование оборудования	Кол-во	Примечание
Подпиточный насос, дв. 17 кВт Рециркуляционный насос, 40 кВт Сетевой насос, 630 кВт Электровентилятор, 10,2 кВт Вентилятор, 55 кВт Дымосос, 75 кВт Вентилятор, 250 кВт Дымосос, 160 кВт Воздуходувка, 90 кВт Насос горячего водоснабжения		Вес 26 тонн Вес 26 тонн Вес 26 тонн Вес 26 тонн Вес 1164 кг Вес 1164 кг Вес 8467 кг Вес 17 тонн Вес 2389 кг Вес 1233 кг

 

Суммарная установленная мощность 4033 кВт. Очевидно, что при отключении электроэнергии котельная работать не сможет. Автономные резервные источники питания (например, дизель-генераторные установки) на такую мощность обеспечить практически невозможно.

Вопросы и задания

5.1 Дайте оценку состояния магистральных теплопроводов в г. Новочеркасске.

5.2 В каких случаях малые котлы применять выгоднее, чем большие районные котельные?

5.3 В чем заключается особое значение электрической энергии в системе энергоснабжения? Почему система теплоснабжения не может функционировать без системы электроснабжения?

5.4 Чем объяснить низкий КПД устройств с применением сжатого воздуха?

5.5 Составить структурную схему энергоснабжения завода с указанием основных блоков.

Глава 6
Состояние и перспективы развития
топливно-энергетического комплекса (ТЭК)
в мире и в России

Разведанные запасы органического топлива

Потребление энергетических ресурсов (ЭР) в разных странах крайне неравномерно. Страны так называемого «золотого миллиарда» (США, Англия, Германия,… США, оставшись единственной сверхдержавой мира, отбросив все международные… Данные по разведанным запасам и геологическим ресурсам органического топлива приведены в табл. 2.

Таблица 2

Вид топлива	Разведанные запасы (млрд т у. т.)	Геологические запасы (млрд т у. т.)	Всего (млрд т у. т.)
Твердое топливо
Нефть
Нетрадиционные запасы нефти
Природный газ
Итого:

 

Теплотворная способность условного топлива – 29,33 МДж/кг; нефти – 38–40 МДж/кг; газа – 33–36 МДж/м³; угля – 25–35 МДж/кг.

«Геологические ресурсы» — еще не разведанные, но научно прогнозируемые запасы. «Нетрадиционные залежи нефти» — нефтеносные слои; нефть изымают специальными технологическими процессами.

6.2. Перспективы использования
энергетических ресурсов

При нынешнем уровне потребления запасов нефти и газа хватит на 40–50 лет, угля – на 200–250 лет. Из этих цифр можно сделать следующее исключительно важное заключение. Выход 5,5 млрд населения Земли на уровень «золотого миллиарда» (по душевому потреблению ЭР) принципиально невозможен по двум причинам: а) увеличение мирового потребления ЭР в 20 раз невозможно, т. к. при таком увеличении нефти, газа хватит всего лишь на несколько лет, а угля – на 15–20 лет; б) если допустить, что в мире будет осуществлено многократное увеличение потребления ЭР, то не выдержит природная среда.

Вместо разбойничьего порядка, насаждаемого «золотым миллиардом» во главе с США, человечеству необходимо постепенно переходить к справедливому порядку в мире, выравниванию жизненного уровня в разных странах.

Положение с ЭР для атомных электростанций (АЭС) выглядит следующим образом. Запасы урана оцениваются в 9600–12100 тыс. т. При нынешнем потреблении 45 тыс. т/год урана хватит на 200 лет. При АЭС на быстрых нейтронах ресурсы станут практически неограниченными (см. книгу акад. В.А. Кириллина «Энергетика. Главные проблемы»).

Нетрадиционные источники энергии (солнечно-ветровая, геотермальная энергия; биомасса; приливные электростанции) обеспечивают в настоящее время уровень порядка нескольких процентов потребления ЭР. Значительное увеличение в обозримом будущем не прогнозируется.

Ниже приводится краткая характеристика основных видов ЭР.

Уголь. Ресурсы угля на земном шаре многократно превышают залежи нефти и газа вместе взятые. Разработаны технологии газификации и сжижения угля, что позволяет получать из угля моторное топливо, упростить транспортировку. Все это объективно предопределяет возрастание его доли в общем энергетическом балансе. В период войны 1941–1945 гг. фашистская Германия вырабатывала бензин из угля.

Однако при сжигании угля имеет место серьезная экологическая проблема: выделение в атмосферу пыли, окислов азота, серы. При соединении окислов серы с атмосферной влагой образуется серная кислота, выпадают так называемые «кислотные дожди», которые губительно действуют на сады, огороды (например, в 1999г. в районе г. Новочер­касска из-за «кислотных дождей» был загублен яблоневый цвет).

В научно-техническом плане экологическая угольная проблема в значительной мере решена. Пыль задерживается электрофильтрами на 99 % (такие фильтры установлены на ОФ г. Учалы). Появились (в частности, в Германии) ТЭС с известковыми фильтрами, задерживающими 70 % окислов азота и серы. Однако при этом КПД станции существенно снижается. Учитывая утилизацию серы, азота, уменьшение «кислотных дождей», – применение известковых фильтров явно целесообразно.

В нашей стране таких станций нет. В 1985 г. был разработан проект Красно-Сулинской ГРЭС (Ростовской обл.) с известковыми фильтрами, но не был осуществлен.

Серьезная проблема – транспортировка угля на дальние расстояния. Эта проблема особенно актуальна для нашей страны при ее больших расстояниях. Залежи угля в основном расположены в Сибири, а промышленность – в Европейской части страны. При дальности свыше 1000 км перевозка угля по железной дороге не рентабельна. Однако и здесь найдено принципиальное решение: транспортировка угля в угольно-водной пульпе по трубам (перекачка). В США такой проект осуществлен; уголь транспортируется на расстояние до 4 тыс. км.

Нефть. Этот ЭР остается основным видом первичных топливно-энергетических ресурсов. Добывается и потребляется она в огромных количествах. Например, в США для выработки бензина расходуется около 400 млн т нефти в год (в стране около 170 млн автомобилей), еще примерно столько же расходуется в химической промышленности и энергетике.

Технический прогресс дал методы повышения нефтеотдачи пластов закачкой СО₂, поверхностно-активных эмульсий, полимеров. Осваивается глубокое и сверхглубокое бурение. Но при всем этом напряженность со снабжением нефтью возрастает, нефть становится все более дефицитной.

Для транспортировки нефти, мазута применяются: нефтепроводы с трубами диаметром до 1,5 м, со сложнейшими перекачивающими станциями; танкеры водоизмещением до 800 тыс. т. Очень серьезная экологическая проблема в этом случае: при аварии на таком танкере и вытечке нефти губится животный и растительный мир на огромных площадях.

Природный газ. Имеет весьма важное значение благодаря ряду преимуществ по сравнению с другими ЭР: высокая теплотворная способность, легкость регулирования процесса горения, экологическая чистота, легкая возможность дробления подачи по массе потребителей. Находит широкое применение в промышленности (как сырье для производства пластмасс и как топливо), энергетике, быту. Является дефицитным в силу ограниченности запасов.

Транспортировка газа на большие расстояния – серьезная проблема. Применяются два вида транспортировки: 60 % по трубам (в газообразном или жидком состоянии) и 40 % в баллонах (сжиженный).

Тюменский газ транспортируется по газопроводу на расстояние свыше 4 тыс. км под давлением 5–10 МПа; диаметр труб – до 2 м. Газоперекачивающие станции очень сложны; каждая станция, по сути дела, — целый завод. Единичная мощность компрессорных агрегатов – 6–25 МВт. Средних размеров агрегат весит 1505 кг. Так что перекачка самого дешевого топлива – газа обходится очень и очень недешево, с большими затратами металла, энергии, труда.

Исключительно интересной и важной является разработка Институтом сварки им. О. Е. Патона: изготовление для газопроводов труб большого диаметра навивкой по спирали из полосы в несколько слоев, с последующей проваркой шва под слоем флюса. Этот проект был осуществлен после того, как ФРГ отказалась поставлять в СССР трубы большого диаметра, надеясь поставить нашу страну в безвыходное положение. По трубам перекачивают и сжиженный газ; при этом пропускная способность трубопровода (при сохранении его диаметра) увеличивается в 4–5 раз.

Весьма перспективен и так называемый твердый газ. Одна из форм нахождения газа в природе – твердый природный газогидрат, один кубометр которого содержит примерно 200 м³ газа.

В зимнее время на обычных газопроводах образуются гидратные пробки, закупоривающие газовую магистраль и приводящие к авариям. Такие факты имели место в Карелии (декабрь 2002 г.), когда мороз достигал 48 °С.

Гидростанции (ГЭС) обеспечивают примерно 7 % в мировом энергетическом балансе; в электробалансе – 21 %. По странам: США- 11 %; Япония – 13 %; Швеция – 53 %; Канада – 68 %; Норвегия – 100 %; СССР – 10 %.

В промышленно развитых странах источники гидроэнергии в основном использованы. Большие резервы имеются в Азии, Латинской Америке.

Атомная энергетика. На АЭС приходится около 16 % мирового производства электроэнергии. По странам: Франция – 71 %; Бельгия – 65 %; Швеция – 42 %; Швейцария – 40 %; Финляндия – 38 %; Болгария – 32 %; ФРГ – 31 %; Япония — 27 %; США – 16 %; СССР – 7 %.

Чернобыльская катастрофа замедлила развитие атомной энергетики. Разрабатываются более надежные атомные реакторы. Остается нерешенной проблема надежного захоронения огромного количества радиоактивных материалов, остающихся после погашения АЭС (их срок эксплуатации – 30–40 лет).

6.3. Нетрадиционные возобновляемые
источники энергии

Основное, что уже освоено: использование биомассы для получения топлива (например, в Бразилии 10 % моторного топлива – это спирт из биомассы); гелиоустановки (тепло, электроэнергия), ветровые установки. В целом доля их пока невелика, научно-исследовательские работы продолжаются.

Установки в основном эффективны в отдаленных районах, где нет местного топлива, не подведена электрическая система (северные районы).

Состояние и перспективы энергоснабжения

При общем росте энергопотребления в мире электропотребление растет более высокими темпами. Электрификация имеет крупное инфраструктурное значение,… При Советской власти ТЭК развивался опережающими темпами, что и обеспечивало…

Вопросы и задания

6.1. Возможно ли, в принципе, устранение неравномерности потребления энергоресурсов в мире?

6.2. Дайте оценку фактору резкого сокращения добычи угля в России.

6.3. Какие опасности существуют при транспортировке нефти?

6.4. Чем объясняют более высокие тепы роста потребления электрической энергии по сравнению с другими видами энергии?

 

 

Глава 7
Нетрадиционные возобновляемые
источники энергии (НВИЭ)

Запасы органического топлива ограничены. Их использование приводит к все большему загрязнению окружающей среды, к росту температуры атмосферы земли. Атомная энергетика имеет свои проблемы и, в частности, захоронение радиоактивных отходов.

По указанным причинам человечество стремится освоить НВИЭ: солнечная энергия, энергия ветра, биомассы, морских волн и приливов.

Преимущества и недостатки НВИЭ

В настоящее время и в обозримом будущем основными источниками энергии останутся углеводородное топливо и ядерное горючее. Одновременно следует… Пределом повышения суммарной (на Земле) мощности традиционных энергоустановок… 7.2 Коллекторы и концентраторы солнечной энергии (КСЭ)

Рис. 36. Коллектор солнечной энергии

 

Принцип работы КСЭ: световые лучи проходят через панель 2, поглощаются экраном 3 и трубками 4, которые, нагреваясь, излучают инфракрасные лучи; панель 2 их не пропускает. Таким образом, получается как бы солнечная ловушка: энергия в коллектор проходит и уносится по трубам 4. Совокупность элементов 3 и 4 называют абсорбером.

Для повышения КПД КСЭ используются следующие методы:

1. Нанесение селективных пленок на абсорбер. Эти пленки изготавливают из черного хрома и черного никеля на металлической подложке. Пленки черного цвета, поглощают солнечные лучи. Вместе с тем, их излучательная способность в инфракрасной области очень низка.

2. Применение высококачественной теплоизоляции КСЭ.

3. Вакуумирование коллекторов – для уменьшения интенсивности переноса теплоты от поверхности абсорбера к корпусу коллектора теплопроводностью и конвекцией. Известно, что снижение давления до 0,01 мм рт. ст. практически полностью исключает теплопроводность и конвекцию в воздушной среде.

Рис. 37. Элемент вакуумированного коллектора

Элемент вакуумированного коллектора (рис. 37) выполняется в виде стеклянной трубки; внутри – солнечноприемный экран 1, трубка 2 – для теплоносителя. Для подавления конвекции свободное пространство внутри трубки заполняется про­зрачной пластмассой.

Трубки монтируются в модули. Нагрев возможен до 300 °С (для вакуумированных КСЭ) и до 100 °С – для не вакуумированных.

Концентраторы. Это устройства в виде зеркал, линз. Зеркала изготавливаются из полированного металла, линзы – из стекла или пластмассы. Могут выполняться поворотными («слежение» за солнцем), используются в больших количествах в гелиоэлектростанциях для приема солнечной энергии и направления ее на паровой котел.

Для солнечной электрической станции (СЭС) даже небольшой мощности требуется значительное количество зеркал. Так, например, на Крымской СЭС мощностью 5 МВт на поле радиусом 200 м установлено 1600 зеркал, а котел находится на башне высотой 80 м.

Рис. 38. Модуль солнечной электростанции

За рубежом построены и успешно эксплуатируются десятки СЭС башенного типа мощностью 5–100 МВт. Их главные недостатки: высокая стоимость и большая занимаемая площадь.

Более совершенны СЭС модульного типа. Они состоят из большого числа однотипных элементов – модулей. Модуль (рис. 38) представляет собой параболический концентратор солнечного излучения 1 и трубчатый приемник теплоты 2, расположенный в фокусе концентратора. По трубке приемника проходит рабочее тело (жидкость, газ), которое после восприятия тепла направляется в приемник.

Оптимальная мощность модульных СЭС – до 10 МВт.

В фотоэлектрических гелиоустановках применяются полупроводниковые фотопреобразователи (ФЭП), используется арсенид галлия и антимонид галлия. С этими материалами КПД достигает 37%, а в кремниевых ФЭП – до 12%. Пока что, стоимость электростанций на основе ФЭП – высока. Но в отдаленных районах, в космосе такие установки применяются. Учитывая непрерывный прогресс в технологии производства ФЭП и рост цен на традиционные энергоносители, можно надеяться на то, что гелиоэнергетика будет интенсивно развиваться. Основной прирост производства ФЭП в мире приходится на Японию.

Есть проект: в космосе размещаются поля с ФЭП (обеспечивается постоянство облучения). С помощью концентраторов энергия передается на землю – на котлы обычных ТЭС.

Аккумуляторы тепловой энергии гелиосистем

Необходимость аккумулирования вызывается нерегулярностью поступления солнечной энергии. Запасенное тепло используют для подпитки теплоиспользующих установок. Применяются аккумуляторы емкостного типа (теплоизолированный бак с водой) и фазового типа – здесь теплота расходуется на плавление вещества, т.е. на фазовый переход. К аккумуляторам теплоты относятся также солнечные пруды. Это – естественные водоемы, в которых растворена соль (получают насыщенный солевой раствор). Пруд (рис. 39) воспринимает падающие на его поверхность солнечные лучи 1 и работает одновременно и как коллектор, и как аккумулятор энергии.

Рис. 39. Солнечный пруд

 

Лучи проходят через толщу солевого раствора 2 и поглощаются дном водоема, имеющим темный цвет. От дна нагреваются прилегающий к нему слой воды 3 и трубы 4. Температура этого слоя может достигать 70–100 °С, что обеспечивает повышенную плотность. Чем дальше от дна, тем меньше температура и плотность раствора. Благодаря такому распределению плотности, перемешивания не происходит. В пресноводном же пруду перемешивание происходит – т.е. аккумулирования энергии не получается.

При глубине солнечного пруда 1–3 м на 1 м² его площади требуется 500–1000 кг поваренной соли (хлорида магния). Стоимость пруда невысока, энергоемкость – велика. При большой площади его можно использовать как аккумулятор энергии.

Ветроэнергетические установки – уже нашли довольно широкое применение в энергетике. В перспективе предполагается довести их удельный вес в энергетике до 10–30 %. Основная трудность: непостоянство ветра как по силе, так и по направлению; необходимость в связи с этим иметь аккумулирующие и регулирующие устройства.

Энергия ветра используется не только для выработки электрической энергии, но и для работы насосов, перекачивающих воду. В этом случае необходимо иметь достаточную емкость для воды, расположенную на высоте – для аккумулирования энергии.

Во многих случаях целесообразно включать ветряные генераторы на параллельную работу с основной сетью.

До недавнего времени наиболее широкое распространение имели трехлопастные ветродвигатели с горизонтальной осью. Диаметр лопастей до 90 м, мощность – до 1200 кВт. Недостатки – громоздкость, ненадежность (часты изломы лопастей).

Рис. 40. Ветроэнергетическая установка Вагнера

Рис. 41. Ветродвигатель Дарье

Отказаться от башни позволяет ВЭУ, предложенная немецким инженером Вагнером (рис. 40). Аппарат состоит из двух лопастей 1 и 2; угол между ними 110°. Ось вала 3 наклонена к горизонту на угол 110/2=55°; поэтому лопасти поочередно занимают горизонтальное положение. Такие установки малогабаритны, их можно располагать на понтонах.

Оригинальный ветродвигатель изобретен французским инженером Дарье (рис. 41). Это – воздушная турбина с вертикальной осью вращения. На валу 1 турбины находится эллипсовидное алюминиевое кольцо 2, которое и является лопастью турбины. Закрепление осуществляется растяжками 3. Электрогенератор 4 находится в нижней части. Башня не нужна, стабилизатор не требуется. Недостаток: для приведения ветродвигателя в рабочий режим нужен посторонний вспомогательный двигатель.

Вопросы и задания

7.1. Принцип работы коллектора солнечной энергии.

7.2. В чем заключается принципиальные трудности сооружения и применения солнечных электрических станций?

7.3. Принцип работы солнечных прудов.

7.4. Почему целесообразно включать ветровые энергетические установки на параллельную работу с электроэнергетической системой?

 

 

Глава 8
Современная энергетика и ее взаимодействие
с окружающей средой

Потребление энергии в мире непрерывно растет, поэтому экологические проблемы становятся все более актуальными. Основные факторы воздействия электроэнергетики на окружающую среду иллюстрируются структурной схемой (рис. 42).

 

Тепловые электрические станции (ТЭС)

При сжигании твердого топлива (в основном уголь) в атмосферу попадает летучая зола с частицами недогоревшего топлива, сернистый и серный ангидриды,… Основная экологическая проблема – очистка от окислов серы. Сернистый газ при… При сжигании мазута, газа вредных выбросов значительно меньше.

Гидроэлектростанции (ГЭС)

Под воздействием Цимлянского водохранилища в ряде районов Ростовской обл. (например, в Зерноградском районе) вышли на поверхность соленые воды, и… Цимлянская ГЭС (мощность ее небольшая – всего лишь 200 тыс.кВт.) не… Таким образом, имеющийся к настоящему времени опыт требует более внимательного и обязательно комплексного подхода к…

Атомные электрические станции (АЭС)

а) экономия органического топлива; б) АЭС не привязана к источникам энергетических ресурсов: для мощной станции в… в) нормально работающая АЭС не дает вредных выбросов (как ТЭС), а основная вредность – радиация – должна находиться на…

Воздействие электромагнитных полей на человека

Основные проблемы для линий высокого напряжения связаны с влиянием электрического поля, которое при определенной напряженности и длительности… При необходимости применяются защитные экраны от электрического поля.…

Утилизация ртути газоразрядных ламп

Серьезная экологическая проблема связана с отработавшими газоразрядными лампами, содержащими ртуть. Практикуемый повсеместно вывоз отработанных ламп на свалку или их захоронение в специально отведенных местах создает опасность вредного для здоровья людей ртутного заражения воздуха, почвы и водных источников.

Разработаны и кое-где применяются специальные технологические установки, где из отработанных ламп выводится ртуть и вновь применяется в производстве (такая установка действует, например, на Московском электроламповом заводе).

Вопросы и задания

8.1 Вредные выбросы от ГРЭС и возможные пути уменьшения их влияния.

8.2 Отрицательные влияния Цимлянского гидроузла на окружающую среду и возможные пути их уменьшения.

8.3. Состояние, перспективы развития и проблемы АЭС.

8.4. Какие электротехнические установки могут создавать сильные магнитные поля? Электрические поля?

8.5. Какие опасности возникают при неконтролируемом выбросе в мусорные контейнеры отработавших газоразрядных ламп?

Задачи к блоку 2

Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы, , от поверхности трубы в окружающую среду, . Коэффициент теплопроводности стали , теплоизоляции –… Тепловой поток в расчете на 1 м длины трубы: ,

Методические указания к задачам по блоку 2

Задачи даны с необходимым минимумом теоретических сведений; приведены расчетные формулы и решения. Необходимо тщательно проработать задачи и проверить усвоение следующим образом. Через какое-то время после первой проработки (не менее недели) вернуться к каждой задаче, взяв условие и не заглядывая в решение. Попытаться вспомнить ход решения, основные расчетные формулы (подробное решение не требуется). Если это не получается, то следует повторить цикл изучения.

Вопросы к зачету и экзамену по дисциплине
«Основы технологии отрасли»

1. Методика ведения конспектов лекций.

2. Методика усвоения задач по математике, физике, теоретическим основам электротехники.

3. Методика выполнения лабораторных работ.

4. Рациональный режим труда и отдыха при обучении в вузе.

5. Принципы формирования и деятельности коллектива студенческой группы.

6. Принципы взаимоотношений преподавателей и студентов.

7. Основные свойства электроэнергетической системы.

8. Основные типы энергетических станций.

9. Что происходит в электрической системе при внезапном включении мощного потребителя? При выключении?

10. Почему имеется необходимость в одних случаях повышать напряжение, в других – понижать?

11. Принцип работы трансформатора.

12. Характерные потребители электрической энергии на промышленных предприятиях.

13. Характерные потребители электрической энергии в быту.

14. Примеры прогрессивных технологических процессов, основанных на применении электрической энергии.

15. Выбор места расположения главной понизительной подстанции (ГПП) на генеральном плане предприятия.

16. Система автоматического включения резерва (АВР).

17. Категории потребителей по надежности электроснабжения.

18. Схема питания потребителей I категории.

19. Схемы питания потребителей II и III категорий.

20. Назначение выключателей в системе электроснабжения потребителей. Вакуумные выключатели.

21. Что такое тепловое сопротивление?

22. Какие основные энергетические ресурсы используются на промышленных предприятиях?

23. Для каких целей используется сжатый воздух на промышленных предприятиях?

24. Какой основной вид топлива используется на промышленных предприятиях г. Сибай?

25. В каких случаях целесообразно применять малые автономные котлы вместо районных котельных?

26. Почему электрическая энергия является наиболее важным видом энергии?

27. Состояние угольной промышленности в России.

28. Состояние теплотрасс в г. Сибай.

29. Перспективы обеспечения газом и нефтью в мире.

30. Перспективы обеспечения газом и нефтью в России.

31. Вредные экологические факторы при сжигании угля.

32. Мероприятия по уменьшению вредных экологических факторов при сжигании угля.

33. Назначение электрофильтров.

34. Отрицательные последствия сооружения Цимлянского гидроузла.

35. Основные экологические проблемы в атомной энергетике.

36. Мероприятия по недопущению попадания в окружающую среду ртути отработавших газоразрядных ламп.

37. Экономичный способ аэрации при очистке сточных вод.

38. Какие основные нетрадиционные источники энергии применяются в настоящее время?

39. Перспективы применения нетрадиционных источников энергии.

40. Возможности применения нетрадиционных источников энергии в Башкортостане.

Библиографический список

1. Веников В.А., Путятин Е.В. Введение в специальность: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.– М.: Высш. шк., 1988.– 209 с.

2. Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы.– М.: Знание, 1990.– 128 с.

3. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: Учеб. для вузов.– М.: Энергоатомиздат, 1995.– 416 с.

4. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: Учеб. пособие / В.Г. Ушаков / Новочерк. политехн. ин-т.– Новочеркасск: НПИ, 1994.– 120 с.

5. Козлов В.Б. Энергетика и природа.– М.: Мысль, 1982.– 92 с.

6. Технология производства электрической энергии: Метод. указания к изучению дисциплины / В.И. Гордеев, А.Н. Шестаков / Новочерк. политехн. ин-т.– Новочеркасск: НПИ, 1993.– 35 с.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

введение.. 3

БЛОК 1. 3

Глава 1. Рациональные методы изучения дисциплин специальности 4

Глава 2. Энергетическая система: структура, основные элементы, функции 9

2.1. Основные типы электрических станций.
Главные свойства системы.. 9

2.2. Синхронный генератор. 11

2.3. Трансформатор. 12

2.4. Выключатели. 13

Глава 3. Потребители электрической энергии. 15

3.1. Асинхронный двигатель. 15

3.2. Синхронная машина (генератор, двигатель) 17

3.3. Электрические печи. 18

3.4. Технологические процессы, основанные
на применении электрической энергии. 20

Глава 4. Принципы проектирования системы электроснабжения. 24

4.1. Основные этапы проектирования. 24

4.2. Схемы соединения потребителей. 27

Библиографический список. 36

Ответы на вопросы по блоку 1. 36

Решения задач. 38

Блок 2. 45

Глава 5. Структура энергоснабжения промышленных предприятий и жилых районов. 45

5.1. Основные энергетические ресурсы.. 45

5.2. Основные преобразования энергии в технологических процессах 47

Вопросы и задания. 51

Глава 6. Состояние и перспективы развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) в мире и в России. 51

6.1. Разведанные запасы органического топлива. 51

6.2. Перспективы использования энергетических ресурсов. 52

6.3. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. 55

6.4. Состояние и перспективы энергоснабжения. 55

Вопросы и задания. 56

Глава 7. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ) 56

7.1 Преимущества и недостатки НВИЭ.. 56

7.2 Коллекторы и концентраторы солнечной энергии (КСЭ) 57

7.4. Аккумуляторы тепловой энергии гелиосистем.. 57

Вопросы и задания. 57

Глава 8. Современная энергетика и ее взаимодействие с окружающей средой. 57

8.1. Тепловые электрические станции (ТЭС) 57

8.2. Гидроэлектростанции (ГЭС) 57

8.3. Атомные электрические станции (АЭС) 57

8.4. Воздействие электромагнитных полей на человека. 57

8.5. Утилизация ртути газоразрядных ламп. 57

Вопросы и задания. 57

Задачи к блоку 2. 57

Ответы на вопросы к блоку 2. 57

Методические указания к задачам по блоку 2. 57

Вопросы к зачету по дисциплине «Основы технологии отрасли». 57

Библиографический список. 57