Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)

Подождите немного. Документ загружается.

На ободах дисків закріплено робочі лопаті, які утворюють на кожному із

дисків решітки із робочих лопатей. Число дисків в кожному типі турбін —

різне. Якщо в турбіні один диск, то її називають одноступеневою, а у всіх

інших випадках — багатоступеневою. Конус 9 турбіни має циліндричну

росширювальїгу форму і складається з нижньої та верхньої частини,

з'єднаних болтами. В місцях виходу вала ротора є лабірінтні ущільнювачі, які

є перепоною для виходу пари в довкілля. Пара надходить в турбіну через

клапани 6, що розміщені в клапанних коробках 8.

310

Потім пара проходить через проточні частини всіх ступеней турбіни, де її

теплова енергія перетворюється в механічну.

Вал турбіни за допомогою гнучкої муфти 14 з'єднаний з валом

електрогенератора. Передній опорно-упорний підшипник спирається на раму

2, в якій розміщена зубчаста (трибова) передача до валика регулятора.

В залежності від тиску пара за останнім ступенем турбіни поділяють на

конденсапійні, якщо тиск пари менше атмосферного (0,029...0,049) МПа і

протитискові, якщо тиск більше атмосферного.

Після конденсаційних турбін пара спрямовується до конденсаторів, в яких

конденсат використовують для живлення водою парових котлів. Пара після

протискових турбін за звичай використовується для технологічних потреб

підприємства. Парові турбіни зазвичай працюють при сталій швидкості

обертання 50 об/с, тобто при 50-періодному електричному струмі та

двополюсному генераторі.

6.6. Електрогенератори

Для перетворення механічної енергії в електричну парові турбіни як і будь-

які первинні двигуни (двигуни внутрішнього згоряння, гідравлічні, газові

турбіни, вітрові двигуни, тощо) призначені для вироблення зазвичай

електричного струму змінної частоти коливань. В якості генераторів

використовують синхронні машини змінного струму, в яких кутова

швидкість ротора при сталій частоті струму в приєднанній мережі

зберігається сталою і не залежить від навантаження на валу машини. В

промислових установках найбільше розповсюдження мають трифазні

синхронні машини.

Трифазна синхронна машина складається з нерухомого статора та

обертального ротора, що знаходиться всередині статора, між якими існує

повітряний зазір, радіальний розмір якого залежить від номінальної

потужності машини і змінюється від частки до декількох десятків міліметрів

(рис. 6.5).

Ротор уявляє собою електромагнітну систему сталого струму з обмоткою, яка

має таку ж кількість полюсів що і трифазна обмотка статора. Магнітні силові

лінії обох полюсів ротора замикаються через повітряний зазір машини і

магнітопровід статора. Перетин магнітних силових ліній с певною частотою

призводить до появи електричного струму.

311

Рис. 6.5. Будова трифазної синхронної машини з ротором:

а — неявнополюсними; б — явнополюсними;

1 — станина; 2 — магнітопровід статора; 3 — провідники

обмотки статора; 4 — повітряний зазір; 5 — полюс ротора;

6 — полюсний наконечник; 7 — провідники обмотки ротора;

8 — котушкова обмотка збудження; 9 — короткозамкнута

обмотка; 11 — струмознімальні щітки; 12 — вал.

Обмотка ротора, або обмотка збудження, одержує живлення від

випрямлювана або невеликого генератора сталого струму збуджувача,

потужність якого складає (0,5... 10)% номінальної потужності синхронної

машини.

Швидкісні генератори за звичай безпосередньо з'єднанні з паровими

турбінами на одному валу, що розраховані на 3000 або 1500 об/хв. при

частоті струму 50 Гц.

Гідравлічні турбіни або двигуни внутрішнього згоряння та інші

розраховують на частоту обертів 1500, 1000, 750 і менше обертів на хвилину

при сталій частоті 50 Гц. Швидкість обертання первинного двигуна

розраховують за формулою

n = 60ƒ

де ƒ— частота змінного струму,

р — число пар полюсів.

Синхронні машини номінальною потужністю до 5 кВт іноді виготовляють в

оберненому варіанті виконанні — з обмоткою збудження на статорі і

трифазною обмоткою на роторі. Будову двох типів трифазної синхронної

машини показано на рис. 6.5.

312

6.7. Атомні електростанції

Принципова технологічна схема вироблення електроенергії на атомних

електростанціях не відрізняється від схем звичайних електростанцій за

виключенням способу одержання теплоти для перетворення води в пару

високого тиску. Джерелом теплоти на атомних електростанціях є атомні

реактори, в яких відбувається самоутворюємий але регульований процес

поділу атомних ядер з перетворенням звільненої ядерної енерїї в теплоту.

Ядерний реактор за смислом замінює топку котла. За ядерне паливо

використовують збагачений уран 235 та плутоній — 239. Керування реакцією

поділу ядер здійснюють стрижнями із кадмію або бористої сталі, які

поглинають нейтрони і уповільнюють число поділу урана — 235. Змінюючи

глибину занурення стрижнів, можна впливати на роботу реактора в значних

межах. Реактори за звичай двоконтурні. В першому радіактивному контурі

циркулюють теплоносії (рідкий метал, вода, газ) і його розташовано в

захисній зоні реактора. Другий контур не потребує спеціального біологічного

захисту і його винесено за межі ре-акторної зони, де здійснюється

перетворення теплоти пари в електроенергію.

Принципову схему атомної електростанції наведено на рис. 6.6. В результаті

випромінювання уранових стрижнів в активній зоні реактора 1 утворюється

теплова енергія з температурою до 600 °С, яка регулюється керуючими

урановими стрижнями 2 с уповільнювачами, що знаходяться в корпусі

реактора. В результаті циркуляції (за звичай рідкий натрій) рідини за

допомогою насоса 6 першим контуром відводиться теплота, яка перетворює

воду в пару в пароутворювачеві 5.

Уповільнювачі призначенні для того, щоб ланцюгова реакція поділу ядер

була перетворена у стаціонарну в результаті поглинання більшої частки

нейтронів, що забезпечує стабільність визволення енергії при поділенні

ядерного палива.

В першому контурі є компенсатор ємності 4 для підтримки певного тиску в

першому контурі. Реактор міститься в герметичному захисному корпусі 7.

Другий контур відводить із пароутво-рювача 5 пару, що приводить в дію

парову турбіну 8 і генератор змінного електричного струму 9. Після турбіни

водяна пара конденсується в холодильнику 10, а рідина (вода) насосом 11

другого зовнішнього контуру через тешюобмінник 12 знову направ-

313

Рис. 6.б. Схема вироблення електроенергії на атомних електростанціях

лається до пароутворювача 5. Таким чином принципово атомні

електростанції нічим не відрізняються від звичайних теплових за

виключенням способу одержання теплоти.

Схему водоводяного реактора вітчизняного виробництва наведено на рис.

6.7. В результаті випромінювання уранових стрижнів в реакторі 12

утворюється теплова енергія с температурою до 600 °С, яка передається

першим контуром (1, 2, З, 8, 9, 10, 11) до другого контура (3, 4, 5, б, 7), що

передає пару високого тиску до турбіни 4 та електрогенератора 5.

На діючих атомних електростанціях, використовуються реактори трьох

типів: графітові канальні РБМК-1000 і РБМК-1500, водо-водяні корпусні

ВВЕР-440 і ВВЕР-1000 та реактори на швидких нейтронах БН-600.

Реактори ВВЕР-1000 розміщуються всередені герметичної залізобетонної

оболонки діаметром 47,7 м та висотою 67,5 м. Реактор і парогенератор

розділенні залізобетонною стінкою товщиною (1,0... 1,5) м. В реакторі

розміщено 66 т збагаченного урану. АЕС мають деякі переваги у порівнянні з

електростанціями інших, типів: не мають складських, приміщень та

обладнання для приготування палива, не викидають в атмосферу шкідливих

окислів азоту та сірки, а також золи, тобто не забруднюють атмосферу і не

використовують кисень.

314

Рис. б. 7. Принципова схема водоводяного реактора:

І__компенсатор високого тиску; 2 — циркуляційний насос;

З — парогенератор; 4, 5 — турбоелектрогенератор; (5__конденсатор; 7 —

живильний насос; 8 — підживильний насос; 9 — живильна ємкість; 10—

фільтр; 11 — холодильник,

12 —реактор.

6.8. Гідроелектростанції

Схему вироблення електричної енергії на гідравлічних електростанціях

показано на рис. 6.8.

Гребля, що перегороджує річку дає змогу створити тиск або напір води, яка

через спрямовуючий апарат з верхнього б'єфа (рівень 7.70) води надходить

до нижнього б'єфа (рівень 0.00), проходить через колесо гідравлічної турбіни

3, яка обертається на одній осі з генератором електричної енергії в капсулі 1.

Регулювання витрат води здійснюється спеціальними затворами. Решітки в

греблі призначені для затримки сміття, щоб вони не надходили до турбіни.

Оскільки потужність ГЕС визначається тиском (напір) води і її витратами, то

на рис. 6.9 для прикладу і порівняння наведено відповідні напори для кожної

ГЕС на Дніпрі.

315

Рис. 6.8 Схема зображення ГЕС з горизонтальним капсульним

гідроагрегатом (київська ГЕС): 1 — капсула; 2 — напрямний

устрій; З — турбіна (робоче колесо); 4 — кран.

На гідроелектростанціях в залежності від напору і витрат води

використовують різного типу турбіни (активні реактивні) з вертикальною та

горизонтальною осями обертання, з поворотними лопатями турбін, тощо.

Використовують турбіни потужністю від декількох до 500 тис. кВт.

Собівартість електроенергії на ГЕС значно менше собівартості на інших

електростанціях незважаючи на значні капіталовкладення.

Схему підгтреблевої ГЕС с вертикальним турбогенератором наведено на рис.

6.10.

316

Рис. 6.10. Схема підгтреблевої ГЕС

Вода з верхнього б'єфа водосховища 6 надходить по трубам при відкритій

засувці 5 до лопастей гідротурбіни 4 і приводить її до обертання разом з

ротором генератора 1, а потім надходить до нижнього б'єфа річки через

відсосну трубу 3. Потужність ГЕС залежить від енергії падаючої води, тобто

від висоти падіння і витрат води.

6.9. Електричні мережі

Оскільки теплові та гідравлічні електростанції розташовані в місцях

залягання палива або біля водосховищ річок, а споживачі зазвичай

знаходяться на значній відстані від електростанцій, передача електроенергії

здійснюється лініями або мережами електропередач, які бувають повітряні і

кабельні.

Повітряні лінії будують при передачі електроенергії на значні відстанні через

малонаселенні райони і сільску місцевість, а кабельні — в містах і

промислових центрах. Втрати електроенергії в мережах за законом Джоуля-

Ленця визначаються за формулою

,RQ





де / — сила струму;

R — опір провідника;



— час.

317

Для зменшення втрат треба або зменшити опір провідника, тобто збільшити

його перетин або зменшити силу струму (збільшити напругу при однаковій

потужності P=IU).

На значні відстані струм передають напругами 20, 35, ПО, 150, 220, 330, 750 і

1150 кВ, а сталий струм — 1500 кВ. Лінії електропередач з напругами 380 (із

заземленою нейтраллю), 220 і 127 В називають низьковольтними і

використовують в розподільчих мережах, які з'єднують трансформаторні

підстанції із споживачами.

Передача електричної енергії на відстань більше 1000 км змінним струмом

невигідна через значні втрати в проводах і порушення синхронності роботи

генераторів. Тому в таких випадках ставлять випрямлячі, які перетворюють

змінний струм в сталий, а в районі споживання знову сталий струм

перетворюють в змінний за допомогою інверторів в струм високої напруги, а

потім через пониження напруги в трансформаторах надходить до споживачів.

В бувшому СРСР побудована була перша в світі електропередача сталим

струмом на відстані 473 км: Волзька ГЕС — Донбас потужністю 700 МВт

при напрузі 800 кВ.

Матеріалом для електропроводів служить мідь, алюміній., сталь, а в

особливих випадках — бронза. Найбільша провідність у міді, але вона має

високу вартість, яка менша в алюмінія, але він має незначну міцність. Для

ліній з напругою 35 кВ використовують комбіновані сталеалюмінієві

провода: центральна частина стальна забезпечує певну міцність, а алюмінієва

має високу електропровідність.

Система енергетики в будь-якій країні повинна відповідати основним

вимогам до яких в першу чергу відносять надійність або стабільність,

динамічність, інерційність, дискретність та економічність і

самоорганізованість

Економічність — властивість системи здійснювати свої функції з мінімумом

втрат при наявності суттєвих обмежень. Ця властивість віднесена до групи

функціонування, тому що воно в більшій мірі виявляється в період

експлуатації.

Надійність — комплексна властивість системи виконувати задані функції при

заданих умовах і обмеженнях функціонування.

В групу властивостей, що характеризують керованість системи, включені

п'ять основних: неповнота інформації; адаптація; недостатність оптимальних

рішень; самоорганізованість; багато-кр итер іальність.

318

Властивість самоорганізованості полягає в спроможності системи вибирати

рішення і реалізовувати їх для зберігання взаємодії з навколишнім

середовищем. Це пов'язано властивістю нецілісності системи. Основне

завдання всього народно-господарського комплексу України полягає в

скороченні затрат енергії на виробництво товарів. Конкурентно спроможною

може стати продукція на виробництво якої витрачається в (6...7) разів менше

енергії.

Перспективи розвитку електроенергетики заключаються у використанні

відновлюємих джерел енергії, тобто енергії води, вітру, сонця, тощо. Існують

переконання, що більша частина необхідної нам енергії в майбутньому буде

отримуватися від космічних електростанцій, які можуть допомогти

забезпечити наші енергетичні потреби. Батареї сонячних елементів будуть

перетворювати сонячне світло в електрику. Отримана енергія буде

спрямована на Землю у вигляді пучків мікрохвиль. Сонячний модуль, який

складається з ряду кремнієвих, фотоелектричних елементів, послідовно

сполучених один з одним для збільшення напруги, що отримується при

падінні на них сонячного світла. Стандартний модуль цього типу виробляє

максимум 2 ампери при напрузі 17 вольт, а отримана потужність дорівнює 34

вата. Можуть бути перспективними одержання електроенергії хімічним

перетворюванням води, тобто спалювання водню після якого утворюється

екологічно безпечний викид — вода.

Водень може використовуватися як добавка (активатор) у газотурбінних і

поршневих двигунах для зниження токсичності відпрацьованих газів та

ефективнішого спалювання основного пального. Основна проблема

заключається в накопиченні водню. Достатньо зауважити, що густина водню

складає 0,09 кг/

, тобто для його зберігання треба мати величезний об'єм

ємності, або дуже великий в ємності тиск. Зараз ведуться розробки по виз-

наченню методів накопичення водню методами абсорції на основі

використання гідридів металів накопичувачів водню. Ведуться роботи зі

створення та вдосконалення водневих двигунів для автотранспорту та авіації.

Використання водню як палива диктує необхідність шукати

шляхи розв'язання багатьох проблем, передусім пов'язаних з його

зберіганням і транспортуванням. За останні роки синтезовано велику

кількість сплавів накопичувачів водню, деякі з них уже застосовуються в

промисловості. Проте одержати таке поєднання

319

параметрів, як значна сорбційна ємність, легкість процесів сорбції-десорбції

водню за невисоких температур, висока теплопровідність, легкість активації,

наявність стабільних робочих характеристик під час експлуатації з

невисокою вартістю. Ці завдання досить складні і не вирішенні.

Використання біогазу при зброджуванні біомаси може щорічно замінити 750

тис. т. умовного палива щорічно. Експлуатація повітряних електродвигунів

може дати в перспективі (30...40) млрд. кВт.год щорічно, а потенціал енергії

малих річок — 2400 МВт. та може виробляти 4 млрд. кВт.год електроенергії.

Запаси гідротермічної енергії на глибині до 2000 м складатимуть 28300 тис.

на добу при 30 °С.

Контрольні запитання до 6-го розділу.

1. Основні види палива та їх характеристики.

2. Характеристики енергокомплексу України.

3. Теплові електростанції.

4. Гідроелектростанції.

5. Нетрадиційні джерела електроенергії.

6. Відновлювальні та не відновлюєальні джерела електроенергії.

7. Технологічна схема вироблення електроенергії.

8. Паротурбінні електростанції.

9. Принципи одержання пари.

10. Перетворення пари в електроенергію.

11. Електрогенератори.

12. Схеми вироблення енергії на атомних електростанціях.

13. Схема вироблення енергії на гідроелектростанціях.

14. Електричні мережі, їх призначення та основні характеристики.

15. Основні напрямки розвитку електроенергії.

16. Перспективи використання водню як джерела енергії.

17. Засоби вробництва енергії в Україні із відновлюванних джерел.

320

Розділ 7. Будівельні матеріальні

7.1. Загальна характеристика будівельної промисловості

До будівельних матеріалів відносять природні мінеральні матеріали

черепашник, бутовий камінь, щебінь, гравій, галька, пісок, глина; рослинні

будівельні матеріали — деревину, очерет, солому. До штучних будівельних

матеріалів відносять бетон, залізобетон, цеглу, черепицю, різаний камінь із

вопняків, граніту, туфів, цеглу, тощо. Основною для штучних будівельних

матеріалів є гіпс, вапно, цемент, глина.

Провідне місце у структурі промисловості будівельних матеріалів належить

виробництву збірних залізобетонних виробів — 43% товарної продукції

галузі. У цьому виробництві було зайнято 44% усього промислово-

виробничого персоналу індустрії будівельних матеріалів країни. Підгалузями

промисловості будівельних матеріалів є також виробництво стінових

матеріалів зокрема випуск будівельної цегли, індустрія нерудних

будівельних матеріалів, тощо. На цементну промисловість припадало 4%

товарної продукції галузі і 9% промислово-виробничого персоналу. В

Україні виробляється широкий асортимент (близько 400 назв) продукції

промисловості будівельних матеріалів: абзоцементні вироби, м'які

покрівельні та стінові матеріали, будівельна кераміка, будівельний і

технічний фарфор (парцеляна), вироби з полімерної сировини, вапнякове

каміння, неметалеві руди, тощо.

7.2. Гіпсові в'яжучі матеріали

Гіпсові в'яжучі є повітряними в'яжучими. Добування їх грунтується на

здатності двогідрату гіпсу в процесі нагрівання частково або повністю

дегідратуватися. За умовами випалювання, а також за швидкістю тужавіння і

тверднення гіпсові в'яжучі поділяють на дві групи: низько- і

високовипалювальні.

Низьковипалювальні в'яжучі — швидкотужавіючі і швидкот-верднучі,

складаються переважно з півгідрату сульфату кальцію; добувають

випалюванням гіпсового каменю при температурі (120... 160) °С або

обробкою парою при (0,13...0,70) МПа. До них належать будівельний,

медичний і формувальний гіпс.

Високовипалювальні в'яжучі — повільнотужавіючі і повіль-нотверднучі, до

їх складу входить переважно безводний сульфат кальцію. До них належать

ангідритовий цемент, високовипалю-

321

вальний гіпс, обробний гіпсовий цемент. Ці в'яжучі добувають ви-

палюванням при температурі понад 600°С.

Гіпсові в'яжучі все ширше застосовуються у високорозвинутих країнах. Це

пов'язано з відносно низькими енергетичними затратами, повною

механізацією й автоматизацією гіпсової промисловості. Крім гіпсу в гіпсовій

промисловості широко застосовуються змішані в'яжучі — гіпсоцементно-

пуцоланові, гіпсошлакові тощо. На основі гіпсу випускаються різноманітні за

призначенням вироби.

Сировиною для виробництва гіпсових в'яжучих є, як правило, природний

гіпсовий камінь

CaSO



Рідше використовується безводний гіпс

— ангідрит, а також гіпсовмісні відходи хімічної промисловості (фосфогіпс,

борогіпс тощо).

Природний гіпс, або гіпсовий камінь, це світлий, іноді забарвлений

домішками в сірі або жовтуваті кольори мінерал. Твердість його за шкалою

Мооса — 2, густина — (2300...2400) кг/

, розчинність — 2,05 г/л.

Найбільша розчинність гіпсу при (32.. .40) °С. Гіпс — поганий провідник

теплоти, його теплопровідність становить 0,298 Вт/(



°С). У природі

трапляється кілька мінералогічних різновидів гіпсу. Дрібнозернистий білий

щільний гіпс із цукровидним зломом, що нагадує мармур, називають алебаст-

ром. Кристалевий прозорий гіпс, що залягає у вигляді плоских кристалів,

називають гіпсовим шпатом. Волокниста порода, що складається з правильно

розміщених нитковидних кристалів, з характерним шовковистим блиском

дістала назву селеніт.

Ангідрит-безводна модифікація гіпсу. Твердість його (3,0...3,5). Це щільніша

і міцніша порода, ніж гіпс. Густина ангідриту (2900...3100) кг/

. У

природі трапляється рідко. Кристалізується в ромбічній сингонії. Розчинність

ангідриту — 1 г/л.

І гіпс, і ангідрит належать до осадових порід. Вони утворюються переважно

при висиханні соляних озер, ізольованих морських лагун. Маючи порівняно з

іншими солями — сульфатами натрію, калію, магнію і хлоридами — меншу

розчинність, гіпс першим осаджується з розчинів.

Відомі також родовища гіпсу, що утворилися внаслідок взаємодії вапняків з

магнезіальними сульфатами або з сірчанокислими розчинами, джерелами

яких є суміжні поклади сульфідів, переважно піриту.

За характером відкладів розрізняють сингенетичні родовища гіпсу