Eficiența și eficiența sistemului de încălzire

Mai întâi, să ne aruncăm în teorie, să citim literatura tehnică, unde vom afla cum se măsoară eficiența. Eficiența (coeficientul de eficiență) este raportul dintre munca utilă și energia cheltuită. Eficiența este o mărime adimensională și este adesea măsurată ca procent. În formule, eficiența este notă cu litera „Etta”: = A/Q, unde A este munca cheltuită și Q este căldura utilă. Datorită legii conservării energiei, eficiența este întotdeauna mai mică sau egală cu unitatea, adică este imposibil să se obțină o muncă mai utilă decât energia cheltuită nu există cazane cu randament 100% care să nu încălzească nimic decât; apă. Chiar și un cazan electric, unde nu există coș de fum și elementul de încălzire este situat direct în lichidul de răcire încălzit, nu poate produce un rezultat de 100%, deoarece o parte din energie este cheltuită în scopuri secundare - încălzire piese metalice cazan, încălzirea firului de la cazan la priză etc.

Conceptul de eficiență este direct legat de conceptele de energie și putere. În legătură cu dispozitivele de încălzire, conținutul de energie sau conținutul de căldură (kW*h), este un concept legat de cantitatea de combustibil (lemn, gaz, electricitate), iar puterea (kW) este un concept legat de dimensiunea flăcării. (dimensiuni element de încălzire) și viteza de ardere a combustibilului.

Eficiența unui cazan, sobă sau șemineu este determinată de raportul dintre cantitatea de energie eliberată și cantitatea de energie eliberată utilizată în practică. De exemplu, randamentul unui cazan cu combustibil solid caracterizeaza ce parte (in%) din continutul total de energie al lemnului poate fi folosita la arderea acestuia pentru a incalzi apa in sistemul de incalzire in raport cu energia care a fost folosita in alte scopuri, pt. De exemplu, pentru încălzirea coșului de fum, a aerului din acesta, o parte din lemn rămâne nearse sub formă de cărbuni, cenușă zburătoare și gaze incombustibile.

Conceptul de pierdere este asociat și cu valoarea eficienței. De exemplu, dacă pierderile de gaze arse (adică cantitatea de energie pierdută împreună cu gaze de ardere) sunt 20%, atunci randamentul dispozitivului de încălzire nu poate fi mai mare de 80%. Eficiența totală constă din două valori: randamentul arderii și pierderea gazelor arse.

De exemplu, dacă randamentul arderii este de 90% și pierderile de gaze de ardere sunt de 20%, atunci randamentul total al acestui șemineu va fi egal cu

0,9 * (1 – 0,2) = 72%.

Eficiența nu este inerentă numai dispozitivului de încălzire. Sistemul de încălzire în ansamblu are, de asemenea, un factor de eficiență și adesea acest indicator „suferă”, anulând toate eforturile de economisire a energiei. Eficiența unui sistem de încălzire în ansamblu arată câtă energie de apă caldă este cheltuită pentru încălzirea aerului din încăperea pe care o încălziți, în raport cu energia care încălzește conductele, pereții, aerul care nu trebuie încălzit etc. Eficiența sistemului de încălzire poate fi crescută, de exemplu, prin izolarea termică a conductelor care trec prin ele camere neîncălzite, reducerea distantei de la centrala pana la punctul final de consum de energie, modernizarea sistemului de incalzire.

Consumul de energie pentru încălzirea zonelor „extra” se numește pierderi prin transfer de căldură. De exemplu, dacă un dispozitiv de încălzire (având o eficiență de 72%) este conectat la un sistem de încălzire în care pierderile de transfer de căldură sunt de 8%, atunci eficiența întregului sistem de incalzire va fi

0,72 * (1 – 0,08) = 66%.

Când se utilizează eficiența completă a sistemului de încălzire, este posibil să se calculeze efectiv cantitatea necesară combustibil pentru încălzirea întregii clădiri. De exemplu, pentru a încălzi o clădire rezidențială cu o suprafață de 380 m2, necesarul lunar de energie este de aproximativ 13.500 kWh, randamentul total al sistemului de încălzire este considerat a fi de 66%, din care calculăm necesarul real de combustibil:

13500 / 0,66 = 20500 kWh.

Dacă conținutul de energie al 1 kg de lemn este de aproximativ 4 kWh, atunci aprovizionarea lunară cu lemn de foc ar trebui să fie

20500 / 4 = 5125 kg,

aceste. 8-10 mc de lemn.

Alte componente ale unui sistem de încălzire eficient

Dacă vă confruntați cu sarcina de a încălzi rapid aerul în încăperile casei, atunci trebuie să vorbiți despre eficiența sistemului de încălzire. Și nu este vorba despre un dispozitiv de încălzire, ci despre un dispozitiv care folosește energia lichidului de răcire pentru a încălzi aerul - calorifere, sisteme de încălzire prin pardoseală etc. Cu cât radiatorul schimbă mai repede căldură între apă și aer, cu atât întregul sistem este mai eficient.

Disponibilitate sistem eficientîncălzirea, pe lângă „bucurii”, presupune și „necazuri”. La urma urmei, este necesar să se asigure că radiatorul, care transformă căldura apei în aer cald, nu s-a răcit și că apa care iese din calorifer nu este prea rece, altfel cazanul se va uza, iar acest lucru este inacceptabil. În aceste „necazuri”, un mare ajutor vine de la pompa de circulatie, menținând o rată de circulație a apei care să permită menținerea caloriferelor la nivelul necesar conditii de temperatura, și întoarceți apa în cazan nesuprarăcită.

Aici, o gamă întreagă de sisteme de încălzire bazate pe circulatie naturala lichid de răcire. Aceste sisteme sunt ineficiente. Sunt ineficiente în primul rând din cauza inerției lor: aici viteza de circulație depinde direct de temperatura apei. În primul rând, așteptăm până când apa din cazan se încălzește, pe măsură ce se încălzește, începe încet să se miște în sus, și de acolo de-a lungul caloriferelor. Dar ajungând la ele, procesul încetinește din nou: apa fierbinte din calorifer este în vârf, nu va cădea până nu se răcește. Care este eficienta aici?

Așadar, ne-am dat seama - prin pornirea pompei de circulație, am eliminat toate blocajele naturale asociate cu diferențele de temperatură. Orice apă circulă acum în sistemul nostru - rece, caldă, foarte rece și foarte fierbinte, indiferent dacă a avut timp să se răcească sau să se încălzească - apa intră în sistem și revine înapoi în cazan cu aceeași viteză.

Eficiența rețelei în modul sarcini maxime:

unde DP c este pierderile totale de putere activă în toate elementele rețelei la sarcini maxime

Eficiența medie ponderată anuală a rețelei:

unde E este cantitatea de energie electrică primită de consumatori pe an.

%.

Ambele randamente ale rețelei depășesc 97% (pierderile de energie electrică nu depășesc 3%), ceea ce este acceptabil din punct de vedere al eficienței rețelei.

Calculul costului de transport și distribuție a energiei electrice.

Costul transportului și distribuției energiei electrice prin rețea:

Astfel, costul transportului și distribuției este de 9,2 copeici/kWh cu un preț al energiei electrice de 1 rub/kWh (adică 3% din tarif), ceea ce este acceptabil din punct de vedere al eficienței rețelei.

CONCLUZIE

În timpul dezvoltării acestui proiect de curs, acesta a fost dezvoltat cea mai buna varianta reteaua electrica.

Din mai multe opțiuni, au fost selectate două opțiuni de rețea diferite, și anume, un design de rețea radial și un design de rețea cu o secțiune inelă. Calculul tehnic și economic efectuat a arătat că cel mai avantajos din punct de vedere al eficienței operaționale este proiectarea rețelei radiale.

Tensiunea rețelei proiectate este de 110-220 kV. Energia este furnizată de la substația Substația A. Zona de sarcină este formată din trei substații de la care sunt alimentați consumatorii din prima, a doua și a treia categorie.

Fiabilitatea alimentării cu energie electrică este asigurată prin așezarea liniilor cu dublu circuit și instalarea a două transformatoare la fiecare substație. Pentru linia de 220 kV au fost selectate suporturi din oțel cu dublu circuit și suporturi din beton armat cu dublu circuit (pe linia de 110 kV). Secțiunile transversale ale firelor de linie au fost selectate ținând cont de densitatea economică de curent și testate pentru curentul de suprasarcină admisibil.

Calitate energie electrica, cerut de GOST 13109-97, este asigurat cu ajutorul comutatoarelor sub sarcină la toate transformatoarele și cu utilizarea transformatoarelor de comandă liniare LTDN-40000 pe magistralele de joasă tensiune ale stației 2. Următoarele transformatoare au fost selectate pentru rețea: ATDTsTN 125000/220/110 - pentru substația nod,

TRDN-25000/110 – pentru PS1, TDN-10000/110 – pentru PS3.

Condițiile de echilibru au fost calculate folosind programul Energy. Analizând rezultatele obținute, am constatat că rețeaua proiectată îndeplinește cerințele pentru aceasta.

Pentru a verifica corectitudinea calculului, a fost întocmit un echilibru al puterii active și reactive pentru modurile maxime și minime.

Pe baza rezultatelor calculului mecanic al firelor liniei de alimentare de 110 kV care conectează PS2 și PS3, PB 110-8 susține cu o înălțime de 24,5 metri cu o deschidere de 200 de metri și o înălțime până la traversa inferioară de 14,7 metri cu au fost selectați izolatori polimerici.

În urma calculului tehnic și economic s-au obținut următorii indicatori de rețea:

1. Investiții totale de capital ale rețelei LA REȚEA = 3.317.600 mii ruble.

2. Costuri totale pentru operarea rețelei I å =48236,406 mii ruble/an.

3. Putere și pierderi de energie în rețea DP å =2,86 MW, DE=10574,426 MW oră.

4. Costul transportului de energie b = 9,2 copeici/kW oră.

5. Eficiența rețelei = 98%.

Pe baza faptului că opțiunea de rețea electrică selectată satisface cerințele impuse acesteia, o considerăm optimă.

Referințe

1. Ghid de proiectare retelelor electrice. Editat de D.L. Faibisovici. – M.: Editura NC ENAS, 2005 – 320 p. bolnav.

2. Reguli pentru instalațiile electrice. – Ed. a VII-a, revizuită. si suplimentare – M.: Energoatomizdat, 2003. – 648 p.

3. Selectarea transformatoarelor de putere pentru substațiile sistemelor electrice și întreprinderilor industriale, ținând cont de sarcinile admise. Instrucțiuni metodice. B.Ya. Prakhin. – Ivanovo; IEI, 1999

4. Tutorial la implementare munca de curs„Proiectarea rețelei electrice”. A.E. Arzhannikova, T.Yu. Mingaleva. – Ivanovo; 2014

5. Linii directoare pentru calcularea condițiilor de regim staționar în proiectarea cursului rețelelor electrice. Bushueva O.A., Parfenycheva N.N. - Ivanovo: ISEU, 2004.

Producția și distribuția energiei electrice.

La o centrală regională (adică aproape de sursele de energie), electricitatea este generată cel mai adesea de generatoarele de mașini electrice AC. Pentru a reduce pierderile în timpul transmisiei și distribuției sale, tensiunea eliminată la ieșirea generatorului electric este crescută de o substație de transformare. Electricitatea este apoi transmisă prin intermediul linii de înaltă tensiune linii de transmisie a energiei electrice (linii electrice) pornite distante mari, care poate fi măsurat în sute de kilometri. Un număr de substații de distribuție sunt conectate la liniile electrice, descarcând energie electrică către centrele locale de consum de energie. Deoarece electricitatea este apoi transmisă prin străzi și zone populate, la substații tensiunea este din nou redusă de transformatoare pentru siguranță. Principalele linii de rețea sunt conectate la transformatoarele descendente ale substațiilor. În punctele convenabile din această rețea, sunt instalate puncte de ramificație pentru rețeaua de distribuție a consumatorilor de energie electrică.

Centrale electrice.

Centrale electrice de diferite tipuri situate în locuri diferite, poate fi combinat prin linii electrice de înaltă tensiune într-un sistem de alimentare. În acest caz, sarcina constantă (de bază) consumată pe parcursul zilei este preluată de centralele nucleare (CNE), turbine cu abur de mare eficiență centrale termiceși centrale electrice (TPP și CHP), precum și centrale hidroelectrice (HPP). În timpul orelor de sarcină mare, centralele cu acumulare prin pompare (PSPP), unitățile cu turbine cu gaz (GTU) și centralele termice mai puțin eficiente care funcționează cu combustibili fosili sunt conectate suplimentar la rețeaua generală de transport a energiei electrice a sistemului electric.

Alimentarea cu energie electrică din sistemele de energie are avantaje semnificative față de alimentarea din centralele izolate: fiabilitatea alimentării cu energie se îmbunătățește, resursele energetice ale regiunii sunt mai bine utilizate, costul energiei electrice este redus datorită distribuției celei mai economice a sarcinii între centrale, puterea de rezervă necesară este redusă etc.

Factorul de sarcină.

Sarcina consumatorului variază în funcție de ora din zi, luna din an, vreme și climă, locația geografică și factorii economici.

Sarcina poate atinge nivelul maxim (de vârf) doar pentru câteva ore pe an, dar capacitatea centralei electrice sau a sistemului de alimentare trebuie, de asemenea, proiectată pentru sarcina de vârf. În plus, puterea în exces sau rezervă este necesară pentru a putea opri unitățile de alimentare individuale pentru întreţinere si reparatii. Puterea de rezervă ar trebui să fie de aproximativ 25% din plină capacitatea instalată.

Eficiența unei centrale electrice și a unui sistem energetic poate fi caracterizată prin procentul de energie electrică (în kilowați-oră) generat efectiv într-un an la producția anuală maximă posibilă (în aceleași unități). Factorul de sarcină nu poate fi egal cu 100%, deoarece timpul de oprire a unităților de alimentare pentru întreținerea și reparațiile programate în caz de defecțiune de urgență este inevitabil.

Eficiența centralei electrice.

Eficiența termică a unei centrale electrice pe cărbune poate fi aproximată prin masa de cărbune, în kilograme, care este ars pentru a produce un kilowatt-oră de energie electrică. Această cifră (consumul specific de combustibil) a scăzut constant de la 15,4 kg/kWh în anii 1920 la 3,95 kg/kWh la începutul anilor 1960, dar a crescut treptat la 4,6 kg/kWh până în anii 1990. Creșterea se datorează în mare parte introducerii prafului colectoare și epuratoare de gaz, care consumă până la 10% din producția unei centrale electrice, precum și trecerea la cărbune mai curat (conținut scăzut de sulf), pentru care multe centrale nu au fost proiectate.

În termeni procentuali, randamentul termic al unei centrale termice moderne nu depășește 36%, în principal din cauza pierderilor de căldură transportate de gazele de eșapament - produse de ardere.

La centralele nucleare care funcționează la mai mult de temperaturi scăzuteși presiuni, o eficiență totală puțin mai mică - aproximativ 32%.

Instalațiile cu turbine pe gaz cu un cazan de căldură reziduală (un generator de abur care utilizează căldura din gazele de eșapament) și o turbină cu abur suplimentară pot avea o eficiență de peste 40%.

Cu cât temperatura de funcționare și presiunea aburului sunt mai mari, cu atât eficiența termică a unei centrale cu turbină cu abur este mai mare. Dacă la începutul secolului al XX-lea. Acești parametri au fost 1,37 MPa și 260° C, dar acum sunt obișnuite presiunile de peste 34 MPa și temperaturile de peste 590° C (centralele nucleare funcționează la temperaturi și presiuni mai scăzute decât cele mai mari centrale termice, deoarece reglementările limitează maximul maxim). temperatura admisa miezul reactorului).

În centralele moderne cu turbine cu abur, aburul, cheltuit parțial în turbină, este preluat în punct intermediar pentru reîncălzire (supraîncălzire intermediară) la temperatura inițială și pot fi prevăzute două sau mai multe etape de reîncălzire. Aburul din alte puncte ale turbinei este deviat pentru a preîncălzi apa de alimentare furnizată generatorului de abur. Astfel de măsuri cresc foarte mult eficiența termică.

Economia industriei energiei electrice.

Tabelul oferă date aproximative despre consumul de energie electrică pe cap de locuitor în unele țări ale lumii.

Tabelul „Consumul anual de energie electrică pe cap de locuitor”

CONSUM ANUAL DE ENERGIE ELECTRICA PE CAP DE CAP (kWh, începutul anilor 1990)
Norvegia	22485	Brazilia	1246
Canada	14896	Mexic	1095
Suedia	13829	Turcia	620
STATELE UNITE ALE AMERICII	10280	Liberia	535
Germania	6300	Egipt	528
Belgia	5306	China	344
Rusia	5072	India	202
Japonia	5067	Zair	133
Franţa	4971	Indonezia	96
Bulgaria	4910	Sudan	50
Italia	3428	Bangladesh	39
Polonia	3327	Ciad	14

CENTRALE CU TURBINE CU ABUR

Majoritatea energiei electrice produse la nivel mondial provine din centralele electrice cu turbine cu abur alimentate cu cărbune, păcură sau gaz natural.

Generatoare de abur.

Generatorul de abur al unei centrale electrice cu turbină cu abur care funcționează pe combustibili fosili este o unitate de cazan cu un cuptor în care este ars combustibilul, evaporând suprafețele în conductele cărora apa este transformată în abur, un supraîncălzitor care crește temperatura aburului înainte de a se evapora. alimentarea turbinei la valori care ajung la 600°C, supraîncălzitoare intermediare (secundare) pentru reîncălzirea aburului parțial evacuat în turbină, un economizor în care apa de alimentare care intră este încălzită de gazele arse de evacuare și un aer preîncălzitor în care gazele de ardere cedează căldura reziduală aerului furnizat focarului.

Pentru a furniza aerul necesar arderii în focar, ventilatoarele sunt folosite pentru a crea un tiraj artificial sau forțat în ea. În unele generatoare de abur se creează curent ventilatoare de evacuare(aspiratoare de fum), în altele – aspiratoare de alimentare (sub presiune), și cel mai adesea ambele, care furnizează așa-numitele. tiraj echilibrat cu presiune neutră în focar.

Când combustibilul este ars, componentele incombustibile, al căror conținut poate ajunge la 12-15% din volumul total de bituminos și 20-50% de cărbune brun, se depun pe fundul camerei de ardere sub formă de zgură sau uscată. frasin. Restul trece prin cuptor sub formă de praf, care ar trebui să fie purificat din gazele de eșapament înainte de a fi eliberat în atmosferă. Îndepărtarea prafului și a cenușii se realizează prin cicloane și precipitatoare electrice, în care particulele de praf sunt încărcate și depuse pe fire colectoare sau plăci cu sarcină de semn opus.

Standardele pentru noile centrale electrice limitează nu numai emisia de particule în atmosferă, ci și de dioxid de sulf. Prin urmare, imediat înaintea coșului de fum, în conductele de gaze sunt prevăzute scrubere chimice, adesea instalate după precipitatoarele electrice. În scrubere (umede sau uscate) folosind diverse procese chimice Sulful este îndepărtat din gazele de eșapament.

Datorită gradului ridicat necesar de îndepărtare a prafului și a cenușii, în prezent se folosesc și filtre de material textil. filtre cu saci cu scuturare și spălare inversă, care conțin sute de pungi mari de material - elemente de filtrare.

Generatoare electrice.

Generatorul mașinii electrice este antrenat în rotație de așa-numitul. un motor principal, cum ar fi o turbină. Arborele de rotație al motorului principal este conectat cuplare cu arborele unui generator electric, care poartă de obicei poli magnetici și înfășurări de câmp. Câmpul magnetic al curentului generat în înfășurarea câmpului de un mic generator auxiliar sau dispozitiv semiconductor (excitator) traversează conductorii înfășurării statorului (cadru fix al generatorului), datorită căruia în această înfășurare este indus un curent alternativ, care este scos de la bornele de ieșire ale generatorului. Generatoarele mari trifazate produc trei curenți separati, dar coordonați, în trei sisteme de conductori separate, cu tensiuni care ajung până la 25 kV. Conductoarele sunt conectate la un transformator de creștere trifazat, de la ieșirea căruia electricitatea este transmisă prin linii electrice trifazate de înaltă tensiune către centrele de consum.

Turbogeneratoarele moderne puternice au un sistem de ventilație închis cu hidrogen ca gaz de răcire. Hidrogenul nu numai că elimină căldura, dar reduce și pierderile aerodinamice. Presiunea de funcționare a hidrogenului este de la 0,1 la 0,2 MPa. Pentru o răcire mai intensă a generatorului, hidrogenul poate fi, de asemenea, furnizat sub presiune în conductoarele goale ale statorului. La unele modele de generatoare, înfășurările statorului sunt răcite cu apă.

Pentru a îmbunătăți eficiența răcirii și a reduce dimensiunea generatorului, se efectuează cercetări privind posibilitatea creării unui generator răcit cu heliu lichid.

Turbine cu abur.

Aburul de la supraîncălzitoarele generatorului de abur care intră în turbină trece printr-un sistem de duze de admisie profilate (aparatură cu duze). În acest caz, presiunea și temperatura aburului scad, iar viteza crește foarte mult. Jeturile de abur de mare viteză lovesc coroana palelor rotorului (cu o folie aerodinamică) montate pe rotorul turbinei, iar energia aburului este convertită în energie de rotație a rotorului.

Aburul trece printr-o serie de grilaje de ghidare și de acționare până când presiunea sa este redusă la aproximativ 2/3 presiunea atmosferică și temperatura la nivelul minim (32–38° C) necesar pentru a preveni condensul aburului.

La ieșirea turbinei, aburul curge în jurul fasciculelor de tuburi condensatoare prin care este pompat apa rece, și, dând căldură apei, se condensează, datorită căruia aici se menține un ușor vid. Condensul care se acumulează în partea inferioară a condensatorului este pompat și, după ce trece printr-o serie de schimbătoare de căldură de încălzire, revine la generatorul de abur pentru a începe din nou ciclul. Aburul pentru aceste schimbătoare de căldură de încălzire este extras din diferite puncte ale traseului aburului turbinei la temperaturi din ce în ce mai ridicate pe măsură ce temperatura fluxului de retur de condens crește.

Deoarece condensatorul necesită cantități mari de apă, este recomandabil să construiți centrale termice mari în apropierea corpurilor mari de apă. Dacă rezervele de apă sunt limitate, se construiesc turnuri de răcire. Într-un turn de răcire, apa folosită pentru a condensa aburul din condensator este pompată în vârful turnului, de unde curge în jos numeroase pereți despărțitori, răspândindu-se într-un strat subțire pe o suprafață mare. Aerul care intră în turn se ridică din cauza tirajului natural sau a tirajului forțat creat de fani puternici. Mișcarea aerului accelerează evaporarea apei, care se răcește din cauza evaporării. În acest caz, 1–3% din apa de răcire se pierde, lăsând în atmosferă sub formă de nor de abur. Apa răcită este alimentată înapoi în condensator și ciclul se repetă. Turnurile de răcire sunt folosite și în cazurile în care apa este preluată dintr-un rezervor, pentru a nu evacua deșeuri apă caldăîntr-un bazin natural cu apă.

Puterea celor mai mari turbine cu abur ajunge la 1600 MW. Înalt, intermediar și joasă presiune poate fi efectuată pe un singur rotor, iar apoi turbina se numește cu un singur arbore. Dar turbinele mari sunt adesea produse într-un design cu doi arbori: treptele de presiune intermediară și joasă sunt montate pe un rotor separat de treaptă. presiune mare. Temperatura maxima Aburul din fața turbinei depinde de tipul de oțel utilizat pentru conductele de abur și supraîncălzitoare și, de regulă, este de 540-565 ° C, dar poate ajunge la 650 ° C.

Reglementare și management.

În primul rând, este necesar să se mențină cu precizie frecvența standard a curentului alternativ generat. Frecvența curentului depinde de viteza de rotație a turbinei și a arborilor generatorului și, prin urmare, este necesar să se regleze fluxul (consumul) de abur la intrarea turbinei în deplină concordanță cu modificările sarcinii externe. Acest lucru se face folosind regulatoare foarte precise cu controlat de calculator acţionând asupra supapelor de control de admisie a turbinei. Controlerele cu microprocesor coordonează funcționarea diferitelor blocuri și subsisteme ale centralei electrice. Calculatoarele situate în camera de control centrală pornesc și opresc automat cazanele și turbinele cu abur, procesând date din peste 1.000 de puncte diferite ale centralei electrice. Sisteme automatizate sistemele de control (ACS) monitorizează funcționarea sincronă a tuturor centralelor electrice din sistemul energetic și reglează frecvența și tensiunea.

ALTE TIPURI DE CENTRALE ELECTRICE

Centrale hidroelectrice.

Aproximativ 23% din electricitatea mondială este generată de centrale hidroelectrice. Ele transformă energia cinetică a căderii apei în energie mecanică rotația turbinei, iar turbina rotește generatorul de curent al mașinii electrice. Cea mai mare hidrocentrală din lume a fost instalată în Itaipu, pe râu. Parana, unde împarte Paraguay și Brazilia. Puterea sa este de 750 MW. În total, 18 astfel de unități au fost instalate la hidrocentrala Itaipu.

Centralele cu acumulare prin pompare (PSPP) sunt echipate cu unități (hidraulice și mașini electrice), care, prin proiectarea lor, sunt capabile să funcționeze atât în ​​regimul turbină, cât și în regimul pompei. În timpul orelor de sarcină redusă, centrala de acumulare prin pompare, consumând energie electrică, pompează apă dintr-un rezervor inferior într-un rezervor superior, iar în timpul orelor de sarcină crescută în sistemul de alimentare, folosește apa stocată pentru a genera energie de vârf. Timpul de pornire și de schimbare a modului este de câteva minute.

Unități cu turbine cu gaz.

Turbinele cu gaz sunt utilizate pe scară largă la centralele electrice mici deținute de municipalități sau întreprinderi industriale și, de asemenea, ca unități „de vârf” (de rezervă) la centralele mari. În camerele de ardere ale motoarelor cu turbine cu gaz, păcură sau gaz natural, iar gazul de înaltă presiune și temperatură înaltă acționează asupra rotoarelor turbinei în același mod ca aburul dintr-o turbină cu abur. Rotorul rotativ al unei turbine cu gaz antrenează un generator electric, precum și compresor de aer, care alimentează camera de ardere cu aerul necesar arderii. Aproximativ 2/3 din energie este absorbită de compresor; gazele de evacuare fierbinți după ce turbina sunt descărcate în coș de fum. Din acest motiv, eficiența turbinelor cu gaz nu este foarte mare, dar și costurile de capital sunt mici în comparație cu turbinele cu abur de aceeași putere. Dacă o turbină cu gaz este utilizată doar câteva ore pe an în perioadele de sarcină de vârf, atunci costurile de operare ridicate sunt compensate de costuri de capital scăzute, astfel încât utilizarea unei turbine cu gaz pentru a furniza până la 10% din puterea totală a unei centrale electrice. este fezabilă din punct de vedere economic.

În centralele electrice cu turbine cu gaz cu ciclu combinat (CCGT), gazele de evacuare la temperatură înaltă ale turbinei cu gaz sunt direcționate nu într-un coș de fum, ci într-un cazan de căldură reziduală, care produce abur pentru turbină cu abur. Eficiența unei astfel de instalații este mai mare decât cea a celei mai bune turbine cu abur luate separat (aproximativ 36%).

Centrale ICE.

În centralele electrice deținute de municipalități și întreprinderi industriale, motoarele cu combustie internă diesel și benzină sunt adesea folosite pentru a conduce generatoarele electrice.

Motoarele cu ardere internă au randament scăzut, ceea ce se datorează specificului ciclului lor termodinamic, dar acest dezavantaj este compensat de costuri reduse de capital. Cele mai mari motoare diesel au o putere de aproximativ 5 MW. Avantajul lor este dimensiunea lor mică, ceea ce le permite să fie amplasate convenabil lângă sistemul consumator de energie din municipiu sau dintr-o fabrică. Ei nu cer cantitati mari apă, deoarece nu este necesară condensarea gazelor de eșapament; răcire suficientă a cilindrilor și a uleiului de lubrifiere. În instalațiile cu un număr mare de motoare diesel sau pe benzină, gazele lor de eșapament sunt colectate într-un colector și trimise la un generator de abur, ceea ce crește semnificativ eficiența generală.

Centrale nucleare.

La centralele nucleare, electricitatea este generată în același mod ca la centralele termice convenționale care ard combustibili fosili - prin generatoare de mașini electrice acționate de turbine cu abur. Dar aburul de aici este produs prin fisiunea izotopilor de uraniu sau plutoniu în timpul unei reacții în lanț controlate care are loc în reactor nuclear. Lichidul de răcire care circulă prin calea de răcire a miezului reactorului elimină căldura de reacție eliberată și este utilizat direct sau prin schimbătoare de căldură pentru a produce abur, care este furnizat turbinelor.

Costurile de capital pentru construcția unei centrale nucleare sunt extrem de mari în comparație cu costurile centralelor pe combustibili fosili de aceeași capacitate: în Statele Unite, în medie, aproximativ 3.000 USD/kW, în timp ce pentru centralele pe cărbune este de 600 USD/kW. . Dar centralele nucleare consumă cantități foarte mici de combustibil nuclear, ceea ce poate fi destul de semnificativ pentru țările care altfel ar trebui să importe combustibil convențional.

FISIUNEA NUCLEI;

ENERGIE NUCLEARĂ; CENTRALE ELECTRICE ȘI PROPULSIUNI DE NAVE. Centrale solare, eoliene, geotermale. Energia solară este transformată direct în energie electrică de către generatoarele de curent fotovoltaic cu semiconductor, dar costurile de capital ale acestor convertoare și instalarea lor sunt de așa natură încât costul puterii instalate este de câteva ori mai mare decât cel al centralelor termice. Există o serie de centrale solare mari care funcționează; cel mai mare dintre ele, cu o capacitate de 1 MW, este situat în Los Angeles (California). Rata de conversie este de 12–15%. Radiația solară poate fi folosită și pentru a genera energie electrică prin concentrarea razelor solare folosind

sistem mare oglinzi, controlate de un calculator, pe un generator de abur instalat în centrul acestuia pe turn. O centrală pilot de acest fel cu o capacitate de 10 MW a fost construită în buc. New Mexico. Centralele solare din Statele Unite generează aproximativ 6,5 milioane kWh pe an. Dezvoltatorii de parcuri eoliene de 4 MW construite în Statele Unite s-au confruntat cu numeroase provocări din cauza complexității și dimensiunii lor mari. Statul California a construit o serie de „câmpuri eoliene” cu sute de turbine eoliene mici care sunt conectate la rețeaua electrică locală.

Centrale eoliene

plătiți numai dacă viteza vântului este mai mare de 19 km/h și vânturile bat mai mult sau mai puțin constant. Din păcate, sunt foarte zgomotoase și, prin urmare, nu pot fi amplasate în apropierea zonelor populate.

Generarea de energie geotermală este discutată în articolul RESURSE ENERGETICE. TRANSMISIA ELECTRICĂ Electricitatea produsă de generator este transportată către un transformator de creștere prin conductori masivi, rigidi de cupru sau aluminiu numiti bare colectoare. Autobuzul fiecăreia dintre cele trei faze (

vezi mai sus

) este izolată într-o carcasă metalică separată, care uneori este umplută cu gaz izolator SF6 (hexafluorură de sulf). întreruptoare de circuit, permițând izolarea echipamentului pentru reparare sau înlocuire și protejându-l de curenții de scurtcircuit. Protecția împotriva curenților de scurtcircuit este asigurată de întrerupătoare automate. La comutatoarele de ulei, arcul care apare la deschiderea contactelor este stins în ulei. În întreruptoarele cu aer, arcul este suflat cu aer comprimat sau se folosește „suflare magnetică”. Cele mai recente întrerupătoare de circuit folosesc proprietățile izolante ale gazului SF6 pentru a stinge arcul.

Pentru a limita puterea curenților de scurtcircuit care pot apărea în timpul accidentelor pe liniile electrice, se folosesc reactoare electrice. Reactorul este un inductor cu mai multe spire de conductor solid conectate în serie între sursa de curent și sarcină. Reduce curentul la nivelul permis de întrerupător.

Din punct de vedere economic, la prima vedere, pare cel mai potrivit aspect deschis majoritatea barelor de înaltă tensiune și a echipamentelor de înaltă tensiune ale centralei electrice. Cu toate acestea, echipamentele din carcase metalice cu izolație cu gaz sunt din ce în ce mai utilizate. Un astfel de echipament este extrem de compact și durează de 20 de ori mai putin spatiu, mai degrabă decât cel deschis echivalent. Acest avantaj este foarte semnificativ în cazurile în care costul terenului este mare sau când este necesară creșterea capacității unui tablou închis existent. În plus, mai mult protecţie fiabilă De dorit acolo unde echipamentul poate fi deteriorat din cauza poluării severe a aerului.

Pentru a transmite energie electrică la distanță, aer și linii de cablu linii de transport a energiei electrice, care împreună cu stațiile electrice formează rețele electrice. Firele neizolate ale liniilor electrice aeriene sunt suspendate folosind izolatori pe suporturi. Liniile electrice de cablu subterane sunt utilizate pe scară largă în construcția de rețele electrice în orașe și întreprinderi industriale. Tensiunea nominală a liniilor electrice aeriene este de la 1 la 750 kV, cablu - de la 0,4 la 500 kV.

DISTRIBUȚIA ELECTRICĂ

La posturile de transformare tensiunea este redusă succesiv la nivelul necesar pentru distribuția către centrele de consum de energie și, în final, către consumatorii individuali. Liniile de înaltă tensiune sunt conectate la bara prin întrerupătoare substație de distribuție. Aici tensiunea este redusă la valorile stabilite pentru rețeaua principală care distribuie energie electrică prin străzi și drumuri. Tensiunea rețelei principale poate fi de la 4 la 46 kV.

La posturile de transformare ale rețelei principale, energia este ramificată în rețeaua de distribuție. Tensiunea de rețea pentru consumatorii rezidențiali și comerciali variază de la 120 la 240 V. Consumatorii industriali mari pot primi energie electrică cu tensiuni de până la 600 V, precum și tensiuni mai mari printr-o linie separată de la substație. Rețeaua de distribuție (aeriană sau prin cablu) poate fi organizată în stea, inel sau schema combinataîn funcție de densitatea sarcinii și de alți factori. Rețelele de transport de energie ale companiilor de energie electrică învecinate uz public unite într-o singură rețea.

După cum se știe, în acest moment nu au fost create încă mecanisme care să convertească complet un tip de energie în altul. În timpul funcționării, orice dispozitiv creat de om cheltuiește o parte din energie pentru a rezista forțelor sau o irosește în zadar. mediu. Același lucru se întâmplă într-un circuit electric închis. Când sarcinile trec prin conductori, sarcina totală și utilă de electricitate este rezistată. Pentru a compara rapoartele lor, va trebui să calculați coeficientul de performanță (eficiență).

De ce trebuie să calculați eficiența?

Eficienţă circuit electric este raportul dintre căldura utilă și căldura totală.

Pentru claritate, să dăm un exemplu. Găsind randamentul unui motor, este posibil să se determine dacă funcția de funcționare principală a acestuia justifică costul energiei electrice consumate. Adică, calculul său va oferi o imagine clară a cât de bine convertește dispozitivul energia primită.

Fiţi atenți! De regulă, eficiența nu are o valoare, ci este un procent sau un echivalent numeric de la 0 la 1.

Eficiența se găsește prin formula generala calcule pentru toate dispozitivele în general. Dar pentru a obține rezultatul într-un circuit electric, mai întâi trebuie să găsiți forța electricității.

Găsirea curentului într-un circuit complet

Din fizică se știe că orice generator de curent are propria rezistență, care se numește și putere internă. În afară de acest sens, sursa de energie electrică are și propria sa putere.

Să dăm valori fiecărui element al lanțului:

• rezistență – r;
• puterea curentului – E;

Deci, pentru a găsi puterea curentului, a cărei denumire va fi - I și tensiunea pe rezistor - U, va dura timp - t, cu trecerea sarcinii q = lt.

Datorită faptului că puterea electricității este constantă, munca generatorului este convertită în întregime în căldură eliberată către R și r. Această sumă poate fi calculată folosind legea Joule-Lenz:

Q = I2 + I2 rt = I2 (R + r) t.

Apoi părțile drepte ale formulei sunt egalate:

EIt = I2 (R + r) t.

După efectuarea reducerii, se obține calculul:

Prin rearanjarea formulei, rezultatul este:

Această valoare finală va fi forța electrică din acest dispozitiv.

După ce a făcut un calcul preliminar în acest fel, eficiența poate fi acum determinată.

Calculul randamentului circuitului electric

Puterea primită de la sursa de curent se numește consumată, definiția ei este scrisă - P1. Dacă această mărime fizică trece de la generator în circuitul complet, se consideră utilă și se scrie - P2.

Pentru a determina randamentul unui circuit, este necesar sa ne amintim legea de conservare a energiei. În conformitate cu acesta, puterea receptorului P2 va fi întotdeauna mai mică decât consumul de energie al lui P1. Acest lucru se explică prin faptul că în timpul funcționării în receptor există întotdeauna o risipă inevitabilă de energie convertită, care este cheltuită pentru încălzirea firelor, a mantalei acestora, a curenților turbionari etc.

Pentru a găsi o evaluare a proprietăților de conversie a energiei, este necesară o eficiență, care va fi egală cu raportul puterilor P2 și P1.

Deci, cunoscând toate valorile indicatorilor care alcătuiesc circuitul electric, găsim funcționarea sa utilă și completă:

• Și util. = qU = IUt =I2Rt;
• Și total = qE = IEt = I2(R+r)t.

În conformitate cu aceste valori, găsim puterea sursei de curent:

• P2 = A util /t = IU = I2 R;
• P1 = A total /t = IE = I2 (R + r).

După efectuarea tuturor pașilor, obținem formula eficienței:

n = A util / A total = P2 / P1 =U / E = R / (R +r).

Această formulă se dovedește că R este deasupra infinitului și n este peste 1, dar cu toate acestea, curentul din circuit rămâne într-o poziție joasă și putere utilă mic

Toată lumea vrea să găsească o eficiență sporită. Pentru a face acest lucru, este necesar să găsiți condiții în care P2 va fi maxim. Valorile optime vor fi:

• P2 = I2 R = (E / R + r)2 R;
• dP2 / dR = (E2 (R + r)2 - 2 (r + R) E2 R) / (R + r)4 = 0;
• E2 ((R + r) -2R) = 0.

În această expresie, E și (R + r) nu sunt egale cu 0, prin urmare, expresia dintre paranteze este egală cu aceasta, adică (r = R). Apoi rezultă că puterea are o valoare maximă, iar eficiența = 50%.

Motivele acestui articol sunt inspirate de o discuție neașteptată asupra eficienței echipamentelor serverelor centrelor de date (vezi comentariile din articol). Întrebarea despre ce se înțelege cu adevărat prin conceptele de eficiență și eficacitate în raport cu echipamentele serverului în special și întregul centru de date în general necesită o clarificare suplimentară. Deci,…

Termeni și definiții

Cel mai logic pare să începem cu o definiție a termenilor folosiți.

Coeficient de eficiență (eficiență) este raportul dintre munca utilă (energia) efectuată și munca totală (energia) cheltuită.

Perfecţiune este raportul dintre valoarea curentă (reala) a parametrului și maximul teoretic posibil în aceleași condiții.

Diferențele dintre aceste concepte pot fi foarte bine ilustrate folosind exemplul sistemelor de aer condiționat. De exemplu, randamentul compresorului este de aproximativ 85%. Restul de 15% este cheltuit pentru frecare, mișcare a uleiului, scurgeri, încălzire etc. Eficiența aparatului de aer condiționat în ansamblu poate fi estimată la aproximativ 70% - aceasta ia în considerare căderile de presiune în conducte, eficiența clapetei, rezistența hidraulică a schimbătoare de căldură etc.

Cu toate acestea, perfecțiunea unui aparat de aer condiționat modern depășește doar puțin 10%. Cert este că pentru 1 kW de energie electrică consumată, aparatul de aer condiționat ar trebui să genereze aproape 30 kW de frig (27,5 kW pentru conditii standard), iar capacitatea reală de răcire este de numai 3-4 kW. Raportul dintre aceste numere la tehnologia frigorifice se numește „gradul de perfecțiune termodinamică a ciclului” sau, mai simplu, „perfecțiunea”.

Deci, eficiența și perfecțiunea sunt concepte complet diferite și când Eficiența unității la 70% perfecțiunea sa poate fi de doar 10%.

Eficiența centrului de date

Trecând la centrul de date, ar trebui să definiți conceptele de util și munca deplina Centrul de date și funcționarea sa maximă posibilă în aceleași condiții.

Nu este un secret pentru nimeni că puterea de calcul a unui centru de date este generată de echipamentele IT și întreaga infrastructură de inginerie și arhitectură a centrului de date are ca scop găzduirea echipamentului IT și asigurarea performanței acestuia. Ca urmare, puterea echipamentelor IT este confundată cu o muncă utilă, ceea ce este o greșeală. Echipamentul IT pentru puterea de calcul este doar o metodă de obținere a acesteia.

într-adevăr muncă utilă Un centru de date ar trebui să fie denumit exclusiv puterea de calcul a unui centru de date, adică. acele semnale electrice care au fost primite în centrul de date la cererea utilizatorilor din exterior și trimise acestuia.

Din păcate, este extrem de dificil de estimat puterea unor astfel de semnale. Ceea ce se știe este că într-un centru de date mare se măsoară în wați și este neglijabilă în comparație cu puterea de megawați cheltuită pentru operarea centrului de date. Împărțind unul la altul, constatăm că eficiența centrului de date este neglijabilă și, de fapt, egală cu zero.

Eficiența centrului de date ≈ 0%.

Eficiența neglijabilă este explicată de mai mulți factori:

• Imperfecțiunea tehnologiei: eficiența neglijabilă a echipamentelor server. Tehnologii moderne fac posibilă crearea unei puteri de calcul uimitoare, dar consumul de energie pentru acestea este cu câteva ordine de mărime mai mare decât puterea semnalelor primite. Problema principală este consumul de energie al joncțiunilor p-n, pe care este construit întregul proces de calcul. Problema poate fi rezolvată prin utilizarea altor materiale (care este îngreunată de acestea incomparabil mai mult cost ridicat) sau tehnologii noi (principalul este utilizarea efectului supraconductivității la temperatură înaltă bazată pe materiale noi (compuși intermetalici), dar astăzi cuvântul „temperatură înaltă” ascunde temperaturi de aproximativ 150K (-120C), care este din nou neatins de scăzut pentru încăperile mașinilor). Ca urmare, nu ne putem aștepta la o schimbare a situației în următorii ani.
• O mulțime de procese secundare și necesitatea de a folosi alte câteva piese de echipament. Deci, pentru a forma orice calcul, trebuie să contactați procesorul (adică trebuie să fie pornit), baza de date de pe matricea de discuri (și trebuie să fie alimentată), RAM(și este, de asemenea, dependent de energie), etc. Ca urmare, pentru a obține un semnal este necesar să se genereze mai multe auxiliare, fiecare dintre acestea necesită și procesare. Ca urmare, cercul personaje„este foarte larg și fiecare astfel de „față” are propriul său consum de energie. Desigur, miniaturizarea modernă a tuturor elementelor are un efect pozitiv asupra consumului lor de energie, astfel că progresul în acest domeniu este evident.

În general, există o distanță semnificativă între eficiența centrului de date și marca zero nu trebuie să te aștepți.

Cu toate acestea, pentru comoditate, este logic să împărțim eficiența centrului de date în eficiență de inginerie și eficiență IT.

Eficiența ingineriei centrului de date = putere IT / putere totală a centrului de date

Eficiență IT = putere de calcul / putere IT

Apoi eficiența centrului de date = eficiența ingineriei * eficiența IT.

Din motivele de mai sus, eficiența IT este de aproximativ 0% și nu prezintă un interes deosebit din cauza absenței modalităților de creștere a acesteia în viitorul apropiat.

La rândul său, eficiența ingineriei centrului de date este de cel mai mare interes este principalul indicator al eficienței centrului de date și, de regulă, se află în intervalul de la 35 la 95%. O astfel de răspândire largă se explică prin modul de funcționare al sistemului de aer condiționat: atunci când ciclul de refrigerare funcționează, intervalul se restrânge la 35-55%, iar în cazul modului de răcire liberă obținem un interval de 75-95% .

Relația dintre eficiență și indicatorii acceptați

Este de remarcat faptul că eficiența unui centru de date este evaluată prin coeficientul general acceptat PUE (Power Utilization Effectiveness) și coeficientul DCiE (Data Cetner infrastructure Efficiency). Ambele sunt direct legate de eficiența ingineriei:

DCiE = Eficiența ingineriei centrului de date

PUE = 1 / Eficiența ingineriei centrului de date

DCiE = 1 / PUE.

Deci, cu cât eficiența este mai mare, cu atât DCiE este mai mare și cu cât PUE este mai mic, cu atât mai bine.

Excelența centrului de date

După cum sa menționat mai sus, perfecțiunea este raportul dintre efectul benefic practic și maximul posibil teoretic. În acest caz, se ține cont de tehnologia specifică pentru obținerea unui efect benefic.

Deci, pentru efectuarea calculelor nu există altă tehnologie decât utilizarea semiconductorilor și a joncțiunilor p-n. Fără a atinge regiunea de supraconductivitate la temperatură ridicată perfecțiunea serverelor de astăzi poate fi estimată la 60%(cifra este inexactă, neconfirmată, preluată de la specialiști relevanți). Aceasta înseamnă că prin efectuarea acelorași calcule, consumul de energie al echipamentelor IT poate fi redus cu 40%.

Permiteți-mi să dau două exemple ilustrative:

• Puterea procesoarelor crește mai lent decât performanța lor:

Pentium II – maxim 450MHz la 30W

Pentium III – maxim 1.4GHz la 40W

Pentium IV – maxim 3,8 GHz la 120 W

Pentium Dual-Core – 3,1 GHz la 65 W

• Consumul de energie hard disk-uri a scăzut considerabil: dacă anterior consumul de curent depășea 1A, acum este de aproximativ 0,5A.

Perfecțiunea infrastructurii de inginerie a centrului de date este redusă drastic datorită sistemelor de aer condiționat (după cum am menționat la început, perfecțiunea acestora este de aproximativ 10%, mai precis - 12,2% la încărcare maximă).

În același timp, perfecțiunea sistemelor de distribuție a energiei este destul de ridicată (aproximativ 98%).

Drept urmare, excelența în inginerie este estimată la 12%, iar centrul de date în ansamblu este de 7,2%.

Găsim asta pentru mult mai mult randament ridicat Excelența ingineriei centrelor de date este inferioară excelenței IT.

Situatia este si mai interesanta in cazul free cooling-ului. Perfecțiunea răcirii libere este estimată la aproximativ 70%. Atunci perfecțiunea ingineriei va fi de 68,6%, iar centrul de date total – 41,1%.

Utilizarea free cooling-ului vă permite să creșteți atât eficiența centrului de date, cât și eficiența acestuia.