Лекция 1 Введение. Цель, задачи и содержание дисциплины

2. Рациональные методы изучения дисциплин специальности.

В самом начале учебы в университете 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 университет, выполняет работу без увлечения и интереса, мало приносит пользы делу. Он не пользуется уважением в коллективе, не испытывает морального удовлетворения от результатов своей работы.

Основные методические указания и рекомендации, выполнение которых способствует успешной учебе и становлению полноценного специалиста:

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

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

3. Все виды занятий (лекции, практические занятия, лабораторные работы) взаимно увязаны и составляют единый учебный комплекс.

4. Ведение полноценного конспекта лекции – дело нелегкое, оно требует известного напряжения сил; на лекции нельзя расслабляться.

5. К задачам, решаемым в течение семестра, необходимо, с целью самопроверки и закрепления, возвращаться через значительное время (неделя и более): 9 взять условие задачи и, не заглядывая в решение, попытаться решить ее как бы заново.

6. На лабораторных занятиях каждый студент должен стремиться самостоятельно выполнять работы, не надеясь на товарища (как это часто бывает), не быть сторонним наблюдателем.

7. На первом курсе предусматривается ознакомительная (экскурсионная) практика на промышленных предприятиях.

8. Пропуски занятий без уважительных причин – наиболее распространенное зло в процессе учебы студента.

9. Для успешной учебы исключительно важен режим труда, отдыха и питания.

10. Основные принципы взаимоотношений преподавателя и студента: взаимное уважение, сотрудничество в совместной работе по овладению 11 знаниями и умениями.

11. Обстановка в студенческой группе весьма существенно влияет на учебный процесс.

Тема 1 Энергетическая система

Лекция 2
1.Основные типы электрических станций.

2. Главные свойства системы

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 .

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

2. Принцип работы синхронного генератора

3. Схема синхронного генератора
Везде в мире применяется только этот тип генератора.

Принцип его работы. Ротор генератора, на котором уложена обмотка возбуждения, приводится во вращение от турбины. Обмотка возбуждения через щетки и контактные кольца питается от источника постоянного тока (машина – генератор постоянного тока или статический кремниевый выпрямитель).

Так осуществляется преобразование механической энергии турбины в электрическую энергию.

2.Основные особенности выключателей

Поток электрической энергии, проходя через трансформатор, уменьшается на величину потерь в нем (для мощных трансформаторов – это доли процента от передаваемой мощности).

Повышающий трансформатор устанавливается после генератора в начале линии электропередач (ЛЭП), понижающий – в конце.

В нашей стране в ЭЭС принята трехфазная система переменного синусоидального тока при частоте 50 Гц. При напряжениях 110 кВ и выше нейтраль глухо заземлена; при напряжениях 6,10,35 кВ нейтраль изолирована от земли. В первом случае уровень изоляции 20 всех элементов ЭЭС можно выбирать в 3 раз меньше, чем во втором. Но зато в первом случае выше уровень токов коротких замыканий, из-за чего приходится выбирать более мощные выключатели, ставить в некоторых случаях токоограничивающие реакторы.

Выключатели – это коммутирующие аппараты, предназначенные для включения – отключения электрических нагрузок в нормальных и аварийных режимах.

Коммутация происходит в течение нескольких сотых долей секунды. При затягивании во времени отключения токов коротких замыканий могут не выдержать, перегореть обмотки электрических машин, трансформаторов, провода воздушных ЛЭП, кабельные линии (у кабелей раньше всего загорится изоляция). Таким образом, выключатели (воздушные, масляные, элегазовые, вакуумные) – очень ответственные аппараты.

Объединение множества электрических станций, синхронных генераторов на параллельную работу – в систему – повышает надежность электроснабжения, позволяет выравнивать график нагрузки в целом системы за счет так называемого широтного эффекта (дополнительные потоки мощности направляются в те части ЭЭС, где в данный момент имеет место пик нагрузки, а пик этот перемещается за счет разных часовых поясов). В системе легче преодолевать аварии (взаимопомощь разных станций).

Тема 2 Потребители электрической энергии

2. Принцип работы синхронной машины (генератор, двигатель)

Принцип работы АД состоит в следующем. На неподвижной части машины – статоре – располагаются три одинаковые обмотки – фазы, сдвинутые по окружности на 120°, т. е. они располагаются симметрично. Между собой фазы соединяются или по схеме «звезда», или по схеме «треугольник» (рис. 3, 4).

Благодаря тому, что в каждой фазе при питании от сети появляется переменное синусоидальное напряжение и соответствующий ток (в режиме холостого хода – ток холостого хода), а фазы сдвинуты в пространстве на 120°, возникает физическое явление – так называемое вращающееся магнитное поле (вращение – относительно неподвижного статора). Это поле, пересекая контуры обмотки ротора, в соответствии с принципом электромагнитной индукции наводит в этих контурах ЭДС. Если контуры замкнуты, то в них возникает электрический ток; появляется соответствующий магнитный поток. Взаимодействие двух этих магнитных потоков (статора и ротора) приводит к возникновению вращающего электромагнитного момента. Вращающееся поле статора как бы увлекает за собой ротор.

Если двигатель работает в режиме холостого хода, то скорости вращающегося поля статора и ротора практически сравниваются, ток в фазах – минимальный, относительная скорость близка к нулю. В этом случае нет пересечения полем статора контуров ротора, нет ЭДС, нет тока.

Если же к валу ротора приложить тормозящий механический момент (например, через муфту подсоединить к валу двигателя вал вентилятора), то ротор в своем движении будет отставать от поля статора. Появятся ЭДС, ток нагрузки, электромагнитный момент – в точности равный механическому моменту. Чем больше нагрузка на валу, тем больше разность скоростей.

Синхронный двигатель имеет значительное применение на промышленных предприятиях (в частности, для привода компрессоров мощностью до нескольких тыс. кВт).

Электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. они могут использоваться и как генераторы, и как двигатели.

Принцип работы синхронного двигателя. Если на 3-фазную обмотку статора подать питание от сети, а на обмотку ротора (обмотка возбуждения) подать постоянное напряжение и при этом на валу не будет механической нагрузки (тормозного момента), машина будет работать в режиме х.х., ротор будет вращаться со скоростью, соответствующей частоте питающей сети.

Если же к валу приложить тормозящий момент, то в обмотке статора возникнет ток и крутящий электромагнитный момент, равный тормозящему механическому моменту; скорость будет синхронной, т. е. соответствовать частоте питающей сети. Если недопустимо перегрузить машину, то синхронная работа ротора нарушается, наступит аварийный режим. Как видим, в синхронном двигателе происходит преобразование электрической энергии, получаемой от сети, в механическую энергию на валу.

Лекция 6. Электрические печи

2. Электрические печи сопротивления

3. Индукционные электрические печи

4. Печи графитации.

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

Индукционные электрические печи (НЭВЗ). 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.

Печи графитации. В промышленности широко применяются разного рода графитовые изделия: электроды для ДСП; 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.

1.Электрошлаковые установки

2.Установки диэлектрического нагрева.

3.Плазменный нагрев.

4.Установки электронно-лучевого нагрева.

5.Лазеры.

6. Электроэрозийная обработка металлов

7. Электрогидравлическая обработка материалов

8. Ультразвуковые технологические установки.

9.Электростатические промышленные установки,

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

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 действиемполя связанные электрические заряды (электроны, ионы, дипольные молекулы) совершают ограниченные перемещения или деформируются; при этом выделяется тепло

Плазменный нагрев. Плазма – это состояние вещества (наряду с твердым, жидким и газообразным состояниями), когда оно состоит из свободных электронов и ионов. С использованием плазменной технологии созданы новые материалы, обладающие особо высокими показателями – огнеупорностью, твердостью, прочностью. Создан ряд новых технологических процессов.

Установки электронно-лучевого нагрева. Электронный луч – это направленный поток электронов, переносящий энергию от излучателя электронов к 33 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 электроннолучевого 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 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, электрофильтры, установлены на ГРЭС для очистки дымовых газов от пыли.

МОДУЛЬ 2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Тема 3 Принципы проектирования системы электроснабжения

Лекция 8
1.Основные этапы проектирования

2. Принципы построения

Цеховая сеть – четырехпроводная (рис. 8): три фазы (А, В, С); напряжение между любыми фазами (линейное напряжение) – 380 В (напряжение в нормальном рабочем режиме); четвертый провод – нулевой (он соединен с нулевой точкой «звезды»)

2. Схемы соединения потребителей 2 категории

3. Потребители сталелитейного цеха подсоединяются по той же схеме, что и потребители котельной.

4. То же – потребители чугунолитейного цеха.

5. Потребители электромашинного и аппаратного цехов относятся к III категории; подсоединение – по магистральной схеме с односторонним питанием.

6. Потребители заготовительно-штамповочного корпуса (III категория); подсоединение – по магистральной схеме с односторонним питанием (две ТП – от I секции; две – от II секции).

7. Потребители инструментального, ремонтного, кузнечного цехов, складов (III категория). Учитывая значительное удаление потребителей от ГПП, целесообразно предусмотреть распределительный пункт РП и от него питать все шесть цеховых подстанций по магистральным схемам с односторонним питанием.

Тема 4 Структура энергоснабжения промышленных предприятий и жилых районов

1.Электрическая энергия.

2.Тепловая энергия.

3.Природный газ

4.Нефтяные топлива
Промышленное предприятие (ПП) получает извне энергетические ресурсы (ЭР) в следующих основных видах:

– электрическая энергия. Она поступает в большинстве случаев от системы, а в некоторых случаях ПП имеют также собственные ТЭЦ (выработка электрической и тепловой энергии). Электрическая энергия используется для питания двигателей разных типов, электропечей разного типа, специальных электротехнологических установок (например, электрофлотационные установки, электрошлаковый переплав, электролазерные установки и т. д.); вычислительных центров, узлов связи. В определенных случаях электроэнергия используется для отопления (низкие тарифы на электроэнергию; нет топлива; при авариях на системе теплоснабжения и т. д.);

– тепловая энергия. Крупные и средние предприятия имеют, как правило, собственные котельные, вырабатывающие горячую воду и водяной пар. Для этого используется топливо: уголь, газ, мазут, сбросные газы. Котельные снабжают теплом системы отопления производственных и жилых помещений, различного рода технологические установки (например, автоклавы на консервных заводах; пропаривание ила на очистных сооружениях; печи с паровым обогревом; пищевые предприятия и т. д.);

– природный газ. Используется в качестве топлива для котельных, сталеплавильных печей, небольших котлов для отдельных жилых домов и производственных помещений и т. д. При наличии на ПП ТЭЦ газ используется в качестве топлива для парогенератора с последующим направлением пара на паровую турбину. Другой вариант: раскаленный газ направляется на газовую турбину; Турбина – паровая или газовая – является приводом для синхронного генератора, вырабатывающего электрическую энергию.

– нефтяные топлива (мазут, керосин, бензин, дизельное топливо) используются для двигателей внутреннего сгорания (автотранспорт, дизельгенераторные установки – как резервные источники питания для потребителей особой группы I категории).

Лекция 11

1. Газ – котельная – горячая вода или пар – система отопления.

2. Электрическая энергия – двигатель – компрессор – сжатый воздух – дробеструйная установка для очистки стального литья.

3. Электрическая энергия – химическая энергия

4. Энергия сжигаемого топлива – раскаленный газ – газовая турбина – синхронный генератор – электрическая энергия
На промышленных предприятиях при использовании ЭР получаемая энергия используется как непосредственно, так и в преобразованном виде, например

1. Газ – котельная – горячая вода или пар – система отопления.

2. Электрическая энергия – двигатель – компрессор – сжатый воздух – дробеструйная установка для очистки стального литья.

3. Электрическая энергия – химическая энергия (гальваническая установка для оцинковки, никелирования, хромирования).

4. Энергия сжигаемого топлива – раскаленный газ – газовая турбина – синхронный генератор – электрическая энергия (работа ТЭЦ).

Применяются различные варианты преобразования энергии, в зависимости от возможностей предприятия и параметров технологического процесса.

Тема 5 Состояние и перспективы развития топливно-энергетического комплекса (тэк) в мире и в россии

2.Теплотворная способность условного топлива

Таблица 2 - Разведанные запасы и геологические ресурсы органического топлива

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.

2.Уголь

4.Природный газ

5.Атомная энергетика.
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 76 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 (солнечноветровая, геотермальная энергия; биомасса; приливные электростанции) обеспечивают в настоящее время уровень порядка нескольких процентов потребления ЭР. Значительное увеличение в обозримом будущем не прогнозируется.

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.

Нефть. Этот ЭР остается основным видом первичных топливно-энергетических ресурсов. Добывается и потребляется она в огромных количествах.Технический прогресс дал методы повышения нефтеотдачи пластов закачкой СО2, поверхностноактивных эмульсий, полимеров. Осваивается глубокое и сверхглубокое бурение. Но при всем этом напряженность со снабжением нефтью возрастает, нефть становится все более дефицитной.

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.

Атомная энергетика. На АЭС приходится около 16 % мирового производства электроэнергии. По странам: Франция – 71 %; Бельгия – 65 %; Швеция – 42 %; 80 Швейцария – 40 %; Финляндия – 38 %; Болгария – 32 %; ФРГ – 31 %; Япония — 27 %; США – 16 %; СССР – 7 %.

Разрабатываются более надежные атомные реакторы. Остается нерешенной проблема надежного захоронения огромного количества радиоактивных материалов, остающихся после погашения АЭС (их срок эксплуатации – 30–40 лет).
Лекция 14
1.Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

2. Преимущества и недостатки НВИЭ

3. Факторы воздействия электроэнергетики на окружающую среду
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.

Общие свойства для всех НВИЭ, осложняющие их применение: малая плотность потока генерируемой энергии, необходимость ее аккумулирования и резервирования. НВИЭ не увеличивают поступление энергии на планету и не приводят к тепловому загрязнению; они – экологически чисты. Малая плотность энергии и невозможность регулирования ее поступления не позволяют ориентировать развитие энергетики исключительно на НВИЭ. Наиболее рациональное направление – сочетание нетрадиционных и традиционных источников энергии.

В настоящее время и в обозримом будущем основными источниками энергии останутся углеводородное топливо и ядерное горючее. Одновременно следует всемерно развивать гелио-, ветро-, био-, гео- и гидроэнергетику

Пределом повышения суммарной (на Земле) мощности традиционных энергоустановок является количество теплоты, отводимое с поверхности планеты в 83 космическое пространство. Нельзя допускать повышения температуры на Земле, это может привести к катастрофическим последствиям (таяние ледников – затопление суши; ураганы; изменение флоры и фауны).

Экологические факторы в энергетике

2. Энергобаланс Казахстана

В целом в XXI веке энергетические ресурсы будут достаточными, но добывать их будет все труднее и труднее. Необходимо всемерное энергосбережение. В мире ведутся научно-исследовательские работы по освоению новых источников энергии. В институте атомной энергии им. И. В. Курчатова и в институте физики им. А. Ф. Иоффе ведутся исследования на установках «Токомак», пытаются получить энергию управляемой термоядерной реакцией. Пока нет реальных предпосылок получить практически важный результат в обозримой перспективе.

При общем росте энергопотребления в мире электропотребление растет более высокими темпами.

Электрификация имеет крупное инфраструктурное значение, является важнейшим фактором научно-технического прогресса и роста производительности труда во всех отраслях экономики.

Посредством использования электроэнергии вовлекаются в производство и быт такие крупномасштабные ЭР, как уголь, ядерная и гидроэнергия. Эти идеи были заложены еще в ленинском плане ГОЭЛРО.