Per prima cosa, tuffiamoci nella teoria, leggiamo la letteratura tecnica, dove scopriremo come si misura l'efficienza. L'efficienza (coefficiente di prestazione) è il rapporto tra lavoro utile e energia spesa. L'efficienza è una quantità adimensionale e spesso viene misurata in percentuale. Nelle formule, l'efficienza è indicata dalla lettera "Etta": \u003d A / Q, dove A è il lavoro speso e Q è il calore utile. In virtù della legge di conservazione dell'energia, il rendimento è sempre minore o uguale a uno, cioè non è possibile ottenere lavoro più utile dell'energia spesa, non esistono caldaie con rendimento 100% che non riscaldano nulla ma acqua. Anche una caldaia elettrica, dove non c'è un camino e l'elemento riscaldante si trova direttamente nel liquido di raffreddamento riscaldato, non può dare un risultato del 100%, poiché parte dell'energia viene spesa per scopi secondari: il riscaldamento parti metalliche caldaia, riscaldando il filo dalla caldaia alla presa, ecc.

Il concetto di efficienza è direttamente correlato ai concetti di energia e potenza. In relazione agli apparecchi di riscaldamento, il contenuto energetico, o contenuto di calore (kWh), è un concetto relativo alla quantità di combustibile (legna, gas, elettricità), e la potenza (kW) è un concetto relativo alla dimensione della fiamma (dimensione dell'elemento riscaldante) e la velocità di combustione del combustibile .

L'efficienza di una caldaia, stufa o camino è determinata dal rapporto tra la quantità di energia rilasciata e la quantità di energia rilasciata utilizzata nella pratica. Ad esempio, l'efficienza di una caldaia a combustibile solido caratterizza quale parte (in%) del contenuto energetico totale della legna può essere indirizzata quando viene bruciata per riscaldare l'acqua nell'impianto di riscaldamento in relazione all'energia destinata ad altri scopi, per ad esempio, per riscaldare il camino, aria al suo interno, parte della legna rimane incombusta sotto forma di carboni, ceneri volanti, gas non combustibili.

Il concetto di perdita è anche associato al valore dell'efficienza. Ad esempio, in caso di perdite Gas di scarico(cioè la quantità di energia persa con Gas di scarico) sono del 20%, quindi l'efficienza del riscaldatore non può essere superiore all'80%. Il rendimento totale è la somma di due grandezze: rendimento di combustione e perdita di fumi.

Ad esempio, se l'efficienza di combustione è del 90% e le perdite di fumi sono del 20%, l'efficienza totale di questo focolare sarà pari a

0,9 * (1 – 0,2) = 72%.

Il fattore di efficienza è inerente non solo al dispositivo di riscaldamento. Anche l'impianto di riscaldamento nel suo complesso ha un'efficienza, e spesso questo indicatore “soffre”, vanificando tutto il lavoro sul risparmio energetico. L'efficienza dell'impianto di riscaldamento nel suo complesso mostra quanta energia di acqua calda viene spesa per riscaldare l'aria nell'ambiente che si sta riscaldando, in relazione all'energia che riscalda tubi, pareti, aria che non necessita di essere riscaldata, ecc. . L'efficienza dell'impianto di riscaldamento può essere aumentata, ad esempio, mediante il passaggio di tubi termoisolanti locali non riscaldati, riducendo la distanza dalla caldaia al punto finale di consumo energetico, modernizzando l'impianto di riscaldamento.

Il consumo di energia per il riscaldamento di aree "extra" è chiamato dispersione termica. Ad esempio, se un apparecchio di riscaldamento (con un rendimento del 72%) è collegato a un impianto di riscaldamento in cui la dispersione termica è dell'8%, l'efficienza dell'intero impianto di riscaldamento sarà

0,72 * (1 – 0,08) = 66%.

Quando si utilizza la piena efficienza del sistema di riscaldamento, è possibile effettivamente calcolare importo richiesto combustibile per il riscaldamento dell'intero edificio. Ad esempio, per il riscaldamento di un edificio residenziale con una superficie di 380 m2, il fabbisogno energetico mensile è di circa 13.500 kWh, la piena efficienza dell'impianto di riscaldamento è presa pari al 66%, da cui si calcola l'effettiva richiesta di combustibile:

13500 / 0,66 = 20500 kWh.

Se il contenuto energetico di 1 kg di legna è di circa 4 kWh, allora dovrebbe essere la fornitura mensile di legna da ardere

20500 / 4 = 5125 kg,

quelli. 8-10 m3 di legna da ardere.

Altri componenti di un efficiente sistema di riscaldamento

Se hai un compito riscaldamento rapido aria negli ambienti della casa, poi bisogna parlare dell'efficienza dell'impianto di riscaldamento. E non si tratta di un dispositivo di riscaldamento, ma di un dispositivo che utilizza l'energia del liquido di raffreddamento per riscaldare l'aria: radiatori, sistemi di riscaldamento a pavimento, ecc. Quanto più velocemente il radiatore produrrà lo scambio termico tra acqua e aria, tanto più efficiente sarà l'intero sistema nel suo complesso.

Disponibilità sistema efficace il riscaldamento oltre alle "gioie" comporta anche "problemi". Dopotutto, è necessario assicurarsi che il radiatore, che converte il calore dell'acqua in aria calda, non si raffredda da solo e che l'acqua all'uscita del radiatore non sia troppo fredda, altrimenti la caldaia funzionerà per usura, e questo è inaccettabile. In questi "problemi" è di grande aiuto pompa di circolazione, mantenendo una tale velocità di circolazione dell'acqua che consenta di mantenere i radiatori nella giusta posizione regime di temperatura, e restituire l'acqua alla caldaia non surriscaldata.

Qui, una serie di sistemi di riscaldamento basati su circolazione naturale liquido di raffreddamento. Questi sistemi sono inefficienti. Sono inefficienti principalmente a causa della loro inerzia: qui la velocità di circolazione dipende direttamente dalla temperatura dell'acqua. Innanzitutto, aspettiamo che l'acqua nella caldaia si riscaldi, mentre si riscalda, inizia lentamente a salire sul montante e da lì attraverso i radiatori. Ma dopo averli raggiunti, il processo rallenta di nuovo: l'acqua calda nel radiatore è in alto, non cadrà finché non si sarà raffreddata. Qual è l'efficienza qui?

Quindi, l'abbiamo capito: accendendo la pompa di circolazione, abbiamo eliminato tutte le prese naturali associate alla differenza di temperatura. Ora l'acqua che circola nel nostro impianto - fredda, calda, molto fredda e molto calda, indipendentemente dal fatto che abbia avuto il tempo di raffreddarsi o riscaldarsi - l'acqua entra nell'impianto e ritorna alla caldaia alla stessa velocità.

I motivi di questo articolo sono ispirati da una discussione inaspettata sul tema dell'efficienza delle apparecchiature server dei data center (vedi commenti nell'articolo). La domanda su cosa si intenda realmente con i concetti di efficienza ed efficienza in relazione alle apparecchiature server in particolare e all'intero data center nel suo insieme richiede un ulteriore chiarimento. Così, …

Termini e definizioni

Sembra più logico iniziare con la definizione dei termini utilizzati.

Fattore di efficienza (COP)è il rapporto tra il lavoro utile svolto (energia) e il lavoro totale speso (energia).

Perfezioneè il rapporto tra il valore attuale (reale) del parametro e il massimo teorico possibile nelle stesse condizioni.

Le differenze in questi concetti possono essere illustrate molto bene dall'esempio dei sistemi di condizionamento dell'aria. Quindi, ad esempio, l'efficienza del compressore è di circa l'85%. Il restante 15% viene speso per attrito, movimento dell'olio, perdite, riscaldamento, ecc. L'efficienza del condizionatore d'aria nel suo insieme può essere stimata in circa il 70% - questo tiene conto delle cadute di pressione nelle tubazioni, dell'efficienza dell'acceleratore, della resistenza idraulica di scambiatori di calore, ecc.

Tuttavia, la perfezione di un moderno condizionatore d'aria è solo di poco superiore al 10%. Il fatto è che per 1 kW di elettricità consumata, il condizionatore dovrebbe generare quasi 30 kW di freddo (27,5 kW a condizioni standard), e la potenza frigorifera reale è di soli 3-4 kW. Il rapporto di queste cifre in refrigerazione è chiamato “grado di perfezione termodinamica del ciclo” o, più semplicemente, “perfezione”.

Quindi, efficienza e perfezione sono concetti completamente diversi e, con un'efficienza dell'unità del 70%, la sua perfezione può essere solo del 10%.

Efficienza del data center

Passando al data center, si dovrebbe decidere in termini di lavoro utile e completo del data center e del suo massimo lavoro possibile alle stesse condizioni.

Non è un segreto che la potenza di calcolo di un data center è generata da apparecchiature IT e l'intera infrastruttura ingegneristica e architettonica di un data center è finalizzata a ospitare apparecchiature IT e garantirne le prestazioni. Di conseguenza, la potenza delle apparecchiature IT viene considerata un lavoro utile e questo è un errore. Le apparecchiature informatiche per la potenza di calcolo sono solo un metodo per ottenerle.

Il lavoro veramente utile del data center dovrebbe essere chiamato solo la potenza di calcolo del data center, ovvero quei segnali elettrici che sono stati ricevuti al data center su richiesta degli utenti dall'esterno e ad esso inviati.

Sfortunatamente, è estremamente difficile stimare la potenza di tali segnali. Si sa solo che in un grande data center si misura in watt ed è trascurabile rispetto alla potenza di megawatt spesa per il funzionamento del data center. Dividendo uno per l'altro, otteniamo che l'efficienza del data center è trascurabile e, di fatto, è pari a zero.

Efficienza del data center ≈ 0%.

L'efficienza trascurabile è dovuta a diversi fattori:

• Imperfezione tecnologica: efficienza trascurabile dell'hardware del server. Tecnologie moderne consentono di creare una straordinaria potenza di calcolo, ma i costi energetici per loro sono diversi ordini di grandezza superiori alla potenza dei segnali ricevuti. Il problema principale è il consumo energetico delle giunzioni p-n, su cui è costruito l'intero processo di calcolo. Il problema può essere risolto utilizzando altri materiali (che è vincolato dal loro costo incomparabilmente più elevato) o nuove tecnologie (la principale è l'uso dell'effetto della superconduttività ad alta temperatura basata su nuovi materiali (composti intermetallici), ma oggi la parola "alta temperatura" nasconde temperature di circa 150 K (- 120С), che di nuovo è irraggiungibile per le sale macchine). Di conseguenza, nei prossimi anni non sono prevedibili cambiamenti nella situazione.
• Molti processi collaterali e la necessità di utilizzare molti altri pezzi di attrezzatura. Quindi, per fare un qualsiasi calcolo, è necessario fare riferimento al processore (cioè deve essere acceso), al database sul disk array (e deve essere alimentato), a memoria ad accesso casuale(ed è anche volatile), ecc. Di conseguenza, per ottenere un segnale, è necessario generarne diversi ausiliari, ognuno dei quali richiede anche un'elaborazione. Di conseguenza, la cerchia degli "attori" è molto ampia e ciascuna di queste "persona" ha il proprio consumo di energia. Naturalmente, la moderna miniaturizzazione di tutti gli elementi ha un effetto positivo sul loro consumo energetico, quindi i progressi in questo settore sono evidenti.

In generale, una distanza significativa tra l'efficienza del data center e segno zero non c'è da aspettarselo.

Tuttavia, per comodità, ha senso scomporre l'efficienza del data center in efficienza dell'ingegneria ed efficienza dell'IT.

Efficienza ingegneristica del data center = capacità IT/capacità apparente del data center

Efficienza IT = potenza di calcolo / potenza IT

Quindi efficienza del data center = efficienza ingegneristica * efficienza IT.

Per i motivi di cui sopra, l'efficienza IT è di circa lo 0% e non è di particolare interesse per la mancanza di modi per aumentarla nel prossimo futuro.

A sua volta, l'efficienza dell'ingegneria del data center è di grande interesse, è l'indicatore principale dell'efficienza del data center e, di norma, si trova nell'intervallo dal 35 al 95%. Una diffusione così ampia è spiegata dalla modalità di funzionamento del sistema di climatizzazione: durante il funzionamento ciclo frigorifero l'intervallo si restringe al 35-55% e, nel caso della modalità freecooling, otteniamo un intervallo del 75-95%.

Relazione tra efficienza e indicatori accettati

Vale la pena notare che l'efficienza del data center è valutata dal coefficiente PUE generalmente accettato (Power Utilization Effectiveness, energy usage efficient) e dal coefficiente DCiE (Data Cetner Infrastructure Efficiency, Data Center Infrastructure Efficiency). Entrambi sono direttamente correlati all'efficienza dell'ingegneria:

DCiE = efficienza ingegneristica del data center

PUE = 1 / Efficienza ingegneristica del data center

DCiE = 1 / PUE.

Quindi, maggiore è l'efficienza, maggiore è il DCiE e minore è il PUE, meglio è.

Eccellenza dei Data Center

Come accennato in precedenza, la perfezione è il rapporto tra pratico effetto utile al massimo teorico. Ciò tiene conto di una tecnologia specifica per ottenere un effetto benefico.

Quindi, per eseguire i calcoli, non esiste altra tecnologia, ad eccezione dell'uso di semiconduttori e giunzioni p-n. Senza toccare la regione della superconduttività ad alta temperatura la perfezione dei server di oggi può essere stimata al 60%(la cifra è imprecisa, non confermata, desunta dagli specialisti competenti). Ciò significa che eseguendo gli stessi calcoli, il consumo energetico delle apparecchiature IT può essere ridotto del 40%.

Ecco due esempi illustrativi:

• La potenza dei processori cresce più lentamente delle loro prestazioni:

Pentium II - 450 MHz massimo a 30 W

Pentium III - 1,4 GHz massimo a 40 W

Pentium IV - 3,8 GHz massimo a 120 W

Pentium Dual Core: 3,1 GHz a 65 W

• Il consumo energetico dei dischi rigidi è notevolmente diminuito: se prima la corrente consumata superava 1A, ora è di circa 0,5A.

Perfezione infrastruttura ingegneristica Il data center viene drasticamente ridotto a causa dei sistemi di condizionamento (come accennato all'inizio, la loro perfezione è di circa il 10%, più precisamente - 12,2% a pieno carico).

Allo stesso tempo, la perfezione dei sistemi di distribuzione dell'energia è piuttosto elevata (circa il 98%).

Di conseguenza, la perfezione dell'ingegneria è stimata al 12% e il data center nel suo insieme - 7,2%.

Otteniamo che con un'efficienza molto più elevata, la perfezione dell'ingegneria dei data center perde rispetto alla perfezione dell'IT.

La situazione è ancora più interessante nel caso del free cooling. La perfezione del freecooling è stimata intorno al 70%. Quindi la perfezione dell'ingegneria sarà del 68,6% e il data center totale del 41,1%.

L'utilizzo del freecooling consente di aumentare sia l'efficienza del data center che la sua perfezione.

Produzione e distribuzione di energia elettrica.

In una centrale elettrica regionale (cioè vicina a fonti di energia), l'elettricità è spesso generata da alternatori di macchine elettriche. Per ridurre le perdite durante la sua trasmissione e distribuzione, la tensione prelevata all'uscita del generatore viene aumentata da una sottostazione di trasformazione. L'elettricità viene quindi trasmessa su linee di trasmissione ad alta tensione (TL) su lunghe distanze, che possono essere misurate in centinaia di chilometri. Diverse sottostazioni di distribuzione sono collegate alla linea di trasmissione dell'energia, deviando l'elettricità verso i centri di consumo energetico locali. Poiché l'elettricità viene quindi trasmessa attraverso le strade e le aree popolate, la tensione nelle cabine viene nuovamente abbassata dai trasformatori per la sicurezza. Linee collegate ai trasformatori riduttori delle cabine rete dorsale. Nei punti convenienti di questa rete sono installati punti di diramazione per la rete di distribuzione delle utenze elettriche.

Centrali elettriche.

centrali elettriche tipi diversi, dislocati in luoghi diversi, possono essere combinati da linee elettriche ad alta tensione in un sistema di alimentazione. In questo caso, il carico (di base) costante consumato nell'arco della giornata è assunto dalle centrali nucleari (NPP), turbine a vapore ad alta efficienza centrali termiche e centrali elettriche (TPP e CHP), nonché centrali idroelettriche (HPP). Durante le ore di maggior carico, le centrali elettriche ad accumulo di pompaggio (PSPP), le unità turbogas (GTU) e le centrali termiche meno efficienti funzionanti con combustibili fossili sono inoltre collegate alla rete comune di trasmissione dell'energia del sistema elettrico.

L'alimentazione da sistemi di alimentazione presenta vantaggi significativi rispetto all'alimentazione da centrali isolate: l'affidabilità dell'alimentazione migliora, le risorse energetiche della zona sono utilizzate meglio, il costo dell'elettricità è ridotto grazie alla distribuzione del carico più economica tra le centrali, il la riserva di carica richiesta è ridotta, ecc.

fattore di carico.

Il carico dei consumatori varia a seconda dell'ora del giorno, del mese dell'anno, del tempo e del clima, della posizione geografica e dei fattori economici.

Il livello massimo (picco) di carico può essere raggiunto solo per poche ore all'anno, ma la capacità della centrale o del sistema di alimentazione deve essere progettata per il carico di punta. Inoltre, è necessario un eccesso, o riserva, di alimentazione per poter spegnere le singole unità di alimentazione Manutenzione e riparazione. La riserva di carica dovrebbe essere circa il 25% del pieno capacità installata.

L'efficienza dell'utilizzo di una centrale elettrica e di un sistema elettrico può essere caratterizzata dalla percentuale di elettricità (in kilowattora) effettivamente generata in un anno alla massima produttività annua possibile (nelle stesse unità). Il fattore di carico non può essere pari al 100%, in quanto sono inevitabili i tempi di fermo delle unità di potenza per la manutenzione programmata e la riparazione in caso di guasto di emergenza.

efficienza della centrale elettrica.

L'efficienza termica di una centrale elettrica a carbone può essere approssimata dalla massa di carbone, in chilogrammi, che viene bruciata per produrre un kilowattora di elettricità. Questo indicatore ( consumo specifico carburante) è diminuito costantemente da 15,4 kg/kWh negli anni '20 a 3,95 kg/kWh nei primi anni '60, ma è gradualmente aumentato a 4,6 kg/kWh negli anni '90. Ciò è in gran parte dovuto all'introduzione di collettori di polvere e depuratori di gas, che consumano fino al 10% della potenza di uscita della centrale, nonché il passaggio a carbone più pulito (a basso contenuto di zolfo), per il quale molte centrali non sono state progettate.

In termini percentuali, il rendimento termico di una moderna centrale termoelettrica non supera il 36%, principalmente a causa delle dispersioni di calore portate dai gas di scarico - prodotti della combustione.

Per le centrali nucleari che operano a più di basse temperature e pressioni, un'efficienza complessiva leggermente inferiore - circa il 32%.

Gli impianti a turbina a gas con una caldaia per il calore di scarto (un generatore di vapore che utilizza il calore dei gas di scarico) e una turbina a vapore aggiuntiva possono avere un'efficienza superiore al 40%.

L'efficienza termica di una centrale a turbina a vapore è tanto maggiore quanto maggiori sono le temperature di esercizio e le pressioni del vapore. Se all'inizio del XX secolo questi parametri erano 1,37 MPa e 260 °C, quindi attualmente sono comuni pressioni superiori a 34 MPa e temperature superiori a 590 °C (le centrali nucleari operano a temperature e pressioni inferiori rispetto alle centrali termiche più grandi, poiché le norme limitano la temperatura ammissibile nocciolo del reattore).

Nelle moderne centrali elettriche a turbina a vapore, il vapore parzialmente lavorato nella turbina viene portato nel punto intermedio per il riscaldamento (surriscaldamento intermedio) alla temperatura iniziale e possono essere forniti due o più stadi di riscaldamento. Il vapore proveniente da altri punti della turbina viene deviato per preriscaldare l'acqua di alimentazione fornita al generatore di vapore. Tali misure aumentano notevolmente l'efficienza termica.

Economia dell'industria dell'energia elettrica.

La tabella fornisce dati indicativi sul consumo di energia elettrica pro capite in alcuni paesi del mondo.

Tabella "Consumo elettrico annuo pro capite"

CONSUMO ANNUALE DI ENERGIA ELETTRICA PRO CAPITE (kWh, primi anni '90)
Norvegia	22485	Brasile	1246
Canada	14896	Messico	1095
Svezia	13829	tacchino	620
Stati Uniti d'America	10280	Liberia	535
Germania	6300	Egitto	528
Belgio	5306	Cina	344
Russia	5072	India	202
Giappone	5067	Zaire	133
Francia	4971	Indonesia	96
Bulgaria	4910	Sudan	50
Italia	3428	Bangladesh	39
Polonia	3327	Chad	14

CENTRALI A TURBINA A VAPORE

La quota principale dell'elettricità prodotta nel mondo è generata da centrali elettriche a turbina a vapore alimentate a carbone, olio combustibile o gas naturale.

Generatori di vapore.

Il generatore di vapore di una centrale a turbina a vapore funzionante con combustibili fossili è un gruppo caldaia con un forno in cui viene bruciato il combustibile, superfici evaporative nelle cui tubazioni l'acqua viene convertita in vapore, un surriscaldatore che innalza la temperatura del vapore prima che entri nel turbina a valori fino a 600°C, surriscaldatori intermedi (secondari) per il riscaldamento del vapore parzialmente speso nella turbina, un economizzatore in cui l'acqua di alimentazione in ingresso viene riscaldata dai fumi di scarico, e un preriscaldatore d'aria in cui la canna fumaria il gas cede il suo calore residuo all'aria fornita al forno.

Per fornire l'aria necessaria per la combustione al forno, vengono utilizzati ventilatori che creano al suo interno un tiraggio artificiale o forzato. In alcuni generatori di vapore, il tiraggio è creato dai ventilatori di scarico (aspiratori di fumo), in altri - dai ventilatori di alimentazione (pressione) e molto spesso da entrambi, che fornisce il cosiddetto. tiraggio equilibrato con pressione neutra nel forno.

Quando il carburante viene bruciato, i componenti non combustibili, il cui contenuto può raggiungere il 12–15% del volume totale di bituminoso e il 20–50% di lignite, si depositano sul fondo Camera di combustione sotto forma di scoria o cenere secca. Il resto passa attraverso il forno sotto forma di polvere, che dovrebbe essere pulita dai gas di scarico prima di rilasciarli nell'atmosfera. La pulizia delle polveri e delle ceneri viene effettuata da cicloni e precipitatori elettrostatici, in cui le particelle di polvere vengono caricate e depositate su fili o piastre collettori con carica di segno opposto.

Le normative per le nuove centrali elettriche limitano l'emissione non solo di particolato, ma anche di anidride solforosa. Pertanto, immediatamente prima del camino nei condotti del gas, sono previsti degli scrubber chimici, spesso installati dopo i precipitatori elettrostatici. Gli scrubber (a umido oa secco) utilizzano vari processi chimici per rimuovere lo zolfo dai gas di scarico.

A causa dell'elevato grado di pulizia richiesto da polvere e cenere, vengono attualmente utilizzati anche filtri a maniche in tessuto con scuotimento e controlavaggio, contenenti centinaia di grandi sacchetti in tessuto - elementi filtranti.

Generatori elettrici.

Il generatore della macchina elettrica è azionato dal cosiddetto. motore primo come una turbina. L'albero rotante del motore primo è collegato mediante un giunto all'albero del generatore elettrico, che di solito porta i poli magnetici e gli avvolgimenti di eccitazione. Il campo magnetico della corrente creato nell'avvolgimento di eccitazione da un piccolo generatore ausiliario o dispositivo a semiconduttore (eccitatore) attraversa i conduttori dell'avvolgimento dello statore (telaio fisso del generatore), a causa del quale viene indotta una corrente alternata in questo avvolgimento, che viene rimosso dai terminali di uscita del generatore. I grandi generatori trifase producono tre correnti separate ma coordinate in tre sistemi separati di conduttori, la cui tensione raggiunge i 25 kV. I conduttori sono collegati a un trasformatore step-up trifase, dalla cui uscita l'elettricità viene trasmessa attraverso linee elettriche trifase ad alta tensione ai centri di consumo.

I potenti turbogeneratori moderni hanno sistema chiuso ventilazione con idrogeno come gas di raffreddamento. L'idrogeno non solo rimuove il calore, ma riduce anche le perdite aerodinamiche. Pressione di esercizio l'idrogeno è compreso tra 0,1 e 0,2 MPa. Per un raffreddamento più intenso del generatore, l'idrogeno può essere fornito anche sotto pressione ai conduttori cavi dello statore. In alcuni modelli di generatore, gli avvolgimenti dello statore sono raffreddati ad acqua.

Al fine di aumentare l'efficienza di raffreddamento e ridurre le dimensioni del generatore, è in corso la ricerca sulla possibilità di realizzare un generatore raffreddato ad elio liquido.

Turbine a vapore.

Il vapore proveniente dai surriscaldatori del generatore di vapore che entra nella turbina passa attraverso un sistema di ugelli di ingresso profilati (apparato ugelli). In questo caso, la pressione e la temperatura del vapore vengono ridotte e la velocità viene notevolmente aumentata. Getti di vapore ad alta velocità colpiscono la corona delle lame di lavoro (con un profilo aerodinamico) montate sul rotore della turbina e l'energia del vapore viene convertita in energia di rotazione del rotore.

Il vapore passa attraverso una serie di guide e griglie di lavoro fino a quando la sua pressione non scende a circa 2/3 della pressione atmosferica e la temperatura scende ad un livello (32–38°C) che è il minimo necessario per evitare la condensazione del vapore.

All'uscita della turbina, il vapore scorre attorno ai fasci tubieri del condensatore, attraverso i quali viene pompato acqua fredda, e, cedendo calore all'acqua, condensa, per cui qui viene mantenuto un piccolo vuoto. La condensa che si accumula sul fondo del condensatore viene pompata fuori dalle pompe e, dopo aver attraversato una serie di serpentine riscaldanti, ritorna al generatore di vapore per riavviare il ciclo. Il vapore per questi scambiatori di calore di riscaldamento viene prelevato da diversi punti nel percorso del vapore della turbina da sempre di più alta temperatura in funzione dell'aumento di temperatura del ritorno della condensa.

Poiché il condensatore richiede grandi quantità d'acqua, è consigliabile realizzare grandi centrali termiche in prossimità di grandi specchi d'acqua. Se l'approvvigionamento idrico è limitato, vengono costruite torri di raffreddamento. Nella torre di raffreddamento, l'acqua utilizzata per condensare il vapore nel condensatore viene pompata alla sommità della torre, da dove defluisce in numerosi deflettori, diffondendosi in uno strato sottile su una vasta area. L'aria che entra nella torre sale a causa del tiraggio naturale o del tiraggio forzato creato da fan potenti. Il movimento dell'aria accelera l'evaporazione dell'acqua, che viene raffreddata per evaporazione. In questo caso, l'1–3% dell'acqua di raffreddamento viene perso, lasciando nell'atmosfera una nuvola di vapore. L'acqua raffreddata viene reimmessa al condensatore e il ciclo si ripete. Le torri di raffreddamento vengono utilizzate anche nei casi in cui l'acqua viene prelevata da un serbatoio, in modo da non scaricare l'acqua calda di scarto in un bacino d'acqua naturale.

La potenza delle più grandi turbine a vapore raggiunge i 1600 MW. Gli stadi di alta, intermedia e bassa pressione possono essere realizzati sullo stesso rotore, quindi la turbina viene chiamata monoalbero. Ma le turbine di grandi dimensioni sono spesso prodotte con un design a due alberi: gli stadi intermedi e di bassa pressione sono montati su un rotore separato dallo stadio. alta pressione. Temperatura massima Il vapore davanti alla turbina dipende dal tipo di acciaio utilizzato per le linee del vapore e per i surriscaldatori ed è in genere compreso tra 540 e 565°C, ma può arrivare fino a 650°C.

Regolazione e gestione.

Innanzitutto, è necessario mantenere accuratamente la frequenza standard della corrente alternata generata. La frequenza della corrente dipende dalla velocità di rotazione della turbina e dell'albero del generatore, quindi è necessario regolare il flusso (flusso) di vapore all'ingresso della turbina nel pieno rispetto delle variazioni del carico esterno. Questo viene fatto da regolatori controllati da computer molto precisi che agiscono sulle valvole di controllo dell'ingresso della turbina. I controllori a microprocessore coordinano il lavoro di diverse unità e sottosistemi della centrale. I computer situati nella sala di controllo centrale avviano e arrestano automaticamente le caldaie a vapore e le turbine, elaborando i dati da oltre 1.000 punti diversi della centrale elettrica. Sistemi automatizzati i sistemi di controllo (ACS) monitorano il sincronismo del funzionamento di tutte le centrali elettriche del sistema elettrico e regolano la frequenza e la tensione.

ALTRI TIPI DI CENTRALI

Centrali idroelettriche.

Circa il 23% dell'elettricità nel mondo è generata da centrali idroelettriche. Si trasformeranno energia cinetica acqua che cade dentro energia meccanica rotazione della turbina e la turbina aziona il generatore di corrente della macchina elettrica. La più grande unità idroelettrica del mondo è installata a Itaipu sul fiume. Paranà, dove separa il Paraguay e il Brasile. La sua potenza è di 750 MW. Un totale di 18 unità di questo tipo sono state installate presso l'HPP di Itaipu.

Le centrali idroelettriche (PSPP) sono dotate di unità (macchine idrauliche ed elettriche) che, per loro progettazione, sono in grado di funzionare sia in modalità turbina che pompaggio. Durante le ore di basso carico, il PSPP, consumando elettricità, pompa l'acqua dal serbatoio a valle a quello a monte e durante le ore di maggiore carico nel sistema elettrico, utilizza l'acqua immagazzinata per generare energia di picco. Il tempo di avvio e cambio modalità è di alcuni minuti.

Installazioni di turbine a gas.

Le GTU sono abbastanza ampiamente utilizzate nelle piccole centrali elettriche di proprietà di comuni o imprese industriali, nonché nelle unità di "picco" (di riserva) - nelle grandi centrali elettriche. Olio combustibile o gas naturale e il gas ad alta temperatura e ad alta pressione agisce sulle ruote della turbina più o meno allo stesso modo del vapore in una turbina a vapore. Il rotore rotante di una turbina a gas aziona anche un generatore elettrico compressore d'aria, che porta l'aria necessaria alla combustione nella camera di combustione. Circa 2/3 dell'energia viene assorbita dal compressore; gas di scarico caldi dopo che la turbina è stata scaricata nel camino. Per questo motivo l'efficienza degli impianti a turbina a gas non è molto elevata, ma anche i costi di capitale sono contenuti rispetto alle turbine a vapore di pari potenza. Se la GTP viene utilizzata solo per poche ore all'anno durante i periodi di punta, gli elevati costi operativi sono compensati da bassi costi di capitale, in modo che l'uso della GTP per fornire fino al 10% della produzione totale della centrale è economicamente fattibile.

Nelle centrali combinate a vapore e turbina a gas (CCP), i gas di scarico ad alta temperatura della turbina a gas non vengono inviati al camino, ma alla caldaia del calore di scarto, che genera vapore per turbina a vapore. L'efficienza di un tale impianto è superiore a quella della migliore turbina a vapore, presa separatamente (circa il 36%).

Centrali elettriche con motori a combustione interna.

Le centrali elettriche municipali e industriali utilizzano spesso motori a combustione interna diesel e benzina per azionare i generatori di corrente.

I motori a combustione interna hanno una bassa efficienza, che è associata alle specificità del loro ciclo termodinamico, ma questo svantaggio è compensato da bassi costi di capitale. La potenza dei più grandi motori diesel è di circa 5 MW. Il loro vantaggio è la loro piccola dimensione, che consente loro di essere convenientemente posizionati vicino al sistema di consumo energetico nel comune o in fabbrica. Non richiedono grandi quantità di acqua, poiché i gas di scarico non devono essere condensati; sufficiente per raffreddare i cilindri e l'olio lubrificante. Nelle installazioni con un gran numero di motori diesel o benzina, i loro gas di scarico vengono raccolti in un collettore e inviati a un generatore di vapore, il che aumenta notevolmente l'efficienza complessiva.

Centrali elettriche nucleari.

Nelle centrali nucleari, l'elettricità viene generata allo stesso modo delle centrali termiche convenzionali che bruciano combustibili fossili, per mezzo di generatori di macchine elettriche azionati da turbine a vapore. Ma il vapore qui è prodotto dalla fissione degli isotopi dell'uranio o del plutonio nel corso di una reazione a catena controllata che ha luogo in reattore nucleare. Il refrigerante che circola attraverso il percorso di raffreddamento del nocciolo del reattore rimuove il calore di reazione rilasciato e viene utilizzato direttamente o attraverso scambiatori di calore per produrre vapore, che viene alimentato alle turbine.

Il costo di capitale per la costruzione di una centrale nucleare è estremamente elevato rispetto a quello di una centrale elettrica a combustibili fossili della stessa capacità, con una media di circa $ 3.000/kWh negli Stati Uniti, mentre $ 600/kWh per le centrali a carbone. Ma le centrali nucleari consumano quantità molto piccole di combustibile nucleare, il che può essere abbastanza significativo per i paesi che altrimenti dovrebbero importare combustibile convenzionale. FISSIONE NUCLEARE; ENERGIA NUCLEARE; NAVI POTENZA INSTALLAZIONI E MOTORI.

Impianti solari, eolici, geotermici.

L'energia solare viene convertita direttamente in elettricità da generatori di corrente fotovoltaici a semiconduttore, ma i costi di capitale per questi convertitori e la loro installazione sono tali che il costo della capacità installata è diverse volte superiore a quello delle centrali termoelettriche. Ci sono un certo numero di grandi centrali solari in funzione; il più grande, con una capacità di 1 MW, si trova a Los Angeles (California). Il tasso di conversione è del 12–15%. La radiazione solare può anche essere utilizzata per generare elettricità concentrando i raggi solari con grande sistema specchi, controllati da un computer, su un generatore di vapore installato al centro della torre. Un impianto pilota di questo tipo con una capacità di 10 MW è stato realizzato in pz. Nuovo Messico. Le centrali solari negli Stati Uniti generano circa 6,5 ​​milioni di kWh all'anno.

I costruttori di parchi eolici da 4 MW costruiti negli Stati Uniti hanno dovuto affrontare numerose sfide a causa della loro complessità e grandi formati. In California sono stati costruiti numerosi "campi eolici", con centinaia di piccole turbine eoliche collegate alla rete elettrica locale. centrali eoliche ripaga solo se la velocità del vento è superiore a 19 km / h e i venti soffiano più o meno costantemente. Purtroppo sono molto rumorosi e quindi non possono essere localizzati vicino agli insediamenti.

L'energia geotermica è discussa nell'articolo RISORSE ENERGETICHE.

POTENZA DI TRASMISSIONE

L'elettricità generata dal generatore viene convogliata al trasformatore elevatore attraverso conduttori rigidi e massicci in rame o alluminio chiamati sbarre. La sbarra di ciascuna delle tre fasi ( vedi sopra) è isolato in una guaina metallica separata, talvolta riempita con gas isolante SF6 (esafluoruro di zolfo).

I trasformatori elevano la tensione ai valori necessari per la trasmissione efficiente dell'elettricità su lunghe distanze.

Generatori, trasformatori e sbarre sono interconnessi tramite dispositivi di sezionamento ad alta tensione - manuali e interruttori, consentendo di isolare le apparecchiature per la riparazione o la sostituzione e proteggendole dalle correnti di cortocircuito. La protezione contro le correnti di cortocircuito è fornita da interruttori automatici. Negli interruttori automatici in olio, l'arco che si verifica quando i contatti si aprono si spegne in olio. Negli interruttori automatici in aria, l'arco è bruciato aria compressa o viene applicato il "soffio magnetico". Gli ultimi interruttori automatici di spegnimento dell'arco utilizzano le proprietà isolanti del gas SF6.

I reattori elettrici vengono utilizzati per limitare l'intensità delle correnti di cortocircuito che possono verificarsi durante gli incidenti sulle linee elettriche. Il reattore è un induttore con diverse spire di un conduttore massiccio, collegato in serie tra la sorgente di corrente e il carico. Abbassa la corrente a un livello accettabile per l'interruttore.

Da un punto di vista economico, il più conveniente, a prima vista, sembra essere l'ubicazione aperta della maggior parte delle sbarre di alta tensione e apparecchiature ad alta tensione centrali elettriche. Tuttavia, vengono sempre più utilizzati involucri metallici isolati con SF6. Tali apparecchiature sono estremamente compatte e occupano 20 volte meno spazio rispetto alle apparecchiature aperte equivalenti. Questo vantaggio è molto significativo nei casi in cui il costo è elevato. appezzamento di terreno o quando è necessario aumentare la capacità di un quadro interno esistente. Inoltre, di più protezione affidabile desiderabile dove le apparecchiature possono essere danneggiate a causa di un grave inquinamento atmosferico.

Per trasmettere l'elettricità a distanza vengono utilizzate linee elettriche aeree e via cavo che, insieme alle sottostazioni elettriche, formano reti elettriche. I cavi non isolati delle linee elettriche aeree sono sospesi utilizzando isolanti su supporti. Le linee di trasmissione via cavo sotterranee sono ampiamente utilizzate nella costruzione di reti elettriche in città e paesi. imprese industriali. Tensione nominale delle linee di trasmissione aeree - da 1 a 750 kV, cavo - da 0,4 a 500 kV.

DISTRIBUZIONE DELL'ENERGIA

Sul cabine di trasformazione la tensione viene successivamente ridotta al livello necessario per la distribuzione ai centri di consumo energetico e infine alle singole utenze. Linee elettriche ad alta tensione tramite interruttori sono collegati alla sbarra della cabina di distribuzione. Qui la tensione viene ridotta ai valori impostati per la rete principale, distribuendo l'energia elettrica lungo le strade e le strade. La tensione della rete principale può variare da 4 a 46 kV.

Nelle cabine di trasformazione della rete principale, l'energia viene diramata nella rete di distribuzione. La tensione di rete per i consumatori residenziali e commerciali è compresa tra 120 e 240 V. I grandi consumatori industriali possono ricevere elettricità con tensioni fino a 600 V, nonché con tensioni più elevate - secondo linea separata dalla sottostazione. La rete di distribuzione (aerea o via cavo) può essere organizzata secondo uno schema a stella, ad anello o combinato, a seconda della densità di carico e di altri fattori. Reti di trasmissione di potenza di società elettriche vicine uso comune uniti in un'unica rete.

Perdite di energia elettrica nella rete progettata in %

dove è la quantità di elettricità ricevuta dai consumatori

Il costo della trasmissione dell'energia elettrica attraverso la rete:

Mld=39192,85/312700=11,8 kp/kW*h

Massima efficienza:

dove è la potenza attiva totale dei carichi;

Perdite totali di potenza attiva in tutti gli elementi della rete.

Efficienza di rete media ponderata:

Conclusione

Dopo aver completato il lavoro del corso sulla disciplina "Reti e sistemi elettrici", credo di aver padroneggiato le problematiche del calcolo e della progettazione delle reti elettriche. Inizialmente sono stati determinati i parametri del tratto di rete elettrica, è stato scelto uno schema economicamente fattibile, per questa opzione una rete aperta, non ridondante, radiale, poiché lungo il percorso è presente una lunghezza piuttosto breve, quindi manutenzione della rete e cabina semplificata gli schemi sono facilitati. Per ragioni tecniche ed economiche, a seconda della lunghezza delle linee aeree e della quantità di potenza attiva che verrà trasmessa attraverso di esse nella modalità di carichi massimi, la tensione nominale della rete è di 110 kV. Quindi, dopo aver selezionato i trasformatori per ciascuna cabina (PS1 - TRDN -25000/110, PS2 - TDN -16000/110, PS3 - TDN -10000/110) e determinando i parametri delle linee (sezioni dei fili), i saldi di le potenze attive e reattive della regione sono state compilate per i binari di alimentazione.

I livelli di tensione della rete sono stati calcolati per ciascuna tratta in base al suo inizio, muovendo dalle linee di alimentazione dall'inizio alla fine, dalle linee AT alle linee BT di ciascuna cabina. Pertanto, viene determinata la tensione in tutti i punti della rete elettrica. Sui bus a 10 kV della sottostazione a cui sono collegati reti di distribuzione, i dispositivi di controllo devono garantire il mantenimento della modalità di carico massimo - non inferiore a 1,05 U nom. In un trasformatore a due avvolgimenti, la regolazione della tensione viene solitamente eseguita modificando il numero di spire dell'avvolgimento di regolazione collegato al lato neutro dell'avvolgimento di alta tensione. Scegliendo il commutatore sui trasformatori PS1 (n = -7), PS2 (n = -3) e PS3 (n = -9), ci siamo assicurati che la tensione sul lato BT nella modalità di carico massimo soddisfi i requisiti del PUE.

Nella parte finale dei lavori sono stati determinati gli indicatori tecnici ed economici della rete elettrica. Gli investimenti di capitale per la costruzione della rete sono stati pari a 1.148.200 mila rubli. Costi annuali per il funzionamento della rete migliaia di rubli. Il costo di trasmissione e distribuzione dell'elettricità è di 38,1 copechi/kWh Inoltre è stata determinata l'efficienza della rete nella modalità di carico massimo: s m = 96,51% e l'energia media ponderata per l'anno s w = 97,09%. Poiché l'efficienza media ponderata per l'energia per l'anno è di circa il 95%, si può concludere che questo sistema è economico.

Massima efficienza della rete.

Efficienza di rete media ponderata:

Determinazione del costo di trasmissione e distribuzione di 1 kWh di energia elettrica:

Conclusione

Come risultato dell'esecuzione tesina in conformità con il compito è stato sviluppato migliore opzione rete elettrica della zona di carico. A titolo di confronto, tra diverse opzioni di configurazione di rete, due sono state selezionate in base al costo più basso, alla massima affidabilità e alla facilità d'uso. Nel corso dell'ulteriore sviluppo delle opzioni e del calcolo della loro efficienza economica utilizzando il metodo del costo scontato, l'opzione è stata scelta schema ad anello reti.

La rete progettata appartiene al numero di reti distrettuali con una tensione di 220 - 110 kV. La rete alimenta tre sottostazioni, che comprendono i consumatori delle categorie I, II, III in termini di affidabilità dell'alimentazione.

I consumatori vengono alimentati attraverso due trasformatori in ciascuna sottostazione. I trasformatori sono selezionati tenendo conto della capacità di sovraccarico:

A PS-1 - TRDN - 25000/110/10;

A PS-2 - ATDCTN - 125000/220/110/10;

A PS-3 - TDN - 16000/110/10.

Vengono realizzate linee elettriche con una tensione di 110 kV supporti in cemento armato, linee con tensione di 220 kV - su supporti in acciaio, in entrambi i casi sono stati utilizzati fili acciaio-alluminio. La sezione dei fili viene scelta in base alla sezione economica, con verifica della corrente di sovraccarico ammissibile in modalità di emergenza. A seconda del tipo di cabina e del numero di collegamenti lato tensione superiore, sono stati selezionati gli schemi connessione elettrica Quadri di sottostazioni:

Sul lato di 220 kV SS-2 - uno schema quadrilatero;

Sul lato di 110 kV SS-2 - un sistema di sbarre funzionante, sezionato in base al numero di tr-fosso, con il collegamento di trasformatori attraverso una forcella di due interruttori automatici;

Sul lato di 110 kV PS-1, PS-3 - un ponte con un interruttore nei circuiti del trasformatore e un ponticello di riparazione dal lato dei trasformatori;

Sul lato 10 kV - PS-2, PS-3 - un unico sistema di sbarre sezionato da interruttore;

Sul lato di 10 kV - PS-1 - due sistemi di sbarre singoli partizionati da un interruttore;

La qualità dell'energia elettrica in modalità normale e post-emergenza è assicurata dalla regolazione sotto carico per tutti i trasformatori. Per regolare la tensione sui bus SS-2 da 10 kV sono stati utilizzati trasformatori di regolazione del tipo LTDN-40000/10.

I regimi stazionari sono stati studiati e analizzati utilizzando il programma Energy.

I calcoli tecnici ed economici hanno fornito i seguenti indicatori della rete:

1. Totale investimenti di capitale della rete:

2. Costi di esercizio delle apparecchiature:

3. Potenza e perdite di energia nella rete:

4. Costo della trasmissione di potenza:

5. Massima efficienza della rete:

6. Efficienza media ponderata:

In base al fatto che la variante scelta della rete elettrica soddisfa i requisiti ad essa imposti, la riteniamo ottimale.

Bibliografia:

1. Libro di consultazione sulla progettazione delle reti elettriche / ed. DL Faibisovich - 4a ed., riveduta. e aggiuntivo – M.: ENAS, 2012.-376 p.: ill.

2. Norme per l'installazione degli impianti elettrici./Coll.aut.-M.: Alvis Publishing House, 2012.-816 p.

3. MU n. 128 - Selezione di trasformatori di potenza per sottostazioni di sistemi elettrici e imprese industriali, tenendo conto dei carichi ammessi / D.A. Polkoshnikov, MI Sokolov. - Ivanovo: ISPU, 2009.-24 p.

4. Bushueva O.A., Kuleshov AI Rete elettrica area di carico - tutorial al progetto del corso/ISPU. - Ivanovo, 2006. – 72 pag.