XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Устройство «Чистодуй» на ТЭЦ на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Антипов Т.М. 1Колоярцев Д.А. 1Кузьмин М.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Шишкина И.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

2.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) − разновидность тепловой электростанции, которая производит не только электроэнергию, но и является источником тепловой энергии в централизованных системах теплоснабжения (в виде пара и горячей воды, в том числе для обеспечения горячего водоснабжения и отопления жилых и промышленных объектов). Еще один важным преимуществом ТЭЦ является ее работа на различных видах топлива. Вследствие этого возможно относительно свободное территориальное размещение, связанное с широким распространением топливных ресурсов. Способность вырабатывать электроэнергию без сезонных колебаний мощности. Несмотря на неоспоримые преимущества электроцентрали в добыче энергии, все же существуют серьезные проблемы и недостатки.

ТЭЦ работают на невозобновляемых ресурсах, а также в некоторых случаях зависят от поставки топлива. Но главным и наиболее серьезным недостатком ТЭЦ является оказание значительного негативного воздействия на состояние всех элементов окружающей природной среды. Это, прежде всего, химическое загрязнение, связанное со значительными выбросами в атмосферу загрязнителей (самые чистые − ТЭЦ, работающие на природном газе). В процессе сжигания топлива минеральные примеси и несгоревшие органические остатки переходят в поток газов во взвешенном состоянии и загрязняют атмосферу, оказывают вредное воздействие на живые организмы, увеличивают износ механизмов, вызывают коррозию металлов, разрушают строительные конструкции зданий и сооружений. Основными загрязнителями являются: оксиды азота (NOx), оксиды серы (SO2 и SO3), оксиды углерода (CO и CO2), зола, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).

Таким образом, работа ТЭЦ сопровождается вредными выбросами в атмосферу

Нам стала интересна данная тема, связанная с теплоэлектроцентралью, и мы решили разработать ТЭЦ, не приносящей вред экологии, за счёт использования фильтров.

Цель проектной работы: разработать и сконструировать модель ТЭЦ на базе конструктора LEGO® Education «Первые механизмы», использующую устройство, предотвращающее загрязнение атмосферы углекислым газом.

Задачипроектной работы:

1. Изучить что такое энергетика;

2. Найти информацию о теплоэлектроцентрали, какие виды ТЭЦ существуют, назначение ТЭЦ, принцип работы и основное оборудование;

3. Посетить экскурсию в компанию СУЭНКО;

4. СоздатьпроектТЭЦ, не загрязняющего атмосферу набазеконструктораLEGO® Education «Первые механизмы»;

5. Презентовать проект.

В качестве источников информации мы использовали информационные сайты. Приконструированиидвижимыхчастейпроектанампомогликнигииметодические пособия о простых и сложных механических передачах [1,2,3].

Глава 1 Основная информация по энергетике

1. 1. Энергетика

Энергетика – это область хозяйственно - экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов (Рисунок 1.1.1, Приложение). Её целью является обеспечение производства энергии путём преобразования первичной, природной энергии во вторичную, например, в электрическую или тепловую энергию. При этом производство энергии чаще всего происходит в несколько стадий:

• получение и концентрация энергетических ресурсов, примером может послужить добыча, курс переработка и обогащение ядерного топлива;

• передача ресурсов к энергетическим установкам, например, доставка газа, угля, мазута на тепловую электростанцию;

• преобразование с помощью электростанций первичной энергии во вторичную, например, химической энергии угля в электрическую и тепловую энергию;

• передача вторичной энергии потребителям, например, по линиям электропередачи.

Энергетика является основой развития производственных сил в любом государстве. Энергетика обеспечивает бесперебойную работу промышленности, сельского хозяйства, транспорта, коммунальных хозяйств [4].

Для того, чтобы узнать больше информации об энергии, мы съездили на экскурсию в Сибирско-Уральскую энергетическую компанию (СУЭНКО) (Рисунок 1.1.2, Приложение).

Сибирско-Уральская энергетическая компания (СУЭНКО) – межрегиональная сетевая компания, обеспечивающая электроэнергией потребителей Тюменской и Курганской областей. Территория присутствия:
-  Тюмень, Тобольск, Ишим, Заводоуковск, Ялуторовск, Уват и ближайшие к ним муниципальные районы, - 24 района Зауралья, включая города Курган и Шадринск (Рисунок 1.1.3, Приложение). Общая протяженность электрических сетей на обслуживании предприятия – более тридцати шести тысяч километров.
СУЭНКО является крупнейшим инвестором в сфере электроэнергетики юга Тюменской области и всего Зауралья. Входит в группу компаний ООО «Корпорация СТС» [5].

Мы ознакомились с экспозицией «Энергия СУЭНКО». Здесь мы погрузились в историю тюменской и курганской энергетики, узнали больше об электротранспорте и о том, как работают современные энергетики.

Типы электростанций (Рисунок 1.1.4, Приложение):

• тепловые электростанции (ТЭС), использующие природное топливо;

• гидроэлектростанции (ГЭС), использующие энергию падающей воды запруженных рек;

• атомные электростанции (АЭС), использующие ядерную энергию;

Нас очень заинтересовала информация о том, что энергетика основана на использовании органического топлива, невозобновляемых источников энергии. К таковым относятся энергогенерирующие устройства, работающие с использованием угля, мазуты, природного газа, лигнита, торфа. [6]

Увидев, насколько многогранны возможности получения энергии, нам стало интересно более подробно изучить возможности теплоэлектроцентрали в Тюменской области.

1.2 Теплоэлектроцентраль. Виды, назначение, принципы работы, основное оборудование

Основное назначение теплоэлектроцентрали – это централизованное снабжение потребителей теплом и электроэнергией.

По типу соединения котлов и турбин теплоэлектроцентрали могут быть блочные и не блочные (с поперечными связями). На блочных ТЭЦ котлы и турбины соединены попарно (иногда применяется дубль-блочная схема: два котла на одну турбину). Такие блоки имеют, как правило, большую электрическую мощность: 100—300 МВт.

Схема с поперечными связями позволяет перебросить пар от любого котла на любую турбину, что повышает гибкость управления станцией. Однако для этого необходимо установить крупные паропроводы вдоль главного корпуса станции. Кроме того, все котлы и все турбины, объединённые в схему, должны иметь одинаковые номинальные параметры пара (давление, температуру).

Рассмотрим принцип работы ТЭЦ на примере электростанции «Мосэнерго» (Рисунок 1.2.1, Приложение):

В качестве топлива используется самое экологически чистое топливо — природный газ. На ТЭЦ газ поступает по газопроводу в паровой котел. В котле газ сгорает и нагревает воду.

Чтобы газ лучше горел, в котлах установлены тягодутьевые механизмы. В котел подается воздух, который служит окислителем в процессе сгорания газа. Для снижения уровня шума механизмы снабжены шумоглушителями. Образовавшиеся при горении топлива дымовые газы отводятся в дымовую трубу и рассеиваются в атмосфере.

Раскаленный газ устремляется по газоходу и нагревает воду, проходящую по специальным трубкам котла. При нагревании вода превращается в перегретый пар, который поступает в паровую турбину. Пар поступает внутрь турбины и начинает вращать лопатки турбины, которые связаны с ротором генератора. Энергия пара превращается в механическую энергию. В генераторе механическая энергия переходит в электрическую, ротор продолжает вращаться, создавая в обмотках статора переменный электрический ток.

Через повышающий трансформатор и понижающую трансформаторную подстанцию электроэнергия по линиям электропередач поступает потребителям. Отработавший в турбине пар направляется в конденсатор, где превращается в воду и возвращается в котел. На ТЭЦ вода движется по кругу. Градирни предназначены для охлаждения воды. На ТЭЦ используются вентиляторные и башенные градирни. Вода в градирнях охлаждается атмосферным воздухом. В результате выделяется пар, который мы и видим над градирней в виде облаков. Вода в градирнях под напором поднимается вверх и водопадом падает вниз в аванкамеру, откуда поступает обратно на ТЭЦ. Для снижения капельного уноса градирни оснащены водоуловителями.

Водоснабжение осуществляется от Москвы-реки. В здании химводоочистки вода очищается от механических примесей и поступает на группы фильтров. На одних она подготавливается до уровня очищенной воды для подпитки теплосети, на других — до уровня обессоленной воды и идет на подпитку энергоблоков.

Цикл, используемый для горячего водоснабжения и теплофикации, также замкнутый. Часть пара из паровой турбины направляется в водонагреватели. Далее горячая вода направляется в тепловые пункты, где происходит теплообмен с водой, поступающей из домов.

К основному оборудованию ТЭЦ, работающей по паровому циклу (цикл Ренкина) относится: паровые котлы, паровые турбины, электрические генераторы и главные трансформаторы [7].

Паровые котлы (Рисунок 1.2.2, Приложение)

Паровой котёл – установка, предназначенная для генерации насыщенного или перегретого пара, а также для подогрева воды, путём выделения теплоты, полученной при сжигании топлива и перехода его химической энергии в тепловую.

Существуют два основных типа паровых котлов: газотрубные и водотрубные. Все котлы (жаротрубные, дымогарные и дымогарно-жаротрубные), в которых высокотемпературные газы проходят внутри жаровых и дымогарных труб, отдавая тепло воде, окружающей трубы, называются газотрубными. В водотрубных котлах по трубам протекает нагреваемая вода, а топочные газы омывают трубы снаружи.

Паровые турбины (Рисунок 1.2.3, Приложение)

Паровая турбина — это машина, предназначенная для преобразования тепловой энергии пара в механическую энергию вращения.

В паровой турбине, как следует из названия, работу совершает нагретый пар. Пар в турбину поступает из парового котла или котла-утилизатора. Температура, с которой приходит в турбину пар, может быть разной. Но в основном, температура пара в районе 500-570 градусов Цельсия. Давление, также, разнообразное. Самое распространённое, это — 90 ата, 130 ата и 240 ата.

По типу паровые турбины делятся на: конденсационные, теплофикационные, теплофикационные с отбором пара на производство, противодавленческие.

Электрический генератор (Рисунок 1.2.4, Приложение)

Электрический генератор — работающий в паре с турбиной синхронный генератор. Основная функция в преобразовании механической энергии вращения паровой или газовой турбины в электрическую. Скорость вращения ротора 3000, 1500 об/мин. Механическая энергия от турбины преобразуется в электрическую посредством вращающегося магнитного поля ротора в статоре. Поле ротора, которое создается током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора, приводит к возникновению трёхфазного переменного напряжения и тока в обмотках статора. Напряжение и ток на статоре тем больше, чем сильнее поле ротора, т.е. больше ток, протекающий в обмотках ротора. Напряжение и ток в обмотках ротора создает тиристорная система возбуждения или возбудитель — небольшой генератор на валу турбогенератора. Турбогенераторы имеют цилиндрический ротор, установленный на двух подшипниках скольжения, в упрощенном виде напоминает увеличенный генератор легкового автомобиля. Выпускаются 2-х полюсные (3000 об/мин), 4-х полюсные (1500 об/мин как на Балаковской АЭС), следовательно, имеют высокие частоты вращения и проблемы с этим связанные. По способам охлаждения обмоток турбогенератора различают: с водяным охлаждением (три воды), с воздушным и водородным.

В зависимости от системы охлаждения турбогенераторы подразделяются на несколько типов: с воздушным, масляным, водородным и водяным охлаждением.

Главные трансформаторы (Рисунок 1.2.5, Приложение)

Трансформаторы на ТЭЦ служат для связи ГРУ с энергосистемой и электроснабжения потребителей собственных нужд. Обычно на ТЭЦ устанавливаются два трансформатора связи. Повышающие трансформаторы в схеме ТЭЦ служат для выдачи избыточной мощности в энергосистему.

Мощность, передаваемая через трансформаторы связи, определяется с учетом разных значений cosφ генераторов, нагрузки и потребителей собственных нужд, МВА.

Передаваемая через трансформаторы связи мощность изменяется в зависимости от режима работы генераторов и графика нагрузки потребителей.

Преимущества ТЭЦ:

Плюсы теплоэлектроцентрали:

– эффективное использование широко доступных источников энергии: уголь, природный газ, дрова, биомасса…

– легко переоборудовать обычную электростанцию

– высокий кпд и соответственно экономия

– бесперебойная подача электроэнергии тепла и холода

– оборудование не только эффективно, но и долговечно

Глава 2 Создание проекта «Чистодуй»

2.1 Внешний вид проекта

Перед тем, как создать наш проект, мы с ребятами обговорили, как ондолжен выглядеть, какие модели будут присутствовать и какой будет у них функционал [8]. Эскиз взяли из мультфильма «как работает ТЭЦ» [9], покоторомуначаликонструировать(Рисунок2.1.1,Приложение).

Мы решили, что наш ТЭЦ будет иметь фильтры, которые не дают загрязнять окружающий мир, а в виде потребителя электричества будет выступать карусель.

Наш проект «Чистодуй» состоит из труб, паровой турбины, генератора, трансформатора, градирни и карусели.

Также он имеет наклонную плоскость, по которой проходит грязный воздух, где он фильтруется, а затем выходит чистый воздух.

2.2 Функционал и механические передачи проекта

Мы приступили к созданию механических передач. У каждой модели, присутствующей в нашем проекте есть свой функционал и механические передачи. Разберем каждую модель по отдельности.

Мы создали конструкцию «Чистодуй» (Рисунок 2.2.2, Приложение), которая всасывает вредный воздух из ТЭЦ, затем воздух проходит через фильтр и становится чистым. Он находится в городе и работает от воды, которая далее превращается в электричество.

При поиске информации (Рисунок 2.2.3, Приложение) мы узнали, что у ТЭЦ должен быть потребитель электричества, поэтому нами была сконструирована карусель (Рисунок 2.2.4, Приложение).

Вода поступает по трубам (Рисунок 2.2.5, Приложение) и её нагревает огонь (Рисунок 2.2.6, Приложение), в это время из дымовой трубы (Рисунок 2.2.7, Приложение) выходит дым, который очищается с помощью наших фильтров (Рисунок 2.2.8, Приложение), затем турбина вращается с помощью пара (Рисунок 2.2.9, Приложение), который получился из-за испарения, далее генератор (Рисунок 2.2.10, Приложение) вырабатывает электричество и идёт к трансформатору (Рисунок 2.2.11, Приложение), который крутит карусель (Рисунок 2.2.12, Приложение), а в градирню поступает охлаждённый пар (Рисунок 2.2.13, Приложение).

2.3 Презентация проекта

Мы выступили на Международных образовательных STEAM-соревнованиях по робототехнике по направлению «Лига открытий», где представляли свой проект (Рисунок 2.3.1, Приложение). Во время подготовки к соревнованиям мы создали постер (Рисунок 2.3.2, Приложение), заполнили инженерные тетради (Рисунок 2.3.3, Приложение), выбрала командную одежду (Рисунок 2.3.4, Приложение) и сконструировала теплоэлектроцентраль, использующую устройство предотвращающее загрязнение атмосферы углекислым газом, а также продумали текст защиты проекта:

По итогам соревнований дети стали победителями в номинации «Энтузиазм и увлечённость» (Рисунок 2.3.5, Приложение).

Заключение

Мывнимательноизучилиинформациюотеплоэлектроцентрали и её достоинства и недостатки, которые бывают при её использовании.Рассматривая вопросы, связанные с ТЭЦ, мы узнали, что идёт сильное загрязнение окружающей среды, но также нашли метод, который может исправить всю пагубность производства.

Чтобыневредить окружающей среде и своемуорганизму мыскомандойсоздалисвою ТЭЦ,в которой использовали механизмы и устройства для поглощения углекислого газа – в этом заключается экологичность нашего проекта.

ДлянашегопроектамыиспользоваликонструкторизнабораLEGO® Education «Первые механизмы». В нашей работе были использованы следующие механизмы: осевая передача, угловая зубчатая передача, ременная передача, червячная передача.

Наш проект «Чистодуй» – это отличный вариант, чтобысделать энергетику нашей страны более безопасной и экологичной.

Список используемой литературы

1. Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego-конструкцииоживают/С.М.Богданова,Е.Е.Попова//«Новыеинформационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»:материалыVIIМеждународнойнаучно-техническойконф.2017С.160-163.Режимдоступа-https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

2. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука,2013. 319с;

3. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школаинтеллектуальногоразвития«МистерБрейн»,-Режимдоступа-https://vk.com/mrbrain_tmn;

Интернетисточники

4. https://neftegaz.ru/tech-library/energoresursy-toplivo/654247-energetika/

5. https://tyumen.tpprf.ru/ru/chleny-tpp-to/23451/183499/192594/

6. https://extxe.com/16428/jelektrostancii-vidy-harakteristiki-jelektrostancij/

7. https://tesiaes.ru/?p=4397

8. https://mosenergo.gazprom.ru/about/plantwork/

9. https://yandex.ru/video/preview/1084849218180615613

Приложение

Рисунок1.1.1 Энергетика в нашем мире Рисунок 1.1.2 Экскурсия в СУЭНКО

Рисунок1.1.3 Сибирско-Уральская энергетическая компания Рисунок 1.1.4 Типы электростанций

Рисунок1.2.1 принцип работы ТЭЦ Рисунок 1.2.2 Паровой котёл

Рисунок 1.2.3 Паровая турбина Рисунок 1.2.4 Электрический генератор

Рисунок 1.2.5 Главный генератор Рисунок 2.1.1 Эскиз ТЭЦ для разработки проекта

Рисунок 2.2.2 Конструкция «Чистодуй» Рисунок 2.2.3 Поиск информации

Рисунок 2.2.4 Карусель Рисунок 2.2.5 Трубы

Рисунок 2.2.6 Огонь нагревает воду в трубах Рисунок 2.2.7 Дымовая труба

Рисунок 2.2.8 Фильтры Рисунок 2.2.9 Паровая турбина

Рисунок 2.2.10 Генератор Рисунок 2.2.11 Трансформатор

Рисунок 2.2.12 Карусель Рисунок 2.2.13 Градирня

Рисунок 2.3.1 Презентация проекта Рисунок 2.3.2 Постер команды

Рисунок 2.3.3 Инженерная тетрадь Рисунок 2.3.4 Командная форма

Рисунок 2.3.5 Диплом победителя