Тепловая станция. Как это сделано, как это работает, как это устроено
Энергию, скрытую в органическом топливе - угле, нефти или природном газе, невозможно сразу получить в виде электричества. Топливо сначала сжигают. Выделившаяся теплота нагревает воду, превращает её в пар. Пар вращает турбину , а турбина - ротор генератора , который генерирует, т. е. вырабатывает, электрический ток.
Схема работы конденсационной электростанции.
Славянская ТЭС. Украина, Донецкая область.
Весь этот сложный, многоступенчатый процесс можно наблюдать на тепловой электрической станции (ТЭС), оборудованной энергетическими машинами, преобразующими энергию, скрытую в органическом топливе (горючих сланцах, угле, нефти и продуктах её переработки, природном газе), в электрическую энергию. Основные части ТЭС - котельная установка, паровая турбина и электрогенератор.
Котельная установка - комплекс устройств для получения водяного пара под давлением. Она состоит из топки, в которой сжигается органическое топливо, топочного пространства, по которому продукты горения проходят в дымовую трубу, и парового котла, в котором кипит вода. Часть котла, во время нагрева соприкасающаяся с пламенем, называется поверхностью нагрева.
Котлы бывают 3 типов: дымогарные, водотрубные и прямоточные. Внутри дымогарных котлов помещен ряд трубок, по которым продукты горения проходят в дымовую трубу. Многочисленные дымогарные трубки имеют огромную поверхность нагрева, вследствие чего в них хорошо используется энергия топлива. Вода в этих котлах находится между дымогарными трубками.
В водотрубных котлах - все наоборот: по трубкам пускают воду, а между трубками горячие газы. Основные части котла - топка, кипятильные трубки, паровой котел и пароперегреватель. В кипятильных трубках идет процесс парообразования. Образующийся в них пар поступает в паровой котел, где и собирается в верхней его части, над кипящей водой. Из парового котла пар проходит в пароперегреватель и там дополнительно нагревается. Топливо в этот котел забрасывают через дверцу, а воздух, необходимый для горения топлива, подают через другую дверцу в поддувало. Горячие газы поднимаются вверх и, огибая перегородки, проходят путь, указанный на схеме (см. рис.).
В прямоточных котлах воду нагревают в длинных трубах-змеевиках. Вода подается в эти трубы насосом . Проходя через змеевик, она полностью испаряется, а образовавшийся пар перегревается до требуемой температуры и затем выходит из змеевиков.
Котельные установки, работающие с промежуточным перегревом пара, являются составной частью установки, называемой энергоблоком «котел - турбина».
В перспективе, например, для использования угля Канско-Ачинского бассейна будут сооружены крупные тепловые электростанции мощностью до 6400 МВт с энергетическими блоками по 800 МВт, где котельные установки будут вырабатывать 2650 т пара в 1 ч с температурой до 565 °C и давлением 25 МПа.
Котельная установка вырабатывает пар высокого давления, который идет в паровую турбину - главный двигатель тепловой электростанции. В турбине пар расширяется, давление его падает, а скрытая энергия преобразуется в механическую. Паровая турбина приводит в движение ротор генератора, вырабатывающего электрический ток.
В крупных городах чаще всего строят теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), а в районах с дешевым топливом - конденсационные электростанции (КЭС).
ТЭЦ - это тепловая электростанция, вырабатывающая не только электрическую энергию, но и теплоту в виде горячей воды и пара. Пар, покидающий паровую турбину, содержит в себе еще много тепловой энергии. На ТЭЦ эту теплоту используют двояко: либо пар после турбины направляется потребителю и обратно на станцию не возвращается, либо он передает теплоту в теплообменнике воде, которая направляется потребителю, а пар возвращается обратно в систему. Поэтому ТЭЦ имеет высокий КПД, достигающий 50–60%.
Различают ТЭЦ отопительного и промышленного типов. Отопительные ТЭЦ обогревают жилые и общественные здания и снабжают их горячей водой, промышленные - снабжают теплотой промышенные предприятия. Передача пара от ТЭЦ осуществляется на расстояния до нескольких километров, а передача горячей воды - до 30 и более километров. Вследствие этого теплоэлектроцентрали строятся неподалеку от крупных городов.
Огромное количество тепловой энергии направляется на теплофикацию или централизованное отопление наших квартир, школ, учреждений. До Октябрьской революции централизованного теплоснабжения домов не было. Дома отапливались печами, в которых сжигалось много дров и угля. Теплофикаций в нашей стране началась в первые годы советской власти, когда по плану ГОЭЛРО (1920 г.) приступили к строительству крупных ТЭС. Суммарная мощность ТЭЦ в начале 1980‑х гг. превысила 50 млн кВт.
Но основная доля электроэнергии, которую вырабатывают тепловые электростанции, приходится на конденсационные электростанции (КЭС). У нас их чаще называют государственными районными электрическими станциями (ГРЭС). В отличие от ТЭЦ, где теплота отработанного в турбине пара используется для отопления жилых и производственных зданий, на КЭС отработанный в двигателях (паровых машинах, турбинах) пар превращается конденсаторами в воду (конденсат), направляемую обратно в котлы для повторного использования. КЭС сооружаются непосредственно у источников водоснабжения: у озера, реки, моря. Теплота, выводимая из электростанции с охлаждающей водой, безвозвратно теряется. КПД КЭС не превышает 35–42%.
На высокую эстакаду день и ночь по строгому графику подают вагоны с мелко раздробленным углем. Особый разгрузчик опрокидывает вагоны, и топливо ссыпается в бункер. Мельницы тщательно размалывают его в топливный порошок, и он вместе с воздухом влетает в топку парового котла. Языки пламени плотно охватывают пучки трубок, вода в которых закипает. Образуется водяной пар. По трубам - паропроводам - пар направляется к турбине и через сопла бьет в лопатки ротора турбины. Отдав энергию ротору, отработанный пар идет в конденсатор, охлаждается и превращается в воду. Насосы подают её обратно в котел. А энергия продолжает свое движение от ротора турбины к ротору генератора. В генераторе происходит её последнее превращение: она становится электричеством. На этом заканчивается энергетическая цепочка КЭС.
В отличие от ГЭС тепловые электростанции можно построить в любом месте, а тем самым приблизить источники получения электроэнергии к потребителю и расположить тепловые электростанции равномерно по территории экономических районов страны. Преимущество ТЭС состоит и в том, что они работают практически на всех видах органического топлива - углях, сланцах, жидком топливе, природном газе.
К крупнейшим конденсационным ТЭС в относятся Рефтинская (Свердловская область), Запорожская (Украина), Костромская, Углегорская (Донецкая область, Украина). Мощность каждой из них превышает 3000 МВт.
Наша страна - пионер строительства тепловых электростанций, энергию которым дает атомный реактор (см.
Для полноценного функционирования промышленных предприятий, для обеспечения бытовых нужд и остальных потребностей современного человека всем нам необходима электрическая энергия. Мощным источником электроэнергии были и остаются тепловые электростанции.
Из-за негативного экологического влияния ТЭС на окружающую среду, а также, из-за угрозы исчерпания полезных ископаемых, используемых в качестве топлива при работе ТЭС, человечество пытается переориентировать энергетику на другие – возобновляемые источники тепла. Однако процесс этот сложный и не такой быстрый, как хотелось бы. Поэтому тепловые энергетические установки по-прежнему поставляют большую часть электричества, необходимого человечеству.
ПРИНЦИП РАБОТЫ
Для генерации электричества ТЭС необходимо органическое топливо, примером которого могут служить нефть, природный газ, уголь. Чтобы добыть скрытую в этих природных ресурсах энергию, их сжигают. В процессе этого сжигания выделяется тепло, которое используется для нагрева воды до состояния пара. Этот пар воздействует на турбину, вызывая её вращение, а та, в свою очередь, приводит в действие электрогенератор, благодаря которому вырабатывается электрический ток.
ВИДЫ ТЭС
По назначению тепловые электрические станции могут быть такими, которые предназначены преимущественно для производства электричества (их принято называть КЭС – конденсационными электрическими станциями), и такими, которые могут в большом объёме отпускать теплоту для промышленных или отопительных целей к объектам, расположенным на сравнительно небольшом расстоянии (ТЭЦ – теплоэлектроцентрали). Те же теплоэлектростанции, на которых пар получается за счёт энергии расщепления ядерного топлива, называются атомными (АЭС)
ТЭС и ЭКОЛОГИЯ
Когда теплоэлектростанции только начали создаваться и строиться, мало кого волновал тот вред, который они наносят окружающей среде в процессе своей работы. Однако со временем экологический фактор приобрёл важнейшее значение в развитии теплоэнергетических установок. Ведь сейчас мировые организации, контролирующие состояние окружающей среды, предъявляют жёсткие и обоснованные требования к экологической безопасности тепловых электростанций. И поэтому перед инженерами и учёными, занимающимися теплоэнергетическими исследованиями, возникло множество задач по усовершенствованию теплоэнергетического оборудования.
Прежде всего, необходимо оснащать ТЭС специальными фильтрами, поскольку при работе теплоэлектростанций выделяется огромное количество загрязняющих веществ.
Это и диоксид серы, который становится причиной кислотных дождей. И оксиды азота – виновники смога и «составляющие» кислотных дождей, которые в повышенных дозах могут оказывать пагубное воздействие на здоровье людей.
Также, в результате работы ТЭС в окружающую среду попадают бензопирен, сероводород и тяжёлые металлы, которые крайне опасны в дозах, превышающих пдк, и для человека, и для других живых организмов.
Кроме того, работа данных энергоустановок сопровождается образованием большого количества золы, которая, попадая в атмосферу, может вызывать заболевания дыхательных органов у людей.
Поэтому очень важно устанавливать качественные фильтры на теплоэнергетических установках, чтобы минимизировать выбросы вредных веществ в воздух, а также, применять ряд других мер по обеспечению экологической безопасности данных предприятий.
БУДУЩЕЕ ТЭС
Для того чтобы у ТЭС было будущее нужен достаточный запас топлива, необходимого для их функционирования. По приблизительным оценкам специалистов топлива органического происхождения должно хватить на 100-150 лет, но при этом добывать его будет становиться всё сложнее из-за того, что надо будет достигать глубоко расположенных залежей.
Ограниченность запасов топлива является движущим фактором для применения в тепловой энергетике энергосберегающих технологий, позволяющих экономить ресурсы.
Также, ТЭС будущего должны быть максимально безопасными в экологическом плане. Для этого теплоэнергетики всего мира занимаются разработкой систем, позволяющих минимизировать вред тепловых электрических станций.
Роль тепловых электрических станций в обеспечении человечества электроэнергией также значима, как и в прежние десятилетия. Несмотря на вред, наносимый экологии выбросами, производимыми ТЭС в процессе своего функционирования, отказаться от их использования при современном уровне развития альтернативных отраслей энергетики не представляется возможным. Зато есть возможность подарить новое дыхание теплоэнегетике, интенсифицируя усилия по усовершенствованию старых тепловых энергоустановок и по строительству новых, сконструированных с учётом новых высоких стандартов экологической безопасности.
Принцип работы теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) основан на уникальном свойстве водяного пара – быть теплоносителем. В разогретом состоянии, находясь под давлением, он превращается в мощный источник энергии, приводящий в движение турбины теплоэлектростанций (ТЭС) — наследие такой уже далекой эпохи пара.
Первая тепловая электростанция была построена в Нью-Йорке на Перл-Стрит (Манхэттен) в 1882 году. Родиной первой российской тепловой станции, спустя год, стал Санкт-Петербург. Как это ни странно, но даже в наш век высоких технологий ТЭС так и не нашлось полноценной замены: их доля в мировой энергетике составляет более 60 %.
И этому есть простое объяснение, в котором заключены достоинства и недостатки тепловой энергетики. Ее «кровь» — органическое топливо – уголь, мазут, горючие сланцы, торф и природный газ по-прежнему относительно доступны, а их запасы достаточно велики.
Большим минусом является то, что продукты сжигания топлива причиняют серьезный вред окружающей среде. Да и природная кладовая однажды окончательно истощится, и тысячи ТЭС превратятся в ржавеющие «памятники» нашей цивилизации.
Принцип работы
Для начала стоит определиться с терминами «ТЭЦ» и «ТЭС». Говоря понятным языком – они родные сестры. «Чистая» теплоэлектростанция – ТЭС рассчитана исключительно на производство электроэнергии. Ее другое название «конденсационная электростанция» – КЭС.
Теплоэлектроцентраль – ТЭЦ — разновидность ТЭС. Она, помимо генерации электроэнергии, осуществляет подачу горячей воды в центральную систему отопления и для бытовых нужд.
Схема работы ТЭЦ достаточно проста. В топку одновременно поступают топливо и разогретый воздух — окислитель. Наиболее распространенное топливо на российских ТЭЦ – измельченный уголь. Тепло от сгорания угольной пыли превращает воду, поступающую в котел в пар, который затем под давлением подается на паровую турбину. Мощный поток пара заставляет ее вращаться, приводя в движение ротор генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую.
Далее пар, уже значительно утративший свои первоначальные показатели – температуру и давление – попадает в конденсатор, где после холодного «водяного душа» он опять становится водой. Затем конденсатный насос перекачивает ее в регенеративные нагреватели и далее — в деаэратор. Там вода освобождается от газов – кислорода и СО 2 , которые могут вызвать коррозию. После этого вода вновь подогревается от пара и подается обратно в котел.
Теплоснабжение
Вторая, не менее важная функция ТЭЦ – обеспечение горячей водой (паром), предназначенной для систем центрального отопления близлежащих населенных пунктов и бытового использования. В специальных подогревателях холодная вода нагревается до 70 градусов летом и 120 градусов зимой, после чего сетевыми насосами подается в общую камеру смешивания и далее по системе тепломагистралей поступает к потребителям. Запасы воды на ТЭЦ постоянно пополняются.
Как работают ТЭС на газе
По сравнению с угольными ТЭЦ, ТЭС, где установлены газотурбинные установки, намного более компактны и экологичны. Достаточно сказать, что такой станции не нужен паровой котел. Газотурбинная установка – это по сути тот же турбореактивный авиадвигатель, где, в отличие от него, реактивная струя не выбрасывается в атмосферу, а вращает ротор генератора. При этом выбросы продуктов сгорания минимальны.
Новые технологии сжигания угля
КПД современных ТЭЦ ограничен 34 %. Абсолютное большинство тепловых электростанций до сих пор работают на угле, что объясняется весьма просто — запасы угля на Земле по-прежнему громадны, поэтому доля ТЭС в общем объеме выработанной электроэнергии составляет около 25 %.
Процесс сжигания угля многие десятилетия остается практически неизменным. Однако и сюда пришли новые технологии.
Особенность данного метода состоит в том, что вместо воздуха в качестве окислителя при сжигании угольной пыли используется выделенный из воздуха чистый кислород. В результате, из дымовых газов удаляется вредная примесь – NОx. Остальные вредные примеси отфильтровываются в процессе нескольких ступеней очистки. Оставшийся на выходе СО 2 закачивается в емкости под большим давлением и подлежит захоронению на глубине до 1 км.
Метод «oxyfuel capture»
Здесь также при сжигании угля в качестве окислителя используется чистый кислород. Только в отличие от предыдущего метода в момент сгорания образуется пар, приводящий турбину во вращение. Затем из дымовых газов удаляются зола и оксиды серы, производится охлаждение и конденсация. Оставшийся углекислый газ под давлением 70 атмосфер переводится в жидкое состояние и помещается под землю.
Метод «pre-combustion»
Уголь сжигается в «обычном» режиме – в котле в смеси с воздухом. После этого удаляется зола и SO 2 – оксид серы. Далее происходит удаление СО 2 с помощью специального жидкого абсорбента, после чего он утилизируется путем захоронения.
Пятерка самых мощных теплоэлектростанций мира
Первенство принадлежит китайской ТЭС Tuoketuo мощностью 6600 МВт (5 эн/бл. х 1200 МВт), занимающей площадь 2,5 кв. км. За ней следует ее «соотечественница» — Тайчжунская ТЭС мощностью 5824 МВт. Тройку лидеров замыкает крупнейшая в России Сургутская ГРЭС-2 – 5597,1 МВт. На четвертом месте польская Белхатувская ТЭС – 5354 МВт, и пятая – Futtsu CCGT Power Plant (Япония) – газовая ТЭС мощностью 5040 МВт.
В экономике любой страны первостепенное значение занимает энергетический комплекс. Электроэнергетика важна во всех аспектах функционирования государства (как в промышленном секторе, так и в быту). Одним из основных звеньев в электроэнергетике являются тепловые электростанции. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Оборудования, предназначенного для превращения химической, природного топлива в электрическую. В качестве энергоносителей используют уголь, мазут, природный газ, торф, сланцы. Этот вид выработки электричества стал известен еще в конце девятнадцатого века, когда были построены первые тепловые электростанции в Нью-Йорке (в 1882 году), в Петербурге(в 1883 году), в Берлине (в 1884 году). С того времени выработка электроэнергии на ТЭС стала основной в энергетике, и до настоящего времени таковой и остается.
Тепловые электростанции делятся на конденсационные и теплоэлектроцентрали. Такое разделение закономерно. Конденсационные тепловые электростанции вырабатывают только электроэнергию, при этом охлаждающая жидкость используется повторно и сливается в резервуары. Такие компании имеют небольшой (30%-40%). Строительство конденсационных тепловых электростанций рационально возле мест добычи топлива, даже если они находится на значительном удалении от потребителя.
В городе в основном применяют теплоэлектроцентрали, которые кроме своей основной задачи - выработки электроэнергии - обеспечивают жителей и горячей водой. Специалистами уже давно доказано, что такой метод доставки теплоносителя неэффективен, потому что сопровождается большими потерями тепловой энергии, но большинство наших городов используют именно электроцентрали.
В настоящее время тепловые вырабатывают более 70% всей электроэнергии страны. Крупные промышленные электростанции, которые вырабатывают более 2 млн. кВт, это Уренгойская ГРЭС, Березовская ГРЭС, Сургутская ГРЭС, ГРЭС на базе Канско-Ачинского бассейна. Тепловые электростанции России в своей работе главным образом используют природный газ, уголь и мазут.
Использование ТЭЦ имеет как преимущества, так и недостатки. Одно из основных преимуществ такого - в свободном ее расположении. В наше время необходимое топливо может доставляться в любой регион. ТЭЦ способны кроме электроэнергии поставлять и теплоносители, и горячую воду, что особо важно в городском хозяйстве. Также выработка электроэнергии не зависит от внешних климатических условий.
Среди недостатков использования ТЭЦ выделяют низкий КПД работы, работа на природных ресурсах, запасы которых не восстанавливаются.
В страны, кроме тепловых, используются гидравлические и атомные станции, но роль ТЭЦ остается огромной. В последние годы все больше и больше начинают использовать энергию ветра и солнца.
Теплофикационные станции (ТЭС). Назначение. Виды
ТЭС, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Среди ТЭС преобладают тепловые паротурбинные (ТПЭС), на которых тепловая энергия используется в парогенераторе для получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор паровой турбины, соединённый с ротором электрического генератора (обычно синхронного генератора). В качестве топлива на таких ТЭС используют уголь (преимущественно), мазут, природный газ, лигнит, торф, сланцы.
ТПЭС, имеющие в качестве привода электрогенераторов конденсационные турбины и не использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называются конденсационными электростанциями. На ГРЭС вырабатывается около электроэнергии, производимой на ТЭС. ТПЭС, оснащенные теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называемым теплоэлектроцентралями (ТЭЦ); ими вырабатывается около электроэнергии, производимой на ТЭС.
ТЭС с приводом электрогенератора от газовой турбины называются газотурбинными электростанциями (ГТЭС). В камере сгорания ГТЭС сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания с температурой 750-900 С поступают в газовую турбину, вращающую электрогенератор. Кпд таких ТЭС обычно составляет 26-28%, мощность - до нескольких сотен Мвт. ГТЭС обычно применяются для покрытия пиков электрической нагрузки.
ТЭС с парогазотурбинной установкой, состоящей из паротурбинного и газотурбинного агрегатов, называется парогазовой электростанцией (ПГЭС). кпд которой может достигать 42 - 43%. ГТЭС и ПГЭС также могут отпускать тепло внешним потребителям, то есть работать как ТЭЦ.
Тепловые электростанции используют широко распространенные топливные ресурсы, относительно свободно размещаются и способны вырабатывать электроэнергию без сезонных колебаний. Их строительство ведется быстро и связано с меньшими затратами труда и материальных средств. Но у ТЭС есть существенные недостатки. Они используют невозобновимые ресурсы, обладают низким КПД (30-35%), оказывают крайне негативное влияние на экологическую обстановку. ТЭС сего мира ежегодно выбрасывают в атмосферу 200-250 млн. т золы и около 60 млн. т ернистого ангидрида, а также поглощают огромное количество кислорода. Установлено, что уголь в микродозах почти всегда содержит U238, Th232 и радиоактивный изотоп углерода. Большинство ТЭС России не оснащены эффективными системами очистки уходящих газов от оксидов серы и азота. Хотя установки, работающие на природном газе экологически существенно чище угольных, сланцевых и мазутных, вред природе наносит прокладка газопроводов (особенно в северных районах).
Первостепенную роль среди тепловых установок играют конденсационные электростанции (КЭС). Они тяготеют и к источникам топлива, и к потребителям, и поэтому очень широко распространены.
Чем крупнее КЭС, тем дальше она может передавать электроэнергию, т.е. по мере увеличения мощности возрастает влияние топливно-энергетического фактора. Ориентация на топливные базы происходит при наличии ресурсов дешевого и нетранспортабельного топлива (бурые угли Канско-Ачинского бассейна) или в случае использования электростанциями торфа, сланцев и мазута (такие КЭС обычно связаны с центрами нефтепереработки).
ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) представляют собой установки по комбинированному производству электроэнергии и теплоты. Их КПД доходит до 70% против 30-35% на КЭС. ТЭЦ привязаны к потребителям, т.к. радиус передачи теплоты (пара, горячей воды) составляет 15-20 км. Максимальная мощность ТЭЦ меньше, чем КЭС.
В последнее время появились принципиально новые установки:
- газотурбинные (ГТ) установки, в которых вместо паровых применяются газовые турбины, что снимает проблему водоснабжения (на Краснодарской и Шатурской ГРЭС);
- парогазотурбинные (ПГУ), где тепло отработавших газов используется для подогрева воды и получения пара низкого давления (на Невинномысской и Кармановской ГРЭС);
- магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы), которые преобразуют тепло непосредственно в электрическую энергию (на ТЭЦ-21 Мосэнерго и Рязанской ГРЭС).
В России мощные (2 млн. кВт и более) построены в Центральном районе, в Поволжье, на Урале и в Восточной Сибири.
На базе Канско-Ачинского бассейна создается мощный топливно-энергетический комплекс (КАТЭК). В проекте предусмотрено строительство восьми ГРЭС мощностью по 6,4 млн. кВт. В 1989 г. был введен в строй первый агрегат Березовской ГРЭС-1 (0,8 млн. кВт).