Будущее тепловых электростанций на угольном топливе. Что такое АЭС, ТЭЦ и ТЭС? Работают тепловые электростанции

Электрической станцией называется комплекс оборудования, предназначенного для преобразования энергии какого-либо природного источника в электричество или тепло. Разновидностей подобных объектов существует несколько. К примеру, часто для получения электричества и тепла используются ТЭС.

Определение

ТЭС — это э лектростанция, применяющая в качестве источника энергии какое-либо органическое топливо. В качестве последнего может использоваться, к примеру, нефть, газ, уголь. На настоящий момент тепловые комплексы являются самым распространенным видом электростанций в мире. Объясняется популярность ТЭС прежде всего доступностью органического топлива. Нефть, газ и уголь имеются во многих уголках планеты.

ТЭС — это (расшифровка с амой аббревиатуры выглядит как "тепловая электростанция"), помимо всего прочего, комплекс с довольно-таки высоким КПД. В зависимости от вида используемых турбин этот показатель на станциях подобного типа может быть равен 30 - 70%.

Какие существуют разновидности ТЭС

Классифицироваться станции этого типа могут по двум основным признакам:

• назначению;
• типу установок.

В первом случае различают ГРЭС и ТЭЦ. ГРЭС — это станция, работающая за счет вращения турбины под мощным напором струи пара. Расшифровка аббревиатуры ГРЭС — государственная районная электростанция — в настоящий момент утратила актуальность. Поэтому часто такие комплексы называют также КЭС. Данная аббревиатура расшифровывается как "конденсационная электростанция".

ТЭЦ — это также довольно-таки распространенный вид ТЭС. В отличие от ГРЭС, такие станции оснащаются не конденсационными, а теплофикационными турбинами. Расшифровывается ТЭЦ как "теплоэнергоцентраль".

Помимо конденсационных и теплофикационных установок (паротурбинных), на ТЭС могут использоваться следующие типы оборудования:

• парогазовые.

ТЭС и ТЭЦ: различия

Часто люди путают эти два понятия. ТЭЦ, по сути, как мы выяснили, является одной из разновидностей ТЭС. Отличается такая станция от других типов ТЭС прежде всего тем, что часть вырабатываемой ею тепловой энергии идет на бойлеры, установленные в помещениях для их обогрева или же для получения горячей воды.

Также люди часто путают названия ГЭС и ГРЭС. Связано это прежде всего со сходством аббревиатур. Однако ГЭС принципиально отличается от ГРЭС. Оба этих вида станций возводятся на реках. Однако на ГЭС, в отличие от ГРЭС, в качестве источника энергии используется не пар, а непосредственно сам водяной поток.

Какие предъявляются требования к ТЭС

ТЭС — это тепловая электрическая станция, на которой выработка электроэнергии и ее потребление производятся одномоментно. Поэтому такой комплекс должен полностью соответствовать ряду экономических и технологических требований. Это обеспечит бесперебойное и надежное обеспечение потребителей электроэнергией. Так:

• помещения ТЭС должны иметь хорошее освещение, вентиляцию и аэрацию;
• должна быть обеспечена защита воздуха внутри станции и вокруг нее от загрязнения твердыми частицами, азотом, оксидом серы и т. д.;
• источники водоснабжения следует тщательно защищать от попадания в них сточных вод ;
• системы водоподготовки на станциях следует обустраивать безотходные.

Принцип работы ТЭС

ТЭС — это электростанция , на которой могут использоваться турбины разного типа. Далее рассмотрим принцип работы ТЭС на примере одного из самых распространенных ее типов — ТЭЦ. Осуществляется выработка энергии на таких станциях в несколько этапов:

Топливо и окислитель поступают в котел. В качестве первого в России обычно используется угольная пыль. Иногда топливом ТЭЦ могут служить также торф, мазут, уголь, горючие сланцы, газ. Окислителем в данном случае выступает подогретый воздух.

Образовавшийся в результате сжигания топлива в котле пар поступает в турбину. Назначением последней является преобразование энергии пара в механическую.

Вращающиеся валы турбины передают энергию на валы генератора, преобразующего ее в электрическую.

Охлажденный и потерявший часть энергии в турбине пар поступает в конденсатор. Здесь он превращается в воду, которая подается через подогреватели в деаэратор.

Деаэ рированная вода подогревается и подается в котел.



Преимущества ТЭС

ТЭС — это, таким образом, станция, основным типом оборудования на которой являются турбины и генераторы. К плюсам таких комплексов относят в первую очередь:

• дешевизну возведения в сравнении с большинством других видов электростанций;
• дешевизну используемого топлива;
• невысокую стоимость выработки электроэнергии.

Также большим плюсом таких станций считается то, что построены они могут быть в любом нужном месте, вне зависимости от наличия топлива. Уголь, мазут и т. д. могут транспортироваться на станцию автомобильным или железнодорожным транспортом.

Еще одним преимуществом ТЭС является то, что они занимают очень малую площадь в сравнении с другими типами станций.

Недостатки ТЭС

Разумеется, есть у таких станций не только преимущества. Имеется у них и ряд недостатков. ТЭС — это комплексы, к сожалению, очень сильно загрязняющие окружающую среду. Станции этого типа могут выбрасывать в воздух просто огромное количество копоти и дыма. Также к минусам ТЭС относят высокие в сравнении с ГЭС эксплуатационные расходы. К тому же все виды используемого на таких станциях топлива относятся к невосполнимым природным ресурсам.

Какие еще виды ТЭС существуют

Помимо паротурбинных ТЭЦ и КЭС (ГРЭС), на территории России работают станции:

Газотурбинные (ГТЭС). В данном случае турбины вращаются не от пара, а на природном газу. Также в качестве топлива на таких станциях могут использоваться мазут или солярка. КПД таких станций, к сожалению, не слишком высок (27 - 29%). Поэтому используют их в основном только как резервные источники электроэнергии или же предназначенные для подачи напряжения в сеть небольших населенных пунктов.

Парогазотурбинные (ПГЭС). КПД таких комбинированных станций составляет примерно 41 - 44%. Передают энергию на генератор в системах этого типа одновременно турбины и газовые, и паровые. Как и ТЭЦ, ПГЭС могут использоваться не только для собственно выработки электроэнергии, но и для отопления зданий или же обеспечения потребителей горячей водой.

Примеры станций

Итак, достаточно производительным и в какой-то мере даже универсальным объектом может считаться любая ТЭС, электростанция. Примеры таких комплексов представляем в списке ниже.

Белгородская ТЭЦ. Мощность этой станции составляет 60 МВт. Турбины ее работают на природном газе.

Мичуринская ТЭЦ (60 МВт). Этот объект также расположен в Белгородской области и работает на природном газе.

Череповецкая ГРЭС. Комплекс находится в Волгоградской области и может работать как на газу, так и на угле. Мощность этой станции равна целых 1051 МВт.

Липецкая ТЭЦ -2 (515 МВТ). Работает на природном газе.

ТЭЦ-26 «Мосэнерго» (1800 МВт).

Черепетская ГРЭС (1735 Мвт). Источником топлива для турбин этого комплекса служит уголь.

Вместо заключения

Таким образом, мы выяснили, что представляют собой тепловые электростанции и какие существуют разновидности подобных объектов. Впервые комплекс этого типа был построен очень давно — в 1882 году в Нью-Йорке. Через год такая система заработала в России — в Санкт-Петербурге. Сегодня ТЭС — это разновидность электростанций, на долю которых приходится порядка 75% всей вырабатываемой в мире электроэнергии. И по всей видимости, несмотря на ряд минусов, станции этого типа еще долго будут обеспечивать население электроэнергией и теплом. Ведь достоинств у таких комплексов на порядок больше, чем недостатков.

ТЭС – электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива (рис.Д.1).

Различают тепловые паротурбинные электростанции (ТПЭС), газотурбинные (ГТЭС) и парогазовые (ПГЭС). Подробнее остановимся на ТПЭС.

Рис.Д.1 Схема ТЭС

На ТПЭС тепловая энергия используется в парогенераторе для получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор паровой турбины, соединённый с ротором электрического генератора. В качестве топлива на таких ТЭС используют уголь, мазут, природный газ, лигнит (бурый уголь), торф, сланцы. Их КПД достигает 40%, мощность – 3 ГВт. ТПЭС, имеющие в качестве привода электрогенераторов конденсационные турбины и не использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называют конденсационными электростанциями (официальное название в РФ – Государственная районная электрическая станция, или ГРЭС). На ГРЭС вырабатывается около 2/3 электроэнергии, производимой на ТЭС.

ТПЭС оснащенные теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ); ими вырабатывается около 1/3 электроэнергии, производимой на ТЭС.

Известны четыре типа угля. В порядке роста содержания углерода, а тем самым и теплотворной способности эти типы располагаются следующим образом: торф, бурый уголь, битуминозный (жирный) уголь или каменный уголь и антрацит. В работе ТЭС используют в основном первые два вида.

Уголь не является химически чистым углеродом, также в нем содержится неорганический материал (в буром угле углерода до 40%), который остается после сгорания угля в виде золы. В угле может содержаться сера, иногда в составе сульфида железа, а иногда в составе органических компонентов угля. В угле обычно присутствуют мышьяк, селен, а также радиоактивные элементы. Фактически уголь оказывается самым грязным из всех видов ископаемого топлива.

При сжигании угля образуются диоксид углерода, оксид углерода, а также в больших количествах оксиды серы, взвешенные частицы и оксиды азота. Оксиды серы повреждают деревья, различные материалы и оказывают вредное влияние на людей.

Частицы, выбрасываемые в атмосферу при сжигании угля на электростанциях, называются «летучей золой». Выбросы золы строго контролируются. Реально попадает в атмосферу около 10% взвешенных частиц.

Работающая на угле электростанция мощностью 1000 МВт сжигает 4-5 млн. т угля в год.

Поскольку в Алтайском крае отсутствует добыча угля, то будем считать, что его привозят из других регионов, и для этого прокладывают дороги, тем самым, изменяя природный ландшафт.

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

Основным типом электростанций в России являютсятепловые(ТЭС). Эти установки вырабатывают примерно 67% электроэнергии России. На их размещение влияют топливный и потребительский факторы. Наиболее мощные электростанции располагаются в местах добычи топлива. ТЭС, использующие калорийное, транспортабельное топливо, ориентированы на потребителей.

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 всего мира ежегодно выбрасывают в атмосферу 200-250 млн. т золы и около 60 млн. т сернистого ангидрида 6 , а также поглощают огромное количество кислорода. Установлено, что уголь в микродозах почти всегда содержит U 238 , Th 232 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).

Тепловой электрической станцией называется комплекс оборудования и устройств, преобразующих энергию топлива в электрическую и (в общем случае) тепловую энергию.

Тепловые электростанции характеризуются большим разнообразием и их можно классифицировать по различным признакам.

1. По назначению и виду отпускаемой энергии электростанции разделяются на районные и промышленные.

Районные электростанции – это самостоятельные электростанции общего пользования, которые обслуживают все виды потребителей района (промышленные предприятия, транспорт, население и т.д.). Районные конденсационные электростанции, вырабатывающие в основном электроэнергию, часто сохраняют за собой историческое название – ГРЭС (государственные районные электростанции). Районные электростанции, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию (в виде пара или горячей воды), называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). ТЭЦпредставляют 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.

Как правило, ГРЭС и районные ТЭЦ имеют мощность более 1 млн. кВт.

Промышленные электростанции – это электростанции, обслуживающие тепловой и электрической энергией конкретные производственные предприятия или их комплекс, например завод по производству химической продукции. Промышленные электростанции входят в состав тех промышленных предприятий, которые они обслуживают. Их мощность определяется потребностями промышленных предприятий в тепловой и электрической энергии и, как правило, она существенно меньше, чем районных ТЭС. Часто промышленные электростанции работают на общую электрическую сеть, но не подчиняются диспетчеру энергосистемы. Ниже рассматриваются только районные электростанции.

2. По виду используемого топлива тепловые электростанции разделяются на электростанции, работающие на органическом топливе и ядерном горючем.

Тепловые электростанции, работающие на органическом топливе, называют конденсационными электростанциями (КЭС) . Ядерное горючее используют атомные электростанций (АЭС). Именно в таком смысле ниже будет употребляться этот термин, хотя и ТЭЦ, и АЭС, и газотурбинные электростанции (ГТЭС), и парогазовые электростанции (ПГЭС) также являются тепловыми электростанциями, работающими на принципе преобразования тепловой энергии в электрическую.

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.

В качестве органического топлива для ТЭС используют газообразное, жидкое и твердое топливо. 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). Большинство ТЭС России, особенно в европейской части, в качестве основного топлива потребляют природный газ, а в качестве резервного топлива – мазут, используя последний ввиду его дороговизны только в крайних случаях; такие ТЭС называют газомазутными. Во многих регионах, в основном в азиатской части России, основным топливом является энергетический уголь – низкокалорийный уголь или отходы высококалорийного каменного угля (антрацитовый штыб – АШ). Поскольку перед сжиганием такие угли размалываются в специальных мельницах до пылевидного состояния, то такие ТЭС называют пылеугольными.

3. По типу теплосиловых установок, используемых на ТЭС для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения роторов турбоагрегатов, различают паротурбинные, газотурбинные и парогазовые электростанции.

Основой паротурбинных электростанций являются паротурбинные установки (ПТУ), которые для преобразования тепловой энергии в механическую используют самую сложную, самую мощную и чрезвычайно совершенную энергетическую машину – паровую турбину. ПТУ – основной элемент ТЭС, ТЭЦ и АЭС.

Газотурбинные тепловые электростанции (ГТЭС) оснащаются газотурбинными установками (ГТУ), работающими на газообразном или, в крайнем случае, жидком (дизельном) топливе. Поскольку температура газов за ГТУ достаточно высока, то их можно использовать для отпуска тепловой энергии внешнему потребителю. Такие электростанции называют ГТУ-ТЭЦ. В настоящее время в России функционирует одна ГТЭС (ГРЭС-3 им. Классона, г. Электрогорск Московской обл.) мощностью 600 МВт и одна ГТУ-ТЭЦ (в г. Электросталь Московской обл.).

Парогазовые тепловые электростанции комплектуются парогазовыми установками (ПГУ), представляющими комбинацию ГТУ и ПТУ, что позволяет обеспечить высокую экономичность. ПГУ-ТЭС могут выполняться конденсационными (ПГУ-КЭС) и с отпуском тепловой энергии (ПГУ-ТЭЦ). В России имеется только одна работающая ПГУ-ТЭЦ (ПГУ-450Т) мощностью 450 МВт. На Невинномысской ГРЭС работает энергоблок ПГУ-170 мощностью 170 МВт, а на Южной ТЭЦ Санкт-Петербурга – энергоблок ПГУ- 300 мощностью 300 МВт.

4. По технологической схеме паропроводов ТЭС делятся на блочные ТЭС и на ТЭС с поперечными связями.

Блочные ТЭС состоят из отдельных, как правило, однотипных энергетических установок – энергоблоков. В энергоблоке каждый котел подает пар только для своей турбины, из которой он возвращается после конденсации только в свой котел. По блочной схеме строят все мощные ГРЭС и ТЭЦ, которые имеют так называемый промежуточный перегрев пара. Работа котлов и турбин на ТЭС с поперечными связями обеспечивается по-другому: все котлы ТЭС подают пар в один общий паропровод (коллектор) и от него питаются все паровые турбины ТЭС. По такой схеме строятся КЭС без промежуточного перегрева и почти все ТЭЦ на докритические начальные параметры пара.

5. По уровню начального давления различают ТЭС докритического давления и сверхкритического давления (СКД).

Критическое давление – это 22,1 МПа (225,6 ат). В российской теплоэнергетике начальные параметры стандартизованы: ТЭС и ТЭЦ строятся на докритическое давление 8,8 и 12,8 МПа (90 и 130 ат), и на СКД – 23,5 МПа (240 ат). ТЭС на сверхкритические параметры по техническим причинам выполняются с промежуточным перегревом и по блочной схеме. Часто ТЭС или ТЭЦ строят в несколько этапов – очередями, параметры которых улучшаются с вводом каждой новой очереди.

Рассмотрим типичную конденсационную ТЭС, работающую на органическом топливе (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Тепловой баланс газомазутной и

пылеугольной (цифры в скобках) ТЭС

Топливо подается в котел и для его сжигания сюда же подается окислитель – воздух, содержащий кислород. Воздух берется из атмосферы. В зависимости от состава и теплоты сгорания для полного сжигания 1 кг топлива требуется 10– 15 кг воздуха и, таким образом, воздух – это тоже природное «сырье» для производства электроэнергии, для доставки которого в зону горения необходимо иметь мощные высокопроизводительные нагнетатели. В результате химической реакции сгорания, при которой углерод С топлива превращается в оксиды СО 2 и СО, водород Н 2 – в пары воды Н 2 О, сера S – в оксиды SO 2 и SO 3 и т.д., образуются продукты сгорания топлива – смесь различных газов высокой температуры. Именно тепловая энергия продуктов сгорания топлива является источником электроэнергии, вырабатываемой ТЭС.

Далее внутри котла осуществляется передача тепла от дымовых газов к воде, движущейся внутри труб. К сожалению, не всю тепловую энергию, высвободившуюся в результате сгорания топлива, по техническим и экономическим причинам удается передать воде. Охлажденные до температуры 130– 160 °С продукты сгорания топлива (дымовые газы) через дымовую трубу покидают ТЭС. Часть теплоты, уносимой дымовыми газами, в зависимости от вида используемого топлива, режима работы и качества эксплуатации, составляет 5– 15 %.

Часть тепловой энергии, оставшаяся внутри котла и переданная воде, обеспечивает образование пара высоких начальных параметров. Этот пар направляется в паровую турбину. На выходе из турбины с помощью аппарата, который называется конденсатором, поддерживается глубокий вакуум: давление за паровой турбиной составляет 3– 8 кПа (напомним, что атмосферное давление находится на уровне 100 кПа). Поэтому пар, поступив в турбину с высоким давлением, движется к конденсатору, где давление мало, и расширяется. Именно расширение пара и обеспечивает превращение его потенциальной энергии в механическую работу. Паровая турбина устроена так, что энергия расширения пара преобразуется в ней во вращение ее ротора. Ротор турбины связан с ротором электрогенератора, в обмотках статора которого генерируется электрическая энергия, представляющая собой конечный полезный продукт (товар) функционирования ТЭС.

Для работы конденсатора, который не только обеспечивает низкое давление за турбиной, но и заставляет пар конденсироваться (превращаться в воду), требуется большое количество холодной воды. Это – третий вид «сырья», поставляемый на ТЭС, и для функционирования ТЭС он не менее важен, чем топливо. Поэтому ТЭС строят либо вблизи имеющихся природных источников воды (река, море), либо строят искусственные источники (пруд-охладитель, воздушные башенные охладители и др.).

Основная потеря тепла на ТЭС возникает из-за передачи теплоты конденсации охлаждающей воде, которая затем отдает ее окружающей среде. С теплом охлаждающей воды теряется более 50 % тепла, поступающего на ТЭС с топливом. Кроме того, в результате происходит тепловое загрязнение окружающей среды.

Часть тепловой энергии топлива потребляется внутри ТЭС либо в виде тепла (например, на разогрев мазута, поступающего на ТЭЦ в густом виде в железнодорожных цистернах), либо в виде электроэнергии (например, на привод электродвигателей насосов различного назначения). Эту часть потерь называют собственными нуждами.

Для нормальной работы ТЭС, кроме «сырья» (топливо, охлаждающая вода, воздух) требуется масса других материалов: масло для работы систем смазки, регулирования и защиты турбин, реагенты (смолы) для очистки рабочего тела, многочисленные ремонтные материалы.

Наконец, мощные ТЭС обслуживаются большим количеством персонала, который обеспечивает текущую эксплуатацию, техническое обслуживание оборудования, анализ технико-экономических показателей, снабжение, управление и т.д. Ориентировочно можно считать, что на 1 МВт установленной мощности требуется 1 персона и, следовательно, персонал мощной ТЭС составляет несколько тысяч человек. Любая конденсационная паротурбинная электростанция включает в себя четыре обязательных элемента:

· энергетический котел, или просто котел, в который подводится питательная вода под большим давлением, топливо и атмосферный воздух для горения. В топке котла идет процесс горения – химическая энергия топлива превращается в тепловую и лучистую энергию. Питательная вода протекает по трубной системе, расположенной внутри котла. Сгорающее топливо является мощным источником теплоты, которая передается питательной воде. Последняя нагревается до температуры кипения и испаряется. Получаемый пар в этом же котле перегревается сверх температуры кипения. Этот пар с температурой 540°С и давлением 13– 24 МПа по одному или нескольким трубопроводам подается в паровую турбину;

· турбоагрегат, состоящий из паровой турбины, электрогенератора и возбудителя. Паровая турбина, в которой пар расширяется до очень низкого давления (примерно в 20 раз меньше атмосферного), преобразует потенциальную энергию сжатого и нагретого до высокой температуры пара в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Турбина приводит электрогенератор, преобразующий кинетическую энергию вращения ротора генератора в электрический ток. Электрогенератор состоит из статора, в электрических обмотках которого генерируется ток, и ротора, представляющего собой вращающийся электромагнит, питание которого осуществляется от возбудителя;

· конденсатор служит для конденсации пара, поступающего из турбины, и создания глубокого разрежения. Это позволяет очень существенно сократить затрату энергии на последующее сжатие образовавшейся воды и одновременно увеличить работоспособность пара, т.е. получить большую мощность от пара, выработанного котлом;

· питательный насос для подачи питательной воды в котел и создания высокого давления перед турбиной.

Таким образом, в ПТУ над рабочим телом совершается непрерывный цикл преобразования химической энергии сжигаемого топлива в электрическую энергию.

Кроме перечисленных элементов, реальная ПТУ дополнительно содержит большое число насосов, теплообменников и других аппаратов, необходимых для повышения ее эффективности. Технологический процесс производства электроэнергии на ТЭС, работающей на газе, представлен на рис. 3.2.

Основными элементами рассматриваемой электростанции (рис.3.2) являются котельная установка, производящая пар высоких параметров; турбинная или паротурбинная установка, преобразующая теплоту пара в механическую энергию вращения ротора турбоагрегата, и электрические устройства (электрогенератор, трансформатор и т.д.), обеспечивающие выработку электроэнергии.

Основным элементом котельной установки является котел. Газ для работы котла подается от газораспределительной станции, подключенной к магистральному газопроводу (на рисунке не показан), к газораспределительному пункту (ГРП) 1. Здесь его давление снижается до нескольких атмосфер и он подается к горелкам 2 , расположенным в поде котла (такие горелки называются подовыми).

Рис. 3.2. Технологический процесс производства электроэнергии на ТЭС, работающей на газе

Собственно котел представляет собой П-образную конструкцию с газоходами прямоугольного сечения. Левая ее часть называется топкой. Внутренняя часть топки свободна, и в ней происходит горение топлива, в данном случае газа. Для этого к горелкам специальным дутьевым вентилятором 28 непрерывно подается горячий воздух, нагреваемый в воздухоподогревателе 25. На рис. 3.2 показан так называемый вращающийся воздухоподогреватель, теплоаккумулирующая набивка которого на первой половине оборота обогревается уходящими дымовыми газами, а на второй половине оборота она нагревает поступающий из атмосферы воздух. Для повышения температуры воздуха используется рециркуляция: часть дымовых газов, уходящих из котла, специальным вентилятором рециркуляции 29 подается к основному воздуху и смешивается с ним. Горячий воздух смешивается с газом и через горелки котла подается в его топку – камеру, в которой происходит горение топлива. При горении образуется факел, представляющий собой мощный источник лучистой энергии. Таким образом, при горении топлива его химическая энергия превращается в тепловую и лучистую энергию факела.

Стены топки облицованы экранами 19 – трубами, к которым подается питательная вода из экономайзера 24. На схеме изображен так называемый прямоточный котел, в экранах которого питательная вода, проходя трубную систему котла только 1 раз, нагревается и испаряется, превращаясь в сухой насыщенный пар. Широкое распространение получили барабанные котлы, в экранах которых осуществляется многократная циркуляция питательной воды, а отделение пара от котловой воды происходит в барабане.

Пространство за топкой котла достаточно густо заполнено трубами, внутри которых движется пар или вода. Снаружи эти трубы омываются горячими дымовыми газами, постепенно остывающими при движении к дымовой трубе 26.

Сухой насыщенный пар поступает в основной пароперегреватель, состоящий из потолочного 20, ширмового 21 и конвективного 22 элементов. В основном пароперегревателе повышается его температура и, следовательно, потенциальная энергия. Полученный на выходе из конвективного пароперегревателя пар высоких параметров покидает котел и поступает по паропроводу к паровой турбине.

Мощная паровая турбина обычно состоит из нескольких как бы отдельных турбин – цилиндров.

К первому цилиндру – цилиндру высокого давления (ЦВД) 17 пар подводится прямо из котла, и поэтому он имеет высокие параметры (для турбин СКД – 23,5 МПа, 540 °С, т.е. 240 ат/540 °С). На выходе из ЦВД давление пара составляет 3–3,5 МПа (30–35 ат), а температура – 300–340 °С. Если бы пар продолжал расширяться в турбине дальше от этих параметров до давления в конденсаторе, то он стал бы настолько влажным, что длительная работа турбины была бы невозможной из-за эрозионного износа его деталей в последнем цилиндре. Поэтому из ЦВД относительно холодный пар возвращается обратно в котел в так называемый промежуточный пароперегреватель 23. В нем пар попадает снова под воздействие горячих газов котла, его температура повышается до исходной (540 °С). Полученный пар направляется в цилиндр среднего давления (ЦСД) 16. После расширения в ЦСД до давления 0,2–0,3 МПа (2–3 ат) пар поступает в один или несколько одинаковых цилиндров низкого давления (ЦНД) 15.

Таким образом, расширяясь в турбине, пар вращает ее ротор, соединенный с ротором электрического генератора 14, в статорных обмотках которого образуется электрический ток. Трансформатор повышает его напряжение для уменьшения потерь в линиях электропередачи, передает часть выработанной энергии на питание собственных нужд ТЭС, а остальную электроэнергию отпускает в энергосистему.

И котел, и турбина могут работать только при очень высоком качестве питательной воды и пара, допускающем лишь ничтожные примеси других веществ. Кроме того, расходы пара огромны (например, в энергоблоке 1200 МВт за 1 с испаряется, проходит через турбину и конденсируется более 1 т. воды). Поэтому нормальная работа энергоблока возможна только при создании замкнутого цикла циркуляции рабочего тела высокой чистоты.

Пар, покидающий ЦНД турбины, поступает в конденсатор 12 – теплообменник, по трубкам которого непрерывно протекает охлаждающая вода, подаваемая циркуляционным насосом 9 из реки, водохранилища или специального охладительного устройства (градирни).

Градирня – это железобетонная пустотелая вытяжная башня (рис. 3.3) высотой до 150 м и выходным диаметром 40– 70 м, которая создает самотягу для воздуха, поступающего снизу через воздухо-направляющие щиты.

Внутри градирни на высоте 10–20 м устанавливают оросительное (разбрызгивающее устройство). Воздух, движущийся вверх, заставляет часть капель (примерно 1,5–2 %) испаряться, за счет чего охлаждается вода, поступающая из конденсатора и нагретая в нем. Охлажденная вода собирается внизу в бассейне, перетекает в аванкамеру 10, и оттуда циркуляционным насосом 9 она подается в конденсатор 12 (рис.3.2).

Наряду с оборотной, используют прямоточное водоснабжение, при котором охлаждающая вода поступает в конденсатор из реки и сбрасывается в нее ниже по течению. Пар, поступающий из турбины в межтрубное пространство конденсатора, конденсируется и стекает вниз; образующийся конденсат конденсатным насосом 6 подается через группу регенеративных подогревателей низкого давления (ПНД) 3 в деаэратор 8. В ПНД температура конденсата повышается за счет теплоты конденсации пара, отбираемого из турбины. Это позволяет уменьшить расход топлива в котле и повысить экономичность электростанции. В деаэраторе 8 происходит деаэрация – удаление из конденсата растворенных в нем газов, нарушающих работу котла. Одновременно бак деаэратора представляет собой емкость для питательной воды котла.

Из деаэратора питательная вода питательным насосом 7, приводимым в действие электродвигателем или специальной паровой турбиной, подается в группу подогревателей высокого давления (ПВД).

Регенеративный подогрев конденсата в ПНД и ПВД – это основной и очень выгодный способ повышения КПД ТЭС. Пар, который расширился в турбине от входа до трубопровода отбора, выработал определенную мощность, а поступив в регенеративный подогреватель, передал свое тепло конденсации питательной воде (а не охлаждающей!), повысив ее температуру и тем самым сэкономив расход топлива в котле. Температура питательной воды котла за ПВД, т.е. перед поступлением в котел, составляет в зависимости от начальных параметров 240–280°С. Таким образом замыкается технологический пароводяной цикл преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения ротора турбоагрегата.

Climate Analytics продолжает настаивать на том, что угольная энергетика в Европе должна быть ликвидирована уже к 2030 году - иначе ЕС не выполнит целей Парижского соглашения по климату. Но какие станции закрывать в первую очередь? Предлагается два подхода - экологический и экономический. «Кислород.ЛАЙФ» присмотрелся к крупнейшим угольным ТЭС в России, которые никто закрывать не собирается.

Закрыть за десять лет

Сейчас в ЕС – более 300 электростанций с действующими на них 738 энергоблоками, работающими на угольном топливе. Географически они распределены, естественно, не равномерно. Но в целом каменный уголь и лигнит (бурый уголь) обеспечивают четверть всей генерации электричества в ЕС. Самые зависимые от угля члены Евросоюза – Польша, Германия, Болгария, Чехия и Румыния. На долю Германии и Польши приходится 51% установленных угольных мощностей в ЕС и 54% выбросов ПГ от угольной энергетики во всей объединенной Европе. При этом в семи странах ЕС вообще нет угольных ТЭС.

«Дальнейшее использование угля для производства электроэнергии не совместимо с реализацией задачи резкого снижения выбросов ПГ. Поэтому ЕС необходимо разработать стратегию поэтапного отказа от угля быстрее, чем это происходит в настоящее время», - резюмирует Climate Analytics. В противном случае, совокупные объемы выбросов к 2050 году по всему ЕС вырастут на 85%. Моделирование, проведенное Climate Analytics, показало, что 25% работающих в настоящее время угольных электростанций должны быть закрыты уже к 2020 году. Еще через пять лет закрыть необходимо 72% ТЭС, а полностью избавиться от угольной энергетики к 2030 году.

Главные вопрос – как это делать? По мнению Climate Analytics, «критический вопрос – по каким критериям нужно определять, когда закрывать те или иные ТЭС? С точки зрения земной атмосферы, критерии не имеют значения, так как выбросы ПГ будут сокращаться в нужном темпе. Но с точки зрения политиков, владельцев предприятий и других заинтересованных сторон, выработка таких критериев – решающий момент в принятии решений».

Climate Analytics предлагает две возможные стратегии для полного отказа от использования угля в производстве электроэнергии. Первая – сначала закрывать те ТЭС, которые лидируют по выбросам ПГ. Вторая стратегия – закрывать станции, наименее ценные с точки зрения бизнеса. Для каждой из стратегий нарисована интересная инфографика, показывающая, как будет меняться облик ЕС в годами вслед за закрытием угольных станций. В первом случае под ударом окажутся Польша, Чехия, Болгария и Дания. Во втором – также Польша и Дания.

Единства нет

В целом именно пять польских ТЭС, которые могут спокойно дымит до 2060-х годов, Climate Analytics предлагает закрыть на три-четыре десятилетия раньше срока. Польшу, энергетика которой на 80% зависит от угля, такое развитие событий вряд ли устроит (напомним, эта страна даже собирается оспаривать климатические обязательства, навязанные ей ЕС, в суде). Еще пять станций из Топ-20 находятся в Великобритании; восемь - в Германии. Также в первой двадцатке на закрытие - две ТЭС в Италии.

При этом английская Fiddler"s Ferry (мощность 2 ГВт) должна быть закрыта уже в 2017 году, а остальные британские ТЭС, как и заявляло правительство этой страны - к 2025 году. То есть только в этой стране процесс может пройти относительно безболезненно. В Германии все может растянуться до 2030 года, реализация двух стратегий будет различаться в зависимости от специфики земель (там есть угледобывающие регионы). В Чехии и Болгарии угольную генерацию нужно будет свернуть уже к 2020 году - прежде всего, из-за солидных объемов выбросов.

На замену углю должны прийти ВИЭ. Снижение себестоимости генерации солнца и ветра – важный тренд, который необходимо поддерживать и развивать, считают в Climate Analytics. За счет ВИЭ можно провести трансформацию энергетики, в том числе путем создания новых рабочих мест (не только в самой отрасли, но и в производстве оборудования). Которые, в том числе, смогут занять и высвобождаемые из угольной энергетики кадры.

Впрочем, в Climate Analytics признают, что в Европе нет единства в отношении угля. В то время как некоторые страны значительно сократили добычу и заявили о полном отказе от этого вида топлива в ближайшие 10-15 лет (среди них, например, Великобритания, Финляндия и Франция), другие или строят, или планируют строить новые угольные электростанции (Польша и Греция). «Вопросам экологии в Европе уделяют большое внимание, однако быстро отказаться от угольной генерации вряд ли будет возможно. Сначала необходимо ввести в строй замещающие мощности, ведь тепло и свет нужны и населению, и экономике. Это тем более важно, что ранее принимались решения о закрытии ряда атомных электростанций в Европе. Возникнут социальные проблемы, потребуется переобучить часть сотрудников самих станций, будет сокращено значительное количество рабочих мест в самых разных отраслях, что, безусловно, увеличит напряженность в обществе. Скажется закрытие угольных электростанций и на бюджетах, так как не станет значительной группы налогоплательщиков, а операционные показатели тех компаний, кто ранее им поставлял товары и услуги, существенно уменьшатся. Если какое-то решение и возможно, то заключаться оно может в растянутом по времени отказе от угольной генерации, с одновременным продолжением работы по совершенствованию технологий с целью уменьшения выбросов от сжигания угля, улучшения экологической ситуации на угольных электростанциях», - говорит по этому поводу Дмитрий Баранов , ведущий эксперт УК «Финам Менеджмент».

Top-20 угольных ТЭС Европы, которые, по мнению Climate Analytics, нужно будет закрыть

А что у нас?

Доля атомной энергетики в общем объеме энергобаланса страны – 16-17%, гидрогенерации – 18%, на газ приходится порядка 40%. По данным Института энергетических исследований РАН, уголь в производстве электроэнергии давно и активно вытесняется газом и атомом, причем быстрее всего - в европейской части России. Крупнейшие угольные ТЭС расположены, тем не менее, в центре и на Урале. Но если посмотреть на картину в энергетике в разрезе регионов, а не отдельных станций, то картинка будет другая: наиболее «угольные» регионы – в Сибири и на Дальнем Востоке. Структура территориальных энергобалансов зависит от уровня газификации: в европейской части России он высокий, а в Восточной Сибири и далее – низкий. Уголь в качестве топлива, как правило, используется на городских ТЭЦ, где вырабатывается не только электричество, но и тепло. Поэтому генерация в больших городах (вроде Красноярска) полностью основана на угольном топливе. В целом на долю тепловых станций только в ОЭС Сибири в настоящее время приходится 60% выработки электроэнергии - это порядка 25 ГВт «угольных»мощностей.

Что касается ВИЭ, то сейчас на долю таких источников в энергобалансе РФ приходится символические 0,2%. «Планируем выйти на 3% - до 6 тысяч МВт за счет различных механизмов поддержки», - дал прогноз Новак. В компании «Россети» дают более оптимистичные прогнозы : установленная мощность ВИЭ к 2030 году в России может вырасти на 10 ГВт. Тем не менее, глобальной перестройки энергобаланса в нашей стране не предвидится. «По прогнозам, к 2050 году в мире будет насчитываться порядка 10 миллиардов человек. Уже сегодня порядка 2 миллиардов не имеют доступа к источникам энергии. Представьте, какая будет потребность человечества в энергии через 33 года, и как должны развиться ВИЭ, чтобы обеспечить весь спрос», - так доказывает жизнеспособность традиционной энергетики Александр Новак.

«Речь об «отказе от угля» в России точно не идет, тем более что, согласно Энергостратегии до 2035 года, запланировано увеличение доли угля в энергобалансе страны, - напоминает Дмитрий Баранов из УК «Финам Менеджмент». - Наряду с нефтью и газом, уголь является одним из важнейших полезных ископаемых на планете, и Россия, как одна из крупнейших стран в мире по его запасам и добыче, просто обязана уделять должное внимание развитию этой отрасли. Еще в 2014 году на заседании правительства РФ Новак представил программу развития угольной промышленности России до 2030 года. В ней основной упор сделан на создание новых центров угледобычи, в первую очередь, в Сибири и на Дальнем Востоке, совершенствование научно-технического потенциала в отрасли, а также реализацию проектов в углехимии».

Крупнейшие ТЭС России, работающие на угольном топливе

Рязанская ГРЭС (ОГК-2)

Новочеркасская ГРЭС (ОГК-2)

Каширская ГРЭС («ИнтерРАО»)

Троицкая ГРЭС (ОГК-2)

Гусиноозерская ГРЭС («ИнтерРАО»)

Что такое угольная электростанция? Это такое предприятие по производству электричества, где первым в цепочке по преобразованию энергии стоит уголь (каменный, бурый).

Вспомним цепочку преобразования энергии на электростанциях, работающих по циклу .

Первое в цепи стоит топливо, в нашем случае уголь. Оно обладает химической энергией, которая при сгорании в котле преобразуется в тепловую энергию пара. Ещё тепловую энергию можно назвать потенциальной. Далее потенциальная энергия пара на соплах преобразуется в кинетическую энергию. Кинетическую энергию мы назовем скоростью. Эта кинетическая энергия на выходе из сопел турбины толкает рабочие лопатки и вращает вал турбины. Здесь получается механическая энергия вращения. Вал нашей турбины жестко сцеплен с валом электрического генератора. Вот уже в электрическом генераторе механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию — электричество.

У угольной электростанции есть как преимущества, так и недостатки по сравнению, например, с газовой (обычной не будем брать в расчет современные ПГУ).

Преимущества угольных электростанций:

— низкая стоимость топлива;

— сравнительная независимость от поставок топлива (есть большой угольный склад);

— и… всё.

Недостатки угольных электростанций:

— низкая маневренность — обусловлена дополнительным ограничением по выходу шлака из , если он с жидким шлакоудалением;

— высокие выбросы, по сравнению с газовыми;

— более низкий КПД по отпуску электроэнергии — здесь добавляются потери в котле и увеличение собственных электрических нужд за счет системы угольного пылеприготовления;

— больше, чем на газовых станциях затраты на , связано с тем, что добавляется абразивный износ и большее количество вспомогательных установок.

Из этого небольшого сравнения видно, что угольные электростанции проигрывают газовым. Но все же мир не отказывается от их строительства. Это связано, прежде всего с экономической точки зрения.

Возьмем, к примеру, нашу страну. У нас есть некоторые места на карте, где добывают в больших количествах уголь. Самое известное — Кузбасс (Кузнецкий угольный бассейн), она же Кемеровская область. Там довольно много электростанций, самые крупные — и , кроме них есть еще несколько поменьше. Все они работают на угле, за исключением нескольких энергоблоков, где может использоваться в качестве резервного топлива газ. В Кемеровской области такое большое количество угольных электростанций обусловлено, конечно, тем, что уголь добывают «под боком». Практически отсутствует транспортная составляющая в цене угля для электрических станций. К тому же некоторые собственники ТЭС являются также собственниками угольных предприятий. Думается понятно, почему там не строят газовые станции.

К тому же разведанные запасы угля несравнимо больше, чем разведанные запасы природного газа. Это относится уже к энергетической безопасности страны.

В развитых странах шагнули дальше. Из угля делают так называемый синтетический газ, искусственный аналог природного газа. К этому газу приспособили уже некоторые , которые могут работать в составе ПГУ. А здесь уже совсем другие КПД (выше) и вредные выбросы (ниже), по сравнению с угольным станциями, да и со старыми газовыми.

Так что можно сделать вывод: уголь, как топливо для производства электричества, человечество будет использовать всегда.