Назначение теплоэлектростанции заключается в превращении химической энергии топлива в электрическую энергию. Так как совершить такое преобразование непосредственно оказывается практически невозможным, то приходится сначала превращать химическую энергию топлива в тепло, что производится путем сжигания топлива, затем преобразовывать тепло в механическую энергию и, наконец, эту последнюю превращать в электрическую энергию.
На рисунке ниже представлена простейшая схема тепловой части электрической станции, именуемой часто паросиловой установкой. Сжигание топлива производится в топке . При этом . Полученное тепло передается воде, находящейся в паровом котле. Вследствие этого вода нагревается и затем испаряется, образуя так называемый насыщенный пар, т. е. пар, имеющий ту же температуру, что и кипящая вода. Далее тепло подводится к насыщенному пару, в результате чего образуется перегретый пар, т. е. пар, имеющий более высокую температуру, чем испаряющаяся при том же давлении вода. Перегретый пар получается из насыщенного в пароперегревателе, в большинстве случаев представляющем собой змеевик из стальных труб. Пар движется внутри труб, с внешней же стороны змеевик омывается горячими газами.
Если бы давление в котле было равно атмосферному, то воду необходимо было бы нагреть до температуры 100° С; при дальнейшем сообщении тепла она начала бы быстро испаряться. Получающийся при этом насыщенный пар имел бы также температуру 100° С. При атмосферном давлении пар будет перегретым в том случае, когда температура его выше 100° С. Если давление в котле выше атмосферного, то насыщенный пар имеет температуру выше 100° С. Температура насыщенного пара тем выше, чем больше давление. В настоящее время в энергетике вообще не применяются паровые котлы с давлением, близким к атмосферному. Гораздо более выгодным оказывается применение паровых котлов, рассчитанных на значительно большее давление, порядка 100 атмосфер и более. Температура насыщенного пара при этом составляет 310° С и более.
Из пароперегревателя перегретый водяной пар по стальному трубопроводу подается к тепловому двигателю, чаще всего - . В существующих паросиловых установках электрических станций другие двигатели почти никогда не применяются. Перегретый водяной пар, поступающий в тепловой двигатель, содержит большой запас тепловой энергии, выделившейся в результате сжигания топлива. Задачей теплового двигателя является преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию.
Давление и температура пара на входе в паровую турбину, именуемые обычно , значительно выше, чем давление и температура пара на выходе из турбины. Давление и температура пара на выходе из паровой турбины, равные давлению и температуре в конденсаторе, называются обычно . В настоящее время, как уже было сказано, в энергетике применяется пар весьма высоких начальных параметров, с давлением до 300 атмосфер и с температурой до 600° С. Конечные параметры, напротив, выбираются низкими: давление около 0,04 атмосферы, т. е. в 25 раз меньше атмосферного, а температура около 30° С, т. е. близкой к температуре окружащей среды. При расширении пара в турбине вследствие уменьшения давления и температуры пара количество заключенной в нем тепловой энергии на много уменьшается. Так как процесс расширения пара происходит весьма быстро, то за это весьма короткое время сколько-нибудь значительный переход тепла от пара к окружающей среде осуществиться не успевает. Куда же идет избыток тепловой энергии? Известно ведь, что согласно основному закону природы - закону сохранения и превращения энергии - невозможно уничтожить или получить «из ничего» любое, даже самое малое, количество энергии. Энергия может только переходить из одного вида в другой. Очевидно, именно с такого рода преобразованием энергии мы имеем дело и в данном случае. Избыток тепловой энергии, заключенный ранее в паре, перешел в механическую энергию и может быть использован по нашему усмотрению.
О том, как работает паровая турбина, рассказывается в статье о .
Здесь мы скажем только, что струя пара, поступающая на лопатки турбины, имеет весьма большую скорость, часто превышающую скорость звука. Струя пара приводит во вращение диск паровой турбины и вал, на который диск насажен. Вал турбины может быть связан, например, с электрической машиной - генератором. В задачу генератора входит преобразование механической энергии вращения вала в энергию электрическую. Таким образом, химическая энергия топлива в паросиловой установке превращается в механическую и далее в электрическую энергию, которую можно хранить в ИБП переменного тока.
Пар, совершивший работу в двигателе, поступает в конденсатор. По трубкам конденсатора непрерывно прокачивается охлаждающая вода, забираемая обычно из какого-либо естественного водоема: реки, озера, моря. Охлаждающая вода забирает тепло от пара, поступившего в конденсатор, вследствие чего пар конденсируется, т. е. превращается в воду. Образовавшаяся в результате конденсации вода с помощью насоса подается в паровой котел, в котором снова испаряется, и весь процесс повторяется заново.
Таково в принципе действие паросиловой установки теплоэлектрической станции. Как видно, пар служит посредником, так называемым рабочим телом, с помощью которого химическая энергия топлива, преобразованная в тепловую энергию, превращается в механическую энергию.
Не следует думать, конечно, что устройство современного, мощного, парового котла или теплового двигателя столь просто, как это показано на рисунке выше. Напротив, котел и турбина, являющиеся важнейшими элементами паросиловой установки, имеют весьма сложное устройство.
К объяснению работы и мы сейчас и приступаем.
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
У этой паровой турбины хорошо видны лопатки рабочих колес.
Тепловая электростанция (ТЭЦ) использует энергию, высвобождающуюся при сжигании органического топлива - угля, нефти и природного газа - для превращения воды в пар высокого давления. Этот пар, имеющий давление около 240 килограммов на квадратный сантиметр и температуру 524°С (1000°F), приводит во вращение турбину. Турбина вращает гигантский магнит внутри генератора, который вырабатывает электроэнергию.
Современные тепловые электростанции превращают в электроэнергию около 40 процентов теплоты, выделившейся при сгорании топлива, остальная сбрасывается в окружающую среду. В Европе многие тепловые электростанции используют отработанную теплоту для отопления близлежащих домов и предприятий. Комбинированная выработка тепла и электроэнергии увеличивает энергетическую отдачу электростанции до 80 процентов.
Паротурбинная установка с электрогенератором
Типичная паровая турбина содержит две группы лопаток. Пар высокого давления, поступающий непосредственно из котла, входит в проточную часть турбины и вращает рабочие колеса с первой группой лопаток. Затем пар подогревается в пароперегревателе и снова поступает в проточную часть турбины, чтобы вращать рабочие колеса с второй группой лопаток, которые работают при более низком давлении пара.
Вид в разрезе
Типичный генератор тепловой электростанции (ТЭЦ) приводится во вращение непосредственно паровой турбиной, которая совершает 3000 оборотов в минуту. В генераторах такого типа магнит, который называют также ротором, вращается, а обмотки (статор) неподвижны. Система охлаждения предупреждает перегрев генератора.
Выработка энергии при помощи пара
На тепловой электростанции топливо сгорает в котле, с образованием высокотемпературного пламени. Вода проходит по трубкам через пламя, нагревается и превращается в пар высокого давления. Пар приводит во вращение турбину, вырабатывая механическую энергию, которую генератор превращает в электричество. Выйдя из турбины, пар поступает в конденсатор, где омывает трубки с холодной проточной водой, и в результате снова превращается в жидкость.
Мазутный, угольный или газовый котел
Внутри котла
Котел заполнен причудливо изогнутыми трубками, по которым проходит нагреваемая вода. Сложная конфигурация трубок позволяет существенно увеличить количество переданной воде теплоты и за счет этого вырабатывать намного больше пара.
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.
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.
