Тепловая энергетика

electro-svs.ru

Удовлетворение одной из самых насущных проблем современности – проблемы потребления электрической энергии – может осуществляться множеством различных способов. Однако, несмотря на всё их разнообразие, пока что значительная часть вырабатываемой в мире электроэнергии – 70% – производится на тепловых станциях. Происходит это посредством сжигания газообразного, жидкого и твёрдого топлива органического происхождения. Этот способ не лучший в экономическом и экологическом отношении, но самый распространённый по сравнению видами генерации, основанными на использовании разнообразных природных энергоресурсов.

Тепловые электростанции (ТЭС), вырабатывающие порядка 80% электроэнергии для российских потребителей (на начало 2020 года их суммарная мощность, согласно данным СО ЕЭС, составляла 164,6 ГВт – это 66,82% мощности всех электростанций в РФ), представляют собой комплексы сооружений, включающие в себя разнообразные устройства и оборудование.

ТЭС предназначены для производства электрической и тепловой энергии, вырабатываемой благодаря последовательности преобразований из одного вида энергии в другой:

  • химической – в тепловую;
  • тепловой – в энергию механическую;
  • механической – в электрическую.

В качестве содержащего химическую энергию топлива могут выступать:

  • уголь;
  • природный газ;
  • мазут;
  • торф;
  • природные сланцы;
  • различные комбинации перечисленных веществ.

Технология работы тепловых электрических станций не отличается большой сложностью и включает в себя ряд последовательных этапов:

  1. В топку парового котла поступает топливо и подогретый воздух, служащий в качестве окислителя. Затем полученная смесь поджигается и передает своё тепло дальше.
  2. Параллельно внутрь котла (называемого также парогенератором) по специальным трубам подаётся питательная вода, которая и принимает тепло, образовавшееся в результате горения.
  3. Получившийся в результате осуществления первых двух процессов перегретый пар (температурой в 400-650°C и давлением в десятки Мпа) по паропроводу перемещается в турбогенератор – находящиеся на одном валу паровую турбину и электрический генератор.
  4. Совместное их вращение даёт возможность получать электрическую энергию.
  5. Высвободивший значительную часть своей энергии пар в дальнейшем поступает в конденсатор, где проходит процесс охлаждения, превращаясь в воду. Она после деаэрации (удаления посторонних газов) дополнительно подогревается и обратно возвращается в котёл.

Стоит отметить, что на ряде станций имеется дополнительная возможность отбора пара нужных параметров. Пар, играя роль теплоносителя, конденсируется в сетевых подогревателях и передаёт имеющуюся тепловую энергию сетевой воде. Она в свою очередь поступает на пиковые водогрейные котельные и тепловые пункты. Таким образом, происходит обеспечение потребителей горячей водой и паром.

В зависимости от своего предназначения (уровня вырабатываемой мощности, возможности выработки различных видов потребляемой энергии) тепловые электростанции подразделяются на несколько видов:

  • ГРЭС (государственная районная электростанция), названную так по экономическим соображениям своего времени, что к сегодняшнему дню не является актуальным. Это достаточно мощные электростанции, имеющие в своём составе турбогенераторы производительностью от 100 до 1000 МВт. Как правило, они специализируются на выработке значительного количества электроэнергии, поэтому фактически представляют собой КЭС (конденсационные электростанции). А если и вырабатывают тепло, то лишь только для собственных нужд и нужд мест проживания персонала. ГРЭС не отличаются высоким КПД, обычно этот доходит до 25%.
  • ТЭЦ (фактически представляют собой одну из разновидностей ТЭС) – теплоэлектроцентрали, сооружаемые для удовлетворения нужд городского населения в отоплении и горячей воде. Также попутно они могут вырабатывать электрическую энергию и пар для промышленных предприятий. В случае возникновения излишков трансформированная в напряжение 35-110, а иногда и 220 кВ, электроэнергия передаётся в энергосистему. Здесь находят своё применение теплофикационные турбоагрегаты на 6-250 МВт единичной мощности. КПД ТЭЦ благодаря использованию тепловой энергии достигает 30-40%.
  • ДЭС – дизельные электростанции, работающие изолированно. Установки подобного типа рассчитаны на 1-15 МВт мощности, находят своё применение в местах отсутствия сетевого электроснабжения.

Помимо паротурбинных тепловых установок (ПТУ), входящих в состав ТЭЦ и ГРЭС (КЭС), российские тепловые электрические станции оснащаются:

  • Газотурбинными установками (ГТУ), использующими в качестве рабочего тела, воздействующего на лопатки турбины, природный газ. КПД ГТУ = 27-29%.
  • Парогазотурбинными установками (ПГТУ) – комбинированные комплексы, оснащённые паровыми и газовыми турбинами. КПД ПГТУ = 41-44%.

Несомненными преимуществами всех видов тепловых электрических станций выступают:

  • невысокая стоимость строительства и возможность создания их практически в любом удобном месте на небольшой занимаемой площади, т. к. возможности доставки к станциям топлива не представляют особых сложностей;
  • дешевизна расходуемого топлива;
  • невысокая стоимость вырабатываемой электрической энергии;
  • достаточно широкий ассортимент потребляемого топлива.

Вместе с тем ТЭС не лишены и целого ряда существенных недостатков, главным из которых выступает значительное загрязнение окружающей среды.

В своё время на заре развития тепловой и электрической энергетики, так необходимых для формирования промышленной индустрии, ставка делалась на повсеместное строительство ТЭС. Вопросы экологической безопасности, столь актуальные в современном обществе, мало кого волновали. Но с течением времени ситуация коренным образом изменилась.

Всё дело в том, что процесс преобразования химической энергии любого вида топлива в энергию тепловую или электрическую сопровождается:

  • Добычей целого ряда полезных ископаемых, из которых лишь природный газ является относительно безопасным в экологическом плане видом топлива. Извлечение остальных – угля, нефти, торфа, горючих сланцев – требует освоения значительных территорий, сопровождающихся разрушением природного ландшафта, воздействием на подпочвенные слои, выбросами и загрязнением близлежащей местности. Кроме того, извлечённое из недр сырьё требует существенной переработки, что опять же приводит к целому набору негативных воздействий. Также возникает необходимость доставки готового топлива непосредственно к станциям, сопровождающимся выхлопами и выбросами множества веществ высоких классов опасности.
  • Сжиганием углеводородов, что приводит к сильнейшему загрязнению атмосферы, а вслед за ней – воды и почвы. Выделяемые продукты сгорания могут содержать в себе частички топлива пылевидной формы, золу, сажу, ряд газов, возникающих при неполном сгорании топлива, мышьяк, серный и сернистый ангидрид, оксид азота и множество других вредных для природы и человека химических веществ и соединений. В последующем это приводит к разрушению озонового слоя планеты, возникновению кислотных дождей, тепловому загрязнению – факторам, оказывающим существенное влияние на изменение климата и условий существований всех живых организмов.
  • Образованием сточных вод, несущих в своём составе ванадий, нефтепродукты, фенолы, фтор, ряд осветлителей и химических реагентов, приводящих к угнетению флоры и фауны близлежащих водоёмов.
  • Накоплением отходов посредством постоянного образования шлака и золы. Сосредотачиваемые на специальных полигонах, они становятся местами длительного хранения токсичных веществ в виде тяжёлых металлов, алюминия, бензапирена, оксида кремния. Безусловно, эти очаги ядовитых веществ, отравляющие воду, воздух и почву, требуют принятия мер по утилизации и захоронению. Но с этим возникают серьёзнейшие проблемы. Кроме того, в районе такого рода полигонов и угольных электростанций наблюдается повышенный радиационный фон. Это также сказывается на работающем персонале и окружающей среде.
  • Шумовым и электромагнитным влиянием на близлежащую территорию.

Столь широкий набор негативных воздействий учитывается на стадии проектирования тепловых электрических станций. Дополнительно во время их эксплуатации предусматриваются необходимые меры для обеспечения безопасности персонала и проживающего поблизости населения. Однако всё это лишь в малой степени компенсирует возникающие угрозы и нивелирует их последствия на экологию.

В связи с этим сегодня всё более актуальной альтернативой тепловым станциям становятся источники возобновляемой энергии, не оказывающие столь губительного воздействия на окружающую среду. Существенный вклад в дело обеспечения экологической безопасности могут внести инновации, направленные на значительное сокращение потерь электрической энергии при её транспортировке и хранении, а также разработки, приводящие к экономии топливных и энергетических ресурсов.