Тепловые электростанции (кэс, тэц): разновидности, принцип работы, мощность

Главное – электричество

Обозначение «ГРЭС» – пережиток советского индустриального мегапроекта, на начальном этапе которого, в рамках плана ГОЭЛРО, решалась задача ликвидации дефицита, прежде всего, электрической энергии. Расшифровывается оно просто – «государственная районная электрическая станция». Районами в СССР называли территориальные объединения (промышленности с населением), в которых можно было организовать единое энергоснабжение. И в узловых географических точках, обычно вблизи крупных месторождений сырья, которое можно было использовать в качестве топлива, и ставили ГРЭС. Впрочем, газ на такие станции можно подавать и по трубопроводам, а уголь, мазут и другие виды топлива завозить по железной дороге. А на Березовскую ГРЭС компании «Юнипро» в красноярском Шарыпово уголь вообще приходит по 14-километровому конвейеру.

В современном понимании ГРЭС – это конденсационная электростанция (КЭС), по сравнению с ТЭЦ, очень мощная. Ведь главная задача такой станции – выработка электроэнергии, причем в базовом режиме (то есть равномерно в течение дня, месяца или года).
Поэтому ГРЭС, как правило, расположены вдали от крупных городов – благодаря линиям электропередач такие объекты генерации работают на всю энергосистему. И даже на экспорт – как, например, Гусиноозерская ГРЭС в Бурятии, с момента своего запуска в 1976 году обеспечивающая львиную долю поставок в Монголию. И выполняющая для этой страны роль «горячего резерва».

Интересно, что далеко не все станции, имеющие в своем названии аббревиатуру «ГРЭС», являются конденсационными; некоторые из них давно работают как теплоэлектроцентрали. Например, Кемеровская ГРЭС «Сибирской генерирующей компании» (СГК). «Изначально, в 1930-е годы, она вырабатывала только электроэнергию. Тем более что энергодефицит тогда был большой. Но когда вокруг станции вырос город Кемерово, на первый план вышел другой вопрос – как отапливать жилые кварталы? Тогда станцию перепрофилировали в классическую теплоэлектроцентраль, оставив лишь историческое название – ГРЭС. Для того, чтобы работник с гордостью мог сказать: «Я работаю на ГРЭС!». Потребление угля на электричество и тепло на станции идет сегодня в пропорции 50 на 50», — объясняет «Кислород.ЛАЙФ» начальник управления эксплуатации ТЭС Кузбасского филиала СГК Алексей Кутырев.

В то же время на других ГРЭС, входящих в СГК – например, на Томь-Усинской (1345,4 МВт) и Беловской (1260 МВт) в Кузбассе, а также на Назаровской (1308 МВт) в Красноярском крае – 97% сжигаемого угля идет на генерацию электричества. И всего 3% – на выработку тепла. И такая же картина, за редким исключением – практически на любой другой ГРЭС.

Крупнейшей в России ГРЭС и третьей в мире тепловой станцией является Сургутская ГРЭС-2(входит в «Юнипро») – ее мощность 5657,1 МВт (мощнее в нашей стране – только две ГЭС, Саяно-Шушенская и Красноярская). При довольно приличном КИУМ более 64,5% эта станция выработала в 2017 году почти 32 млрд кВт*часов электрической энергии. Эта ГРЭС работает на попутном нефтяном и природном газе. Крупнейшей же по мощности ГРЭС в стране, работающей на твердом топливе (угле), является Рефтинская — она расположена в 100 км от Екатеринбурга. 3,8 ГВт электрической мощности позволяют вырабатывать объемы, покрывающие 40% потребности всей Свердловской области. В качестве основного топлива на станции используется экибастузский каменный уголь.

Какие бывают источники энергии

Источников энергии существует множество. Самыми интересными, наверное, являются солнце и ветер. Вроде ничего не происходит, а электричество вырабатывается. Самые технологичные способы получения — это без сомнения атомная энергетика и токамаки, которые еще пока строятся и рано говорить об их промышленном запуске.

Есть и более экстравагантные способы получения энергии. Например, энергия Земли, о которой я подробно рассказывал ранее. Есть даже станции, которые вырабатывают энергию из приливов. Тоже своеобразный, но иногда действенный способ.

Сочетание приведенных выше технологий позволяет поставить источник энергии почти в любой точке мира. Если что, то можно даже подогнать плавучую атомную станцию, которая обеспечит энергией небольшой город на 60-100 тысяч жителей.

Первая в мире плавучая атомная станция «Академик Ломоносов».

Это все хорошо, но есть и более проверенные способы получения энергии, которые требуют мало затрат, но им надо обеспечивать много топлива и они не очень-то экологичны. Для выработки электричества они используют ископаемое топливо, которое, кроме прочего, может и закончиться, но пока его хватает.

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.

Чистое сжигание угля (Clean Coal)

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 СО₂ 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 SO₂ – оксид серы. Далее происходит удаление СО₂ с помощью специального жидкого абсорбента, после чего он утилизируется путем захоронения.

Схема работы

Принцип работы ТЭС построен следующим образом. Топливный материал, а также окислитель, роль которого чаще всего берет на себя подогретый воздух, непрерывным потоком подаются в топку котла. В роли топлива могут выступать такие вещества, как уголь, нефть, мазут, газ, сланцы, торф. Если говорить о наиболее распространенном топливе на территории Российской Федерации, то это угольная пыль. Далее принцип работы ТЭС строится таким образом, что тепло, которое образуется за счет сжигания топлива, нагревает воду, находящуюся в паровом котле. В результате нагрева происходит преобразование жидкости в насыщенный пар, который по пароотводу поступает в паровую турбину. Основное предназначение этого устройства на станции заключается в том, чтобы преобразовать энергию поступившего пара, в механическую.

Все элементы турбины, способные двигаться, тесно связываются с валом, вследствие чего они вращаются, как единый механизм. Чтобы заставить вращаться вал, в паровой турбине осуществляется передача кинетической энергии пара ротору.

Послесловие

Несмотря на то, что теплоэлектростанции работающие по циклу Ренкина уступают по КПД ГТУ и ПГУ, они все еще являются важнейшей составляющей энергетической системы России и мира. Из-за этого и плохой экологической составляющей идет процесс замены электростанций работающих на паре, однако процесс этот будет долгим: тепло требуется потребителям, а на массовую замену всего парка не хватит никаких средств. В сети можно видеть разные прогнозы, в основном сходящиеся на том, что у данных агрегатов есть еще около 50-ти лет лидерства в генерации тепла и электричества. Я же не буду гадать на кофейной гуще и последую примеру специалистов атомной отрасли:

”В течение последних лет специалисты были очень осторожны в своих оценках тенденций развития ядерной энергетики, т.к. реальность упорно отказывалась следовать их прогнозам”

Н.Л. Чар и Б.Дж. Шик «Развитие ядерной энергетики: история и перспективы»

Есть как минимум один фактор, который может повлиять на изменение данной тенденции: Россия обладает огромными запасами углей, в том числе и хорошего качества. Более того, угли эти достаточно неглубокого залегания, ввиду чего цена добычи довольно невысока. Поэтому с некоторой долей вероятности можно сказать, что процесс замены парка будет медленным. Не исключено, что мы затянем вплоть до повальных аварий угрожающих работе всей энергосистемы. Работа в сторону увеличения энергетических, экологических и экономических показателей, а также увеличения срока службы паротурбинных установок будет вестись и дальше.

Что касается перспективы российской теплоэнергетики: ГТУ и ПГУ, решительно не ясно, как именно сложится ситуация на рынке. Из-за достаточно высоких капитальных затрат парогазовые установки достаточно медленно занимают место паротурбинных. Газовые же двигаются очень и очень уверенно.

При этом, для энергетики важен не только и не столько КПД. Он лишь отображает эффективность использования топлива. Доля топливной составляющей может быть разной, а, значит, и на цену электроэнергии для потребителя улучшение энергетической эффективности будет влиять по-разному. Чем большая доля затрат за время жизни уходит на закупку и транспортировку топлива (а также на выбросы в атмосферу), тем выгоднее повышать КПД теплоэлектростанции.

К примеру, в соседней отрасли – атомной энергетике – топливная составляющая при использовании открытого ядерного топливного цикла очень мала. В сумме со спецификой конструкций реакторов это определяет достаточно малый КПД ПТУ на водо-водяных реакторах (хотя иногда ведутся исследования по повышению начальных параметров).

Отчет о функционировании ЕЭС России в 2019 году // Системный оператор Единой Энергетической Системы России
Сухарева Е.В. Методы распределения затрат при формировании себестоимости энерги на ТЭЦ // ТДР. 2015. №2.
Б.В. Сазанов Тепловые электрические станции // “Энергия”, Москва, 1974
В.А. Кирилиллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин «Техническая термодинамика» // М.: Издательство МЭИ, 2008 г.
П.А. Кругликов Технико-экономические основы проектирования ТЭС и АЭС // Северо-западный заочный государственный технический университет. Санкт-Петербург. 2003 г.
В.В. САХИН УСТРОЙСТВО И ДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК. Книга 1. ПОРШНЕВЫЕ МАШИНЫ. ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ Учебное пособие // Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех» Санкт-Петербург 2015
В.В.Шапошников Лекции по предмету «Турбины ТЭС и АЭС». Паротурбинные установки // Кубанский государственный технологический университет
В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин»Техническая термодинамика» // М.: Издательство МЭИ, 2008 г.
М.М. Ковалевский Стационарные ГТУ открытого цикла // Москва. «Машиностроение». 1979 г.

242

Типы ТЭЦ

ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 в Северодвинске

ТЭЦ-5 в Новосибирске

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

Схема с поперечными связями позволяет перебросить пар от любого котла на любую турбину, что повышает гибкость управления станцией. Однако для этого необходимо установить крупные паропроводы вдоль главного корпуса станции. Кроме того, все котлы и все турбины, объединённые в схему, должны иметь одинаковые номинальные параметры пара (давление, температуру). Если в разные годы на ТЭЦ устанавливалось основное оборудование разных параметров, должно быть несколько схем с поперечными связями. Для принудительного изменения параметров пара может быть использовано редукционно-охладительное устройство (РОУ).

По типу паропроизводящих установок могут быть ТЭЦ с паровыми котлами, с парогазовыми установками, с ядерными реакторами (атомная ТЭЦ). Могут быть ТЭЦ без паропроизводящих установок — с газотурбинными установками. Поскольку ТЭЦ часто строятся, расширяются и реконструируются в течение десятков лет (что связано с постепенным ростом тепловых нагрузок), то на многих станциях имеются установки разных типов. Паровые котлы ТЭЦ различаются также по типу топлива: уголь, мазут, газ.

По типу выдачи тепловой мощности различают турбины с регулируемыми теплофикационными отборами пара (в обозначении турбин, выпускаемых в России, присутствует буква «Т», например, Т-110/120-130), с регулируемыми производственными отборами пара («П»), с противодавлением («Р»). Обычно имеется 1—2 регулируемых отбора каждого вида; при этом количество нерегулируемых отборов, используемых для регенерации тепла внутри тепловой схемы турбины, может быть любым (как правило, не более 9, как для турбины Т-250/300-240). Давление в производственных отборах (номинальное значение примерно 1—2 МПа) обычно выше, чем в теплофикационных (примерно 0,05—0,3 МПа). Термин «Противодавление» означает, что турбина не имеет конденсатора, а весь отработанный пар уходит на производственные нужды обслуживаемых предприятий. Такая турбина не может работать, если нет потребителя пара противодавления. В похожем режиме могут работать теплофикационные турбины (типа «Т») при полной тепловой нагрузке: в таком случае весь пар уходит в отопительный отбор, однако давление в конденсаторе поддерживается немногим более номинального (обычно не более 12—17 кПа). Для некоторых турбин возможна работа на «ухудшенном вакууме» — до 20 кПа и более.

Кроме того, выпускаются паровые турбины со смешанным типом отборов: с регулируемыми теплофикационными и производственными отборами («ПТ»), с регулируемыми отборами и противодавлением («ПР») и др. На ТЭЦ могут одновременно работать турбины различных типов в зависимости от требуемого сочетания тепловых нагрузок.

Топливо

На ТЭЦ используют твёрдое, жидкое или газообразное топливо. Вследствие большей близости ТЭЦ к населённым местам на них шире (по сравнению с ГРЭС) используют более ценное, меньше загрязняющее атмосферу твёрдыми выбросами топливо — мазут и газ. Для защиты воздушного бассейна от загрязнения твёрдыми частицами используют (как и на ГРЭС) золоуловители, для рассеивания в атмосфере твёрдых частиц, окислов серы и азота сооружают дымовые трубы высотой до 200—250 м. ТЭЦ, сооружаемые вблизи потребителей тепла, обычно отстоят от источников водоснабжения на значительном расстоянии. Поэтому на большинстве ТЭЦ применяют оборотную систему водоснабжения с искусственными охладителями — градирнями. Прямоточное водоснабжение на ТЭЦ встречается редко.

На газотурбинных ТЭЦ в качестве привода электрических генераторов используют газовые турбины. Теплоснабжение потребителей осуществляется за счёт тепла, отбираемого при охлаждении воздуха, сжимаемого компрессорами газотурбинной установки, и тепла газов, отработавших в турбине. В качестве ТЭЦ могут работать также парогазовые электростанции (оснащенные паротурбинными и газотурбинными агрегатами) и атомные электростанции.

ТЭЦ — основное производственное звено в системе централизованного теплоснабжения.

Механическая часть работы станции

Устройство и принцип работы ТЭС в ее механической части связан с работой ротора. Пар, который поступает из турбины, имеет очень высокое давление и температуру. Из-за этого создается высокая внутренняя энергия пара, которая и поступает из котла в сопла турбины. Струи пара, проходя через сопло непрерывным потоком, с высокой скоростью, которая чаще всего даже выше звуковой, воздействуют на рабочие лопатки турбины. Эти элементы жестко закреплены на диске, который, в свою очередь, тесно связан с валом. В этот момент времени происходит преобразование механической энергии пара в механическую энергию турбин ротора. Если говорить точнее о принципе работы ТЭС, то механическое воздействие влияет на ротор турбогенератора. Это из-за того, что вал обычного ротора и генератора тесно связываются между собой. А далее происходит довольно известный, простой и понятный процесс преобразования механической энергии в электрическую в таком устройстве, как генератор.

Энергосистемы

Энергосистемы — совокупность энергетических ресурсов всех видов, методов и средств их получения, преобразования, распределения и использования, обеспечивающих снабжение потребителей всеми видами энергии.

Что входит в энергосистему

В энергосистемы входят:

электроэнергетическая система;
система нефте- и газоснабжения;
система угольной промышленности;
ядерная энергетика;
нетрадиционная энергетика.

Обычно все эти системы объединяются в масштабах страны в единую энергетическую систему, в масштабах нескольких районов — в объединённые энергосистемы. Объединение отдельных энергоснабжающих систем в единую систему также называют межотраслевым топливно-энергетическим комплексом, оно обусловлено прежде всего взаимозаменяемостью различных видов энергии и энергоресурсов

Часто под энергосистемой в более узком смысле понимают совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, которые соединёны между собой и связаны общими режимами непрерывных производственных процессов преобразования, передачи и распределения электрической и тепловой энергии, что позволяет осуществлять централизованное управление такой системой.

В современном мире снабжение потребителей электроэнергией производится от электростанций, которые могут находиться вблизи потребителей или могут быть удалены от них на значительные расстояния. В обоих случаях передача электроэнергии осуществляется по линиям электропередачи. Однако в случае удалённости потребителей от электростанции передачу приходится осуществлять на повышенном напряжении, а между ними сооружать повышающие и понижающие подстанции. Через эти подстанции с помощью электрических линий электростанции связывают друг с другом для параллельной работы на общую нагрузку, также через тепловые пункты с помощью теплопроводов, только на гораздо меньших расстояниях связывают между собой ТЭЦ и котельные.

Совокупность всех этих элементов называют энергосистемой, при таком объединении возникают существенные технико-экономические преимущества:

существенное снижение стоимости электро- и теплоэнергии;
значительное повышение надёжности электро- и теплоснабжения потребителей;
повышение экономичности работы различных типов электростанций;
снижение необходимой резервной мощности электростанций.

Что такое АЭС?

Атомная электростанция (АЭС) – это объект, на котором для производства энергии используется реакция распада ядерного топлива.

Попытки использования управляемой (то есть контролируемой, прогнозируемой) ядерной реакции для выработки электроэнергии были предприняты советскими и американскими учеными одновременно – в 40-х годах прошлого века. В 50-х годах «мирный атом» стал реальностью, и во многих странах мира стали строить АЭС.

Центральным узлом любой АЭС является ядерная установка, в которой происходит реакция. При распаде радиоактивных веществ происходит выделение огромного количества тепла. Выделяемая тепловая энергия используется для нагрева теплоносителя (как правило, воды), который, в свою очередь, нагревает воду второго контура до перехода ее в пар. Горячий пар вращает турбины, благодаря чему происходит образование электроэнергии.

В мире не утихают споры о целесообразности использования атомной энергии для выработки электричества. Сторонники АЭС говорят об их высокой продуктивности, безопасности реакторов последнего поколения, а также о том, что такие электростанции не загрязняют окружающую среду. Противники утверждают, что АЭС потенциально чрезвычайно опасны, а их эксплуатация и, особенно, утилизация отработанного топлива сопряжены с огромными расходами.

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.

Первая электростанция в мире

Самая первая центральная электростанция, the Pearl Street, была сдана в эксплуатацию 4 сентября 1882 года в Нью-Йорке.

Станция была построена при поддержке Edison Illuminating Company, которую возглавлял Томас Эдисон.

На ней были установлены несколько генераторов Эдисона общей мощностью свыше 500 кВт.

Станция снабжала электроэнергией целый район Нью-Йорка площадью около 2,5 квадратных километров.

Станция сгорела дотла в 1890году, сохранилась только одна динамо-машина, которая сейчас находится в музее the Greenfield Village, Мичиган.

30 сентября 1882 года заработала первая гидроэлектростанция the Vulcan Street в штате Висконсин. Автором проекта был Г.Д. Роджерс, глава компании the Appleton Paper & Pulp.

На станции был установлен генератор с мощностью приблизительно 12.5 кВт. Электричества хватало на дом Роджерса и на две его бумажные фабрики.

Электростанция Gloucester Road. Брайтон был одним из первых городов в Великобритании с непрерывным электроснабжением.

В 1882 году Роберт Хаммонд основал компанию Hammond Electric Light , а 27 февраля 1882 года он открыл электростанцию Gloucester Road.

Станция состояла из динамо щетки, которая использовалась, чтобы привести в действие шестнадцать дуговых ламп.

В 1885 году электростанция Gloucester была куплена компанией Brighton Electric Light. Позже на этой территории была построена новая станция, состоящая из трех динамо щеток с 40 лампами.

Электростанция Зимнего дворца

В 1886 году в одном из внутренних дворов Нового Эрмитажа была построена электростанция.

Автором проекта выступил техник дворцового управления Василий Леонтьевич Пашков.

Электростанция была крупнейшей во всей Европе, не только на момент постройки, но и на протяжении последующих 15 лет.

Ранее для освещения Зимнего дворца использовались свечи, с 1861 года начали использовать газовые светильники. Так как электролампы имели большее преимущество, были начаты разработки по внедрению электроосвещения.

Прежде чем здание было полностью переведено на электричество, освещении при помощи ламп использовали для освещения дворцовых зал во время рождественских и новогодних праздников 1885 года.

9 ноября 1885 года, проект строительства «фабрики электричества» был одобрен императором Александром III. Проект включал электрификацию Зимнего дворца, зданий Эрмитажа, дворовой и прилегающей территории в течение трех лет до 1888 года.

Была необходимость исключить возможность вибрации здания от работы паровых машин, размещение электростанции предусмотрели в отдельном павильоне из стекла и металла. Его разместили во втором дворе Эрмитажа, с тех пор называемом «Электрическим».

Как выглядела станция

Здание станции занимало площадь 630 м², состояло из машинного отделения с 6 котлами, 4 паровыми машинами и 2 локомобилями и помещения с 36 электрическими динамо-машинами. Общая мощность достигала 445 л.с.

Было предложено три режима освещения:

полное (праздничное) включать пять раз в году (4888 ламп накаливания и 10 свечей Яблочкова);
рабочее – 230 ламп накаливания;
дежурное (ночное) – 304 лампы накаливания. Станция потребляла около 30 тыс. пудов (520 т) угля в год.

Управление

При всей простоте принципа работы сама гидроэлектростанция – стратегический объект, который нуждается в оперативном управлении. Необходимо не только отслеживать запасы воды в водохранилище, но и регулировать подачу потока на турбины, количество производимой электроэнергии.

Если река, на которой расположена станция, судоходная, то нужно пропускать суда через специальные шлюзы. Ошибки могут привести как к техногенным, так и к экологическим катастрофам.

Запуск агрегата ГЭС происходит не более чем за 50 секунд. КПД – 85-90%. На современных станциях предусмотрены системы аварийно-ремонтного затвора, установлены датчики для контроля важных параметров.

Тепловые электростанции (тэц, кэс): разновидности, типы, принцип работы, топливо