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.

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

Тепловая станция  электростанция, вырабатывающая электрическую энергию за счет преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала электрогенератора.

Основные узлы

теплоэлектростанции

котельная установка

генератор

градирни

градирни

Кроме того, в состав теплоэлектростанции входят: катализаторы, система подачи смазочного масла, система вентиляции, системы пожаротушения, распределительные щиты, трансформаторы теплоэлектростанции, устройства контроля сети, блоки управления.

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

Среди ТЭС преобладают тепловые паротурбинные электростанции (ТПЭС), на которых тепловая энергия используется в парогенераторе для получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор паровой турбины, соединённый с ротором электрического генератора (обычно синхронного генератора).

В качестве топлива на таких ТЭС используют уголь (преимущественно), мазут, природный газ, лигнит, торф, сланцы. Их коэффициент полезного действия (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, называются конденсационными электростанциями (официальное название в РФ – Государственная районная электрическая станция, или ГРЭС). ТПЭС, оснащенные теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). При строительстве ТЭЦ необходимо учитывать близость потребителей тепла в виде горячей воды и пара, так как передача тепла на большие расстояния экономически нецелесообразна.

Используемое топливо . В качестве топлива на теплоэлектростанциях могут использоваться: нефть, мазут, природный газ и уголь. Основными элементами топлива являются углерод и водород, в меньших количествах присутствуют сера и азот. В топливе могут быть соединения и других элементов, например, металлов (сульфиды и оксиды).

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.

Мазут приме­няется для отопления жилых домов, школ, больниц и в качестве топлива на ТЭС из-за сравнительно низкой цены и малого со­держания серы.

В отличие от угля и нефти природный газ прак­тически не содержит серы. С этой точки зрения газ - эколо­гически чистое топливо. Однако в случае использования газа природе наносится вред при прокладке тысячекилометровых га­зовых трубопроводов, особенно в северных регионах, где сосре­доточены основные месторождения газа.

Физико-химические основы протекающих реакций. При сгорании топлива содержащиеся в нем углерод и водород образуют соответствующие оксиды, что можно изобразить урав­нениями:

С + О 2  СО 2 + Q

2Н + 1 / 2 О  Н 2 О + Q

Если количества кислорода недостаточно для полного окисле­ния углерода, то протекает реакция

C + 1 / 2 О 2  СО 2 + Q

либо часть образующегося СО 2 вступает в реакцию с углеродом, образуя монооксид углерода:

C + СО 2  2СО 2 - Q

Таким образом, в условиях недостатка кислорода может выде­ляться большее количество СО. Кроме того, по сравнению с полным сгоранием уменьшается количество выделяющейся теплоты.

При неполном сгорании нефти или угля летучие органиче­ские соединения удаляются, образуя один из компонентов ды­ма, что особенно характерно для небольших печей. В больших печах летучие соединения, обладающие высокой горючестью, воспламеняются от излучения горячих стенок печи и сгорают полностью до СО 2 и Н 2 О.

Сера и азот, входящие в состав угля и нефти, также сгорают с образованием оксидов. При сгорании серы обычно образуется сернистый газ:

S + О 2  SО 2

В меньшей степени в пламени протекает дальнейшее окисление:

2SО 2 + О 2  2SО 3 + Q

В составе оксидов, образующихся в обычном пламени, присутствует лишь около 1 % SО 3 . Хотя серный ангидрид SО 3 стабилен при низких температурах, скорость его образования в отсутствие катализаторов незначительна. При температурах, харак­терных для пламени, более устойчив сернистый газ SО 2 .

В процессе горения выделяется также монооксид азота NO. Источником его образования частично служит азот, содержа­щийся в топливе, при сгорании которого окисляется 18-80% азота. Монооксид азота образуется и в результате реакции взаи­модействия атмосферных кислорода и азота в пламени и в при­легающих к нему слоях. Происходящую реакцию можно представить так:

N 2 + О 2  2NО - Q

Попадая в атмосферу, монооксид азота медленно превращается в диоксид путем сложных фотохимических реакций. В упрощен­ном виде они сводятся к реакции

NО + 1 / 2 О 2  NО 2

Таким образом, в состав отходящих газов теплоэнергетики входят СО 2 , СО, Н 2 О (пар), SО 2 (реже SО 3), NO, NO 2 и другие ве­щества, поступление которых в воздушную среду наносит большой вред всем компонентам биосферы.

Котельная установка . Котельная установка  комплекс устройств для получения водяного пара под давлением. Котельная установка состоит из топки, в которой сжигается органическое топливо, топочного пространства, по которому продукты горения проходят в дымовую трубу, и парового котла, в котором кипит вода. Часть котла, которая во время нагрева соприкасается с пламенем, называется поверхностью нагрева. Производительность котла измеряется количеством воды, которую он способен испарить в течение 1 ч при определенной температуре и давлении.

Котельная установка вырабатывает пар высокого давления, который идет в паровую турбину  главный двигатель тепловой электрической станции. В турбине пар расширяется, давление его падает, а скрытая энергия преобразуется в механическую. Паровая турбина вращает генератор, вырабатывающий электрический ток.

Принцип работы. Схема тепловой электростанции представлена на рисунке Г.1.

Рисунок Г.1.  Схема тепловой электростанции

В котёл с помощью питательного насоса подводится питательная вода под большим давлением, топливо и атмосферный воздух для горения. В топке котла идёт 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, передающейся питательной воде, которая нагревается до температуры кипения и испаряется. Получаемый пар в этом же котле перегревается сверх температуры кипения, примерно до 540 °C с давлением 13–24 МПа и по одному или нескольким трубопроводам подаётся в паровую турбину.

Паровая турбина, электрогенератор и возбудитель составляют в целом турбоагрегат. В паровой турбине пар расширяется до очень низкого давления (примерно в 20 раз меньше атмосферного), и потенциальная энергия сжатого и нагретого до высокой температуры пара превращается в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Турбина приводит в движение 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, благодаря которому и происходит расширение пара в турбине. Он создаёт вакуум на выходе из турбины, поэтому пар, поступив в турбину с высоким давлением, движется к конденсатору и расширяется, что обеспечивает превращение его потенциальной энергии в механическую работу.

Силовые агрегаты теплоэлектростанции выделяют большое количество тепла, и для их охлаждения используются различные жидкости. В теплоэлектростанциях на пути охлаждающей жидкости устанавливается теплообменник, в котором охлаждающая двигатель жидкость отдает большую часть своего тепла другой жидкости  теплоносителю. В качестве теплоносителя обычно используется вода, принудительное перемещение которой по отопительной системе обеспечивают циркуляционные насосы. Установка теплообменников более чем в два раза повышает общий КПД теплоэлектростанции по сравнению с обычной электростанцией такой же мощности - коэффициент использования энергии достигает 90%. В простой электростанции, без использования тепла, на производство электричества идет лишь 22-43% энергии, остальное составляют потери.

Отходы . Выброс дымовых газов в атмосферу является наиболее опасным воздействием тепловой электростанции на окружающую природу.

Образование твердых частиц (дыма) при горении зависит от содержания твердых негорючих материалов в топливе и от пол­ноты сгорания углерода. В дымах котельных, работающих с пе­регрузкой (при неполном сгорании в них топлива), присутствуют несгоревшие частицы углерода и неорганические вещества. Наоборот, в печах, работающих на угле, особенно при его распылении, выделяется значительное количество дыма. Частицы, выбрасываемые в атмосферу при сжигании угля на ТЭС, называются летучей золой.

Для улавливания золы из дымовых газов после дутьевых вентиляторов устанавливают фильтры различных типов (циклоны, скрубберы, электрофильтры, рукавные тканевые фильтры), задерживающие 90-99 % твёрдых частиц. Однако для очистки дыма от вредных газов они непригодны. За рубежом, а в последнее время и на отечественных электростанциях (в том числе газо-мазутных), устанавливают системы десульфуризации газов известью или известняком (т. н. deSOx) и каталитического восстановления оксидов азота аммиаком (deNOx). Очищенный дымовой газ выбрасывается дымососом в дымовую трубу, высота которой определяется из условий рассеивания

Дополнительное тепло при работе теплоэлектростанции можно получить, утилизируя тепло выхлопных газов, ведь их температура на выходе из двигателя достигает 500 - 600 °С. Чтобы использовать это тепло, на выхлопном трубопроводе устанавливают дополнительный теплообменник, в который подается вода из первого теплообменника. При этом удается не только использовать большее количество тепла - температура отходящих газов понижается до ~120 °С, но и значительно поднять температуру теплоносителя.

Кроме выбросов в атмосферу необходимо учитывать, что в местах концентрирования отходов угольных станций наблюдается значительное повышение радиационного фона, которое может приводить к дозам, превышающим предельно допустимые. Часть естественной активности угля концентрируется в золе, которая на электростанциях накапливается в огромных количествах. В летучей золе ТЭС обнаруживают радиоактивные элементы и продукты их распада. Причина в том, что обыч­ный уголь содержит радиоактивный изотоп углерода С-14, при­меси калия-40, урана-238, тория-232 и продукты их распада, удельная активность каждого из которых составляет от нескольких единиц до нескольких сотен Бк/кг. При работе ТЭС эти радионуклиды вместе с летучей золой и другими продуктами сгорания поступают в приземный слой атмосферы, почву и водоемы. Количество выброшенных в атмосферу радио­нуклидов зависит от зольности угля и эффективности очистных фильтров сжигающих устройств. ТЭЦ различного типа выбра­сывают в атмосферу от 1 до 20% от всего количества образующей­ся золы.

Твердые отходы тепловых электростанций  золы и шлаки  близки к металлургическим шлакам по составу. Их выход в на­стоящее время составляет около 70. млн. т в год, причем пример­но половина этих отходов приходится на золу от сжигания каменных углей,. Степень использования золошлаковых отходов не превышает 1,5-2%. По химическому составу эти отходы на 80  90% состоят из SiO 2 , А1 2 О 3 , FеО, Fе 2 О 3 , СаО, МgО со значитель­ными колебаниями их содержания. Кроме того, в состав этих отходов входят остатки несгоревших частиц топлива (0,5-20%), соединения титана, ванадия, германия, галлия, серы, урана. Хи­мический состав и свойства золошлаковых отходов определяют основные направления их использования.

Основная масса используемой части шлаков и зол служит сырьем для производства строительных материалов. Так, золу ТЭС используют для производства искусственных пористых заполнителей  зольного и аглопоритового гравия. При этом для получения аглопоритового гравия используют золу, содержащую не больше 5-10% горючих, а для производства зольного гравия содержание в золе горючих не должно превышать 3%. Обжиг сырцовых гранул при производстве аглопоритового гравия ведут на решетках агломерационных машин, а при получении зольного гравия  во вращающихся печах. Возможно использование зол ТЭС и для производства керамзитового гравия.

Золы и шлаки от сжигания бурых и каменных углей, торфа и сланцев, содержащие не более 5% частиц несгоревшего топлива, могут широко использоваться для производства силикатного кир­пича в качестве вяжущего при содержании в них не менее 20% СаО или в качестве кремнеземистого заполнителя, если в них со­держится не более 5% СаО. Золы с высоким содержанием частиц угля с успехом используются для производства глиняного (крас­ного) кирпича. Зола в этом случае играет роль как отощающей так и топливной добавки. Содержание вводимой золы зависит от вида используемой глины и составляет 1550%, а в отдельных, случаях может достигать 80%.

Кислые золошлаковые отходы, а также основные с содержа­нием свободной извести ≤10% используют как активную мине­ральную добавку при производстве цемента. Содержание горючих веществ в таких добавках не должно превышать 5%. Эти же от­ходы можно использовать в качестве гидравлической добавки (10-15%) к цементу. Золу с содержанием свободной СаО не­более 2-3% используют для замены части цемента в процессе приготовления различных бетонов. При производстве ячеистых бе­тонов автоклавного твердения в качестве вяжущего компонента используют сланцевую золу, содержащую ^14% свободной СаО, а в качестве кремнеземистого компонента - золу, сжигания углей с содержанием горючих 3-5%. Использование золошлаковых отходов по указанным направлениям является не только экономи­чески выгодным, но и позволяет повысить качество соответствую­щих изделий.

Золошлаковые отходы используют в дорожном строительстве. Они служат хорошим сырьем для производства минераловатных изделий. Высокое содержание СаО в золе сланцев и торфа позво­ляет использовать ее для снижения кислотности  известкования почв. Растительная зола широко используется в сельском хозяй­стве в качестве удобрения в виду значительного содержания калия и фосфора, а также других необходимых растениям макро- и мик­роэлементов. Отдельные виды золошлаковых отходов используют в качестве агентов очистки сточных вод.

В ряде случаев концентрации металлов в золе таковы, что становится экономически выгодным их извлечение. Концентрация Sr, V, Zn, Gе достигает 10 кг на 1 т золы. Содержание урана в золе бурых углей некоторых месторождений может достигать 1 кг/т. В золе нефтей содержание У 2 О 5 в некоторых слу­чаях достигает 65%, кроме того в ней в значительных количествах присутствуют Мо и №. В связи с этим извлечение металлов явля­ется еще одним направлением переработки таких отходов. Из золы некоторых углей извлекают в настоящее время редкие и рас­сеянные элементы (например, Gе и Gа).

Вместе с тем, несмотря на наличие разработанных процессов утилизации топливных золошлаковых отходов, уровень их исполь­зования все еще остается низким. С другой стороны, современное технологическое использование энергии топлива (по сравнению, например, с его использованием на мощных ТЭС) является мало­эффективным. При решении вопросов защиты окружающей среды, в частности от вредного влияния твердых и газообразных отходов ТЭС, идут по пути комплексного энерготехнологического использо­вания топлив. Объединение крупных промышленных установок для получения металлов и других технических продуктов (в част­ности химических), а также технологических газов с мощными топками ТЭС позволит полностью утилизировать как органичес­кую, так и минеральную части топлива, увеличить степень исполь­зования тепла, резко сократить расход топлива.

Определенные успехи на пути комплексного использования топлив уже достигнуты. Так, в нашей стране разработана и внед­рена оригинальная технология многоступенчатого сжигания высо­косернистых мазутов, согласно которой вначале проводят непол­ное сжигание  газификацию топлива. Получаемый газ охлажда­ют, очищают от соединений серы и золы и подают на сжигание в камеру энергетической установки или в топку парового котла. Выделяющееся при охлаждении газа тепло служит для производ­ства высокотемпературного пара. Соединения серы направляют на производство серной кислоты или элементной серы. Из золы выделяют ванадий, никель и другие металлы.

Воздействие ТЭС на окружающую среду.

Атмосфера . При горении топлива потребляется большое количество кислорода, а также происходит выброс значительного количества продуктов сгорания таких как: летучая зола, газообразные окислы углерода, серы и азота, часть которых имеет большую химическую активность, и радиоактивные элементы, содержащиеся в исходном топливе. Также выделяется большое количество тяжелых металлов, в том числе ртуть и свинец.

Однако в настоящее время благодаря оптимальному режиму преобразования энергии и использованию катализаторного оборудования для современных теплоэлектростанций характерно низкое выделение в атмосферу вредных веществ.

Почва . Для захоронения больших масс золы требуется много места. Данные загрязнения снижаются использованием золы и шлаков в качестве строительных материалов.

Выбросы летучей золы могут загрязнять почву в радиусе нескольких десятков кило­метров от ТЭС. Вокруг современ­ной ТЭС с хорошей системой газоочистки радиоактивное загрязнение почвы ничтожно мало.

Гидросфера. Система технического водоснабжения обеспечивает подачу большого количества холодной воды для охлаждения конденсаторов турбин. Системы разделяются на прямоточные, оборотные и смешанные. В прямоточных системах вода забирается насосами из естественного источника (обычно из реки) и после прохождения конденсатора сбрасывается обратно. При этом вода нагревается примерно на 812 °C, что в ряде случаев изменяет биологическое состояние водоёмов. В оборотных системах вода циркулирует под воздействием циркуляционных насосов и охлаждается воздухом. Охлаждение может производиться на поверхности водохранилищ-охладителей или в искусственных сооружениях: брызгальных бассейнах или градирнях.

Система химводоподготовки обеспечивает химическую очистку и глубокое обессоливание воды, поступающей в паровые котлы и паровые турбины, во избежание отложений на внутренних поверхностях оборудования. Кроме того, на тепловых электростанциях создаются многоступенчатые системы очистки сточных вод, загрязненных нефтепродуктами, маслами, водами обмывки и промывки оборудования, ливневыми и талыми стоками.

Тепловое загрязнение воды происходит в случае использования охлаждения открытого типа. Каковы могут быть экологические последствия теплового загрязнения для водных организмов? Во-первых, отмечаются случаи гибели рыбы, хотя это и сравнитель­но редкое явление. Во-вторых, температура может влиять на репродуктивные функции водных организмов. Например, взрослые особи форели способны выживать в теплой воде, но размножаться они не будут. Под влиянием повышения температуры отмечается более раннее появление некоторых насекомых, которые затем погибают, так как в это время года им не хватает пищи. Это значит, что позже будет не хватать пищи тем, кто питается этими насекомыми, и т. д. В поведении рыб под воздействием теплового шока могут происходить изменения, позволяющие хищникам легко хватать их. Кроме того, рыбы, подвергшиеся тепловому шоку, будут бо­лее чувствительными к болезням. В отдаленной перспективе некоторые из перечисленных эффектов способны оказаться столь же губительными для популяции, как и непосредственная ги­бель от перегрева воды.

Температура может оказать воздействие на структуру всего водного сообщества. Приток избыточного тепла упрощает вод­ные экосистемы, число различных видов уменьшается. Наибо­лее опасные тепловые воздействия на экосистемы оказывают электростанции, расположенные в более теплых климатических областях, поскольку организмы попадают в температурные усло­вия, близкие к их верхнему температурному пределу выжи­вания.

Достоинства и недостатки ТЭС.

ДОСТОИНСТВА	НЕДОСТАТКИ
1. Могут быть использованы не только для электроснабжения, но и для теплообеспечения жилых и общественных зданий, промышленных предприятий	1. Создание, пе­редача и использование электрической энергии ведут к электромагнитному загрязнению окружающей среды.
2. За счет одновременной выработки электроэнергии и подачи тепла теплоэлектростанции наиболее эффективны и экономичны при длительной эксплуатации. Максимальная тепловая мощность отопительной системы нужна в течение нескольких месяцев в году, а для удовлетворения примерно 60% расхода тепла требуется всего 20% установочной тепловой мощности.	2. В каменном угле и летучей золе содержатся значительные коли­чества радиоактивных примесей (226 Ra, 228 Ra и др.). Годовой выброс в атмосферу в районе расположения ТЭС мощностью 1 ГВт приводит к накоплению на почве радиоактивности, в 10-20 раз превышающей радиоактивность годовых выбросов АЭС такой же мощности.
3. Одновременно с выработкой электроэнергии теплоэлектростанцией происходит и активация отопительных систем. В теплоэлектростанциях предусмотрен режим покрытия пиковой потребности в электроэнергии при одновременной выработке тепла.	3. ТЭС на угле, вырабатывающая электроэнергию мощностью 1 ГВт, ежегодно потребляет 3 млн. т угля, выбрасывая в окружающую среду 7 млн. т двуокиси углерода, 120 тыс. т двуокиси серы, 20 тыс. т оксидов азота и 750 тыс. т золы.
4. Наибольший вклад, а именно 80% от всей электроэнергии, производимой в нашей стране, дают тепловые электростанции.	4. Сжигание углеродсодержащих топлив приводит к появлению двуокиси углерода СО 2 , которая выбрасывается в атмосферу и спо­собствует созданию парникового эффекта.
5. В отличие от ГЭС, тепловые электростанции можно построить в любом месте, тем самым приблизить источники получения электроэнергии к потребителю и расположить тепловые электростанции равномерно по территории страны или экономического района.	5. Сжигание углеродсодержащих топлив приводит к появлению оксидов серы и азота. Они поступают в атмосферу и после реакции с парами воды в облаках образуют серную и азотную кислоты, которая с дождем падает на землю. Так возникают кислотные дожди.
6. ТЭС работают практически на всех видах органического топлива - различных углях, сланцах, жидком топливе и природном газе.	6. Тепловая энергетика требует изъятия территорий для добычи топлива, его транспортировки, размещения электростанций и ли­ний электропередач, для отвалов со шлаком

Пару недель назад во всех кранах Новодвинска исчезла горячая вода — здесь не нужно искать какие-то происки недругов, просто в Новодвинск пришли гидравлические испытания, процедура, необходимая для подготовки городской энергетики и коммунальных коммуникаций к новому отпительному сезону. Без горячей воды как-то сразу ощутил себя деревенским жителем — кастрюльки с кипятком на плите — помыться-побриться,- мытье посуды в холодной воде и т.д.

Вместе с тем в голове появился вопрос: а как все-таки «делается» горячая вода, и как она попадает в краны в наших квартирах?

Конечно, вся городская энергетика «запитана» на Архангельский ЦБК, точнее на ТЭС-1, куда я и направился, чтобы узнать откуда берется горячая вода и тепло в наших квартирах. Помочь в моем поиске согласился главный энергетик Архангельского ЦБК Андрей Борисович Зубок, ответивший на множество моих вопросов.

Вот, кстати, рабочий стол — главного энергетика Архангельского ЦБК — монитор, куда выводятся самые разнообразные данные, многоканальный телефон, который неоднократно звонил в ходе нашей беседы, стопка документов…

Андрей Борисович рассказал мне, как «в теории» работает ТЭС-1, главная энергетическая установка комбината и города. Сама аббревиатура ТЭС — тепло-электро станция — подразумевает собой, что станция вырабатывает не только электричество, но и тепло (горячая вода, отопление), причем, выработка тепла возможно даже более приоритетна в нашем холодном климате.

Схема работы ТЭС-1:


Любая тепло-электростанция начинается с главного щита управления, куда стекается вся информация о процессах, происходящих в котлах, о работе турбин и т.д.

Здесь на многочисленных индикаторах и циферблатах видна работа турбин, генераторов и котлов. Отсюда управляют производственным процессом станции. А процесс этот весьма сложный = чтобы разобраться во всем, нужно не мало учиться.

Ну а рядом — находится сердце ТЭС-1 — паровые котлы. Их на ТЭС-1 восемь. Это огромные сооружения, высота которых достигает 32 метров. Именно в них и происходит главный процесс преобразования энергии, благодаря которому и появляется и электричество, и горячая вода в наших домах — выработка пара.

Но всё начинается с топлива. В роли топлива на разных электростанциях могут выступать уголь, газ, торф. На ТЭС-1 основное топливо — это уголь, который везут сюда из Воркуты по железной дороге.

Часть его складируется, другая часть идёт по конвейерам на станцию, где сам уголь сначала измельчается до пыли и потом подаётся по специальным «пылепроводам» в топку парового котла. Для розжига котла используют мазут, а потом по мере увеличения давления и температуры переводят его на угольную пыль.

Паровой котел - это агрегат для получения пара высокого давления из непрерывно поступающей в него питательной воды. Происходит это за счет теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Сам котёл выглядит довольно внушительно. Весит это сооружение более 1000 тонн! Производительность котла - 200 тонн пара в час.

Внешне котел напоминает сплетение труб, вентелей и каких-то механизмов. Рядом с котлом жарко, ведь пар на выходе из котла имеет температуру в 540 градусов.

Есть на ТЭС-1 и другой котел — современный, установленный несколько лет назад котел Metso с решеткой Hybex. Управление этим энергоагрегатом выведено на отдельный пульт.

Агрегат работает по инновационной технологии - сжигание топлива в пузырьковом кипящем слое (Hybex). Для получения пара здесь сжигают кородревесное топливо (270 тыс. тонн в год) и осадок сточных вод (80 тыс. тонн в год), его привозят сюда с очистных сооружений.

Современный котел — это тоже огромное сооружение, высота которого более 30 метров.

Ил и кородревесное топливо попадают в котел по этим транспортерам.

А отсюда, уже после подготовки топливная смесь попадает непосредственно в топку котла.

В здании нового котла на ТЭС-1 есть лифт. Вот только этажей в привычном для обычного горожанина виде здесь нет — есть высота отметки обслуживания — вот и лифт движется от отметки к отметке.

На станции работает больше 700 человек. Работы хватает всем — оборудование требует обслуживания и постоянного контроля за ним со стороны персонала. Условия работы на станции непростые — высокие температуры, влажность, шум, угольная пыль.

А здесь рабочие готовят площадку под строительство нового котла — его возведение начнется уже в будущем году.

Здесь готовится вода для котла. В автоматическом режиме воду умягчают для того, чтобы снизить отрицательное воздействие на котел и лопатки турбины (уже в то время когда вода превратится в пар).

А это турбинный зал — сюда приходит пар из котлов, здесь он крутит мощные турбины (всего их пять).

Вид со стороны:

В этом зале пар работает: проходя через пароперегреватели, пар нагревается до температуры 545 градусов и поступает в турбину, где под его давлением вращается ротор турбогенератора и, соответственно, вырабатывается электроэнергия.

Множество манометров.

А вот она — турбина, где и работает пар и «крутит» генератор. Это турбина №7 и, соответственно, генератор №7.

Восьмой генератор и восьмая турбина. Мощности генераторов разные, но в сумме они способны выдавать около 180 МВт электроэнергии — этого электричества хватает и на нужды самой станции (а это около 16%), и на нужды производств Архангельского ЦБК, и на обеспечение «сторонних потребителей» (в город уходит около 5% выработанной энергии).

Переплетение труб завораживает.

Горячая вода для отопления (сетевая) получается путем нагревания воды паром в теплообменниках (бойлерах). В сеть она закачивается вот такими насосами — их на ТЭС-1 восемь. Вода «для отопления», к слову, специально подготавливается и очищается и на выходе со станции соответствует требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Теоретически эту воду можно пить, но все-таки пить ее не рекомендуется из-за наличия большого количества продуктов коррозии в трубах тепловых сетей.

А в этих башнях — участке химического цеха ТЭС-1,- готовится вода, которую добавляют в теплосистему, ведь часть горячей воды расходуется — ее необходимо пополнять.

Дальше нагретая вода (теплоноситель) следует по трубопроводам различного сечения, ведь ТЭС-1 отапливает не только город, но и производственные помещения комбината.

А электричество «выходит» со станции через через распределительные электрические устройства и трансформаторы и передается в энергосистему комбината и города.

Конечно, на станции есть труба — та самая «фабрика облаков». На ТЭС-1 таких труб три. Самая высокая — более 180 метров. Как оказалось труба — это действительно пустотелая конструкция, куда сходятся газоходы от различных котлов. Перед попаданием в трубу дымовые газы проходят систему очистки от золы. На новом котле это происходит в электрофильтре. Эффективная степень очистки дымовых газов составляет 99.7%. На угольных котлах очистка производится водой,- эта система менее эффективна, но все равно большая часть «выбросов» улавливается.

Сегодня на ТЭС-1 полным ходом идут ремонты: и если здание можно отремонтировать в любое время…

…то производить капитальный ремонт котлов или турбин можно только летом в период пониженных нагрузок. Кстати, именно для этого и проводят «гидравлические испытания». Программное повышение нагрузки на системы теплоснабжения необходимо, во-первых, для проверки надежности коммунальных коммуникаций, а, во-вторых, энергетики имеют возможность «слить» теплоноситель из системы и заменить, например, участок трубы. Ремонт энергетического оборудования – дорогостоящее мероприятие, требующее особой квалификации и допуска от специалистов.

За пределами комбината горячая вода (она же теплоноситель) течет по трубам — три «выхода» в город обеспечивают бесперебойную работу отопительной системы города. Система замкнута, вода в ней постоянно циркулирует. В самое холодное время года — температура воды на выходе со станции составляет 110 градусов Цельсия, возвращается теплоноситель, остыв на 20-30 градусов. Летом температуру воды снижают — нормативно на выходе со станции она составляет 65 градусов Цельсия.

Кстати, отключают горячую воду и отопление не на ТЭС, а непосредственно в домах — этим занимаются управляющие компании. ТЭС «отключает» воду лишь однажды — после гидравлических испытаний, чтобы произвести ремонт. После ремонтов энергетики постепенно заполняют систему водой — в городе есть специальные механизмы для спуска воздуха из системы — совсем как в батареях в обычном жилом доме.

Конечный пункт горячей воды — тот самый кран в любой из городских квартир, вот только сейчас воды в нем нет — гидравлические испытания.

Вот так непросто «делается» то, без чего трудно представить жизнь современного горожанина — горячая вода.

1 – электрический генератор; 2 – паровая турбина; 3 – пульт управления; 4 – деаэратор; 5 и 6 – бункеры; 7 – сепаратор; 8 – циклон; 9 – котел; 10 – поверхность нагрева (теплообменник); 11 – дымовая труба; 12 – дробильное помещение; 13 – склад резервного топлива; 14 – вагон; 15 – разгрузочное устройство; 16 – конвейер; 17 – дымосос; 18 – канал; 19 – золоуловитель; 20 – вентилятор; 21 – топка; 22 – мельница; 23 – насосная станция; 24 – источник воды; 25 – циркуляционный насос; 26 – регенеративный подогреватель высокого давления; 27 – питательный насос; 28 – конденсатор; 29 – установка химической очистки воды; 30 – повышающий трансформатор; 31 – регенеративный подогреватель низкого давления; 32 – конденсатный насос.

На схеме, представленной ниже, отображен состав основного оборудования тепловой электрической станции и взаимосвязь ее систем. По этой схеме можно проследить общую последовательность технологических процессов протекающих на ТЭС.

Обозначения на схеме ТЭС:

1. Топливное хозяйство;
2. подготовка топлива;
3. промежуточный пароперегреватель;
4. часть высокого давления (ЧВД или ЦВД);
5. часть низкого давления (ЧНД или ЦНД);
6. электрический генератор;
7. трансформатор собственных нужд;
8. трансформатор связи;
9. главное распределительное устройство;
10. конденсатный насос;
11. циркуляционный насос;
12. источник водоснабжения (например, река);
13. (ПНД);
14. водоподготовительная установка (ВПУ);
15. потребитель тепловой энергии;
16. насос обратного конденсата;
17. деаэратор;
18. питательный насос;
19. (ПВД);
20. шлакозолоудаление;
21. золоотвал;
22. дымосос (ДС);
23. дымовая труба;
24. дутьевой вентилятов (ДВ);
25. золоуловитель.

Описание технологической схемы ТЭС:

Обобщая все вышеописанное, получаем состав тепловой электростанции:

• топливное хозяйство и система подготовки топлива;
• котельная установка: совокупность самого котла и вспомогательного оборудования;
• турбинная установка: паровая турбина и ее вспомогательное оборудование;
• установка водоподготовки и конденсатоочистки;
• система технического водоснабжения;
• система золошлокоудаления (для ТЭС, работающих, на твердом топливе);
• электротехническое оборудование и система управления электрооборудованием.

Топливное хозяйство в зависимости от вида используемого на станции топлива включает приемно-разгрузочное устройство, транспортные механизмы, топливные склады твердого и жидкого топлива, устройства для предвари-тельной подготовки топлива (дробильные установки для угля). В состав ма-зутного хозяйства входят также насосы для перекачки мазута, подогреватели мазута, фильтры.

Подготовка твердого топлива к сжиганию состоит из размола и сушки его в пылеприготовительной установке, а подготовка мазута заключается в его подогреве, очистке от механических примесей, иногда в обработке спецприсадками. С газовым топливом все проще. Подготовка газового топлива сводится в основном к регулированию давления газа перед горелками котла.

Необходимый для горения топлива воздух подается в топочное пространство котла дутьевыми вентиляторами (ДВ). Продукты сгорания топлива — дымовые газы — отсасываются дымососами (ДС) и отводятся через дымовые трубы в атмосферу. Совокупность каналов (воздуховодов и газоходов) и различных элементов оборудования, по которым проходит воздух и дымовые газы, образует газовоздушный тракт тепловой электростанции (теплоцентрали). Входящие в его состав дымососы, дымовая труба и дутьевые вентиляторы составляют тягодутьевую установку. В зоне горения топлива входящие в его состав негорючие (минеральные) примеси претерпевают химико-физические превращения и удаляются из котла частично в виде шлака, а значительная их часть выносится дымовыми газами в виде мелких частиц золы. Для защиты атмосферного воздуха от выбросов золы перед дымососами (для предотвращения их золового износа) устанавливают золоуловители.

Шлак и уловленная зола удаляются обычно гидравлическим способом на золоотвалы.

При сжигании мазута и газа золоуловители не устанавливаются.

При сжигании топлива химически связанная энергия превращается в тепловую. В результате образуются продукты сгорания, которые в поверхностях нагрева котла отдают теплоту воде и образующемуся из нее пару.

Совокупность оборудования, отдельных его элементов, трубопроводов, по которым движутся вода и пар, образуют пароводяной тракт станции.

В котле вода нагревается до температуры насыщения, испаряется, а образующийся из кипящей котловой воды насыщенный пар перегревается. Из котла перегретый пар направляется по трубопроводам в турбину, где его тепловая энергия превращается в механическую, передаваемую на вал турбины. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор, отдает теплоту охлаждающей воде и конденсируется.

На современных ТЭС и ТЭЦ с агрегатами единичной мощностью 200 МВт и выше применяют промежуточный перегрев пара. В этом случае турбина имеет две части: часть высокого и часть низкого давления. Отработавший в части высокого давления турбины пар направляется в промежуточный перегреватель, где к нему дополнительно подводится теплота. Далее пар возвращается в турбину (в часть низкого давления) и из нее поступает в конденсатор. Промежуточный перегрев пара увеличивает КПД турбинной установки и повышает надежность ее работы.

Из конденсатора конденсат откачивается конденсационным насосом и, пройдя через подогреватели низкого давления (ПНД), поступает в деаэратор. Здесь он нагревается паром до температуры насыщения, при этом из него выделяются и удаляются в атмосферу кислород и углекислота для предотвращения коррозии оборудования. Деаэрированная вода, называемая питательной, насосом подается через подогреватели высокого давления (ПВД) в котел.

Конденсат в ПНД и деаэраторе, а также питательная вода в ПВД подогреваются паром, отбираемым из турбины. Такой способ подогрева означает возврат (регенерацию) теплоты в цикл и называется регенеративным подогревом. Благодаря ему уменьшается поступление пара в конденсатор, а следовательно, и количество теплоты, передаваемой охлаждающей воде, что приводит к повышению КПД паротурбинной установки.

Совокупность элементов, обеспечивающих конденсаторы охлаждающей водой, называется системой технического водоснабжения. К ней относятся: источник водоснабжения (река, водохранилище, башенный охладитель — градирня), циркуляционный насос, подводящие и отводящие водоводы. В конденсаторе охлаждаемой воде передается примерно 55% теплоты пара, поступающего в турбину; эта часть теплоты не используется для выработки электроэнергии и бесполезно пропадает.

Эти потери значительно уменьшаются, если отбирать из турбины частично отработавший пар и его теплоту использовать для технологических нужд промышленных предприятий или подогрева воды на отопление и горячее водоснабжение. Таким образом, станция становится теплоэлектроцентралью (ТЭЦ), обеспечивающей комбинированную выработку электрической и тепловой энергии. На ТЭЦ устанавливаются специальные турбины с отбором пара — так называемые теплофикационные. Конденсат пара, отданного тепловому потребителю, возвращается на ТЭЦ насосом обратного конденсата.

На ТЭС существуют внутренние потери пара и конденсата, обусловленные неполной герметичностью пароводяного тракта, а также невозвратным расходом пара и конденсата на технические нужды станции. Они составляют приблизительно 1 — 1,5% от общего расхода пара на турбины.

На ТЭЦ могут быть и внешние потери пара и конденсата, связанные с отпуском теплоты промышленным потребителям. В среднем они составляют 35 — 50%. Внутренние и внешние потери пара и конденсата восполняются предварительно обработанной в водоподготавливающей установке добавочной водой.

Таким образом, питательная вода котлов представляет собой смесь турбинного конденсата и добавочной воды.

Электротехническое хозяйство станции включает электрический генератор, трансформатор связи, главное распределительное устройство, систему электроснабжения собственных механизмов электростанции через трансформатор собственных нужд.

Система управления осуществляет сбор и обработку информации о ходе технологического процесса и состоянии оборудования, автоматическое и дистанционное управление механизмами и регулирование основных процессов, автоматическую защиту оборудования.