Снабжение населения теплом и электроэнергией является одной из основных задач государства. Кроме того, без выработки электричества невозможно представить себе развитую производящую и перерабатывающую промышленность, без которой экономика страны не может существовать в принципе.
Одним из способов решения проблемы нехватки энергии является строительство ТЭЦ. Расшифровка этого термина довольно проста: это так называемая теплоэлектроцентраль, являющаяся одной из наиболее распространенных разновидностей тепловых электростанций. В нашей стране они весьма распространены, так как работают на органическом ископаемом топливе (уголь), к характеристикам которого предъявляют весьма скромные требования.
Особенности
Вот что такое ТЭЦ. Расшифровка понятия вам уже знакома. Но какие же особенности имеет данная разновидность электростанций? Ведь неслучайно же их выделяют в отдельную категорию!?
Дело в том, что они вырабатывают не только электроэнергию, но и тепло, которое подается потребителям в виде горячей воды и пара. Нужно заметить, что электричество является побочным продуктом, так как пар, который подается в системы отопления, сперва вращает турбины генераторов. Комбинирование двух предприятий (котельной и электростанции) хорошо тем, что удается значительно сократить потребление топлива.
Впрочем, это же приводит к довольно незначительному «ареалу распространения» ТЭЦ. Расшифровка проста: так как от станции подается не только электричество, которое с минимальными потерями можно транспортировать на тысячи километров, но и нагретый теплоноситель, их нельзя располагать на значительном удалении от населенного пункта. Неудивительно, что практически все ТЭЦ построены в непосредственной близости от городов, жителей которых они отапливают и освещают.
Экологическое значение
Благодаря тому, что при постройке такой электростанции удается избавиться от многих старых городских котельных, которые играют чрезвычайно негативную роль в экологическом состоянии района (огромное количество копоти), чистоту воздуха в городе порой удается повысить на порядок. Кроме того, новые ТЭЦ позволяют ликвидировать завалы мусора на городских свалках.
Новейшее очистительное оборудование позволяет эффективно очищать выброс, а энергетическая эффективность такого решения оказывается чрезвычайно велика. Так, выделение энергии от сжигания тонны нефти идентично тому ее объему, которое выделяется при утилизации двух тонн пластика. А уж этого «добра» хватит на десятки лет вперед!
Чаще всего строительство ТЭЦ предполагает использование ископаемого топлива, о чем мы уже говорили выше. Впрочем, в последние годы планируется создание которые будут монтироваться в условиях труднодоступных регионов Крайнего Севера. Так как подвоз топлива туда исключительно затруднен, атомная энергетика является единственным надежным и постоянным источником энергии.
Какими они бывают?
Бывают ТЭЦ (фото которых есть в статье) промышленные и «бытовые», отопительные. Как несложно догадаться из названия, промышленные электростанции обеспечивают электричеством и теплом крупные производственные предприятия.
Зачастую строятся еще на этапе возведения завода, составляя вместе с ним единую инфраструктуру. Соответственно, «бытовые» разновидности возводятся неподалеку от спальных микрорайонов города. В промышленных передается в виде горячего пара (не больше 4-5 км), в случае отопительных - при помощи горячей воды (20-30 км).
Сведения об оборудовании станций
Основным оборудованием этих предприятий являются турбинные агрегаты, которые переводят механическую энергию в электричество, и котлы, ответственные за выработку пара, который вращает маховики генераторов. В состав турбинного агрегата входит как сама турбина, так и синхронный генератор. Трубины с противодавлением 0,7—1,5 Мн/м2 ставят на те ТЭЦ, которые снабжают теплом и энергией промышленные объекты. Модели же с давлением 0,05—0,25 Мн/м2 служат для обеспечения бытовых потребителей.
Вопросы КПД
В принципе, все выработанное тепло можно использовать полностью. Вот только количество электроэнергии, которое вырабатывается на ТЭЦ (расшифровка этого термина вам уже известна), напрямую зависит от тепловой нагрузки. Проще говоря, в весенне-летний период ее выработка снижается едва ли не до нуля. Таким образом, установки с противодавлением используются только для снабжения промышленных мощностей, у которых величина потребления более-менее равномерна на протяжении всего периода.
Установки конденсирующего типа
В этом случае для снабжения потребителей теплом используется лишь так называемый «пар отбора», а все остальное тепло зачастую попросту теряется, рассеиваясь в окружающей среде. Чтобы снизить потери энергии, такие ТЭЦ должны работать с минимальным выпуском тепла в конденсирующую установку.
Впрочем, еще со времен СССР строятся такие станции, в которых конструктивно предусмотрен гибридный режим: они могут работать как обычные конденсационные ТЭЦ, но их турбинный генератор вполне допускает функционирование в режиме противодавления.
Универсальные разновидности
Неудивительно, что именно установки с конденсацией пара получили максимальное распространение в силу своей универсальности. Так, только они дают возможность практически независимо регулировать электрическую и тепловую нагрузку. Даже если тепловой нагрузки вовсе не предвидится (в случае особенно жаркого лета) население будет снабжаться электроэнергией по прежнему графику (Западная ТЭЦ в Петербурге).
«Тепловые» разновидности ТЭЦ
Как вы уже могли понять, выработка тепла на такого рода электростанциях отличается крайней неравномерностью на протяжении года. В идеальном случае около 50% горячей воды или пара идет на обогрев потребителей, а весь остальной теплоноситель используется для выработки электричества. Именно так работает Юго-Западная ТЭЦ в Северной столице.
Отпуск тепла в большинстве случаев выполняется по двум схемам. Если используется открытый вариант, то горячий пар от турбин идет непосредственно к потребителям. В случае если была выбрана закрытая схема работы, теплоноситель подается после прохождения теплообменников. Выбор схемы определяется исходя из многих факторов. В первую очередь учитывается расстояние от обеспечиваемого теплом и электричеством объекта, количество населения и сезон. Так, Юго-Западная ТЭЦ в Петербурге работает по закрытой схеме, так как она обеспечивает большую эффективность.
Характеристики используемого топлива
Может использоваться твердое, жидкое и Так как ТЭЦ зачастую строятся в непосредственной близости от крупных населенных пунктов и городов, зачастую приходится использовать достаточно ценные его виды, газ и мазут. Применение же в качестве такового угля и мусора в нашей стране достаточно ограниченно, так как далеко не на всех станциях установлено современное эффективное воздухоочистительное оборудование.
Чтобы очистить выхлоп установок, используются специальные уловители твердых частиц. Чтобы рассеивать твердые частицы в достаточно высоких слоях атмосферы, строят трубы высотой в 200—250 метров. Как правило, все теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) стоят на достаточно большом расстоянии от источников водоснабжения (реки и водохранилища). А потому используется искусственные системы, включающие в свой состав градирни. Прямоточное снабжение водой встречается крайне редко, в весьма специфичных условиях.
Особенности газовых станций
Особняком стоят газовые ТЭЦ. Теплоснабжение потребителей осуществляется не только за счет энергии, которая вырабатывается при сжигании но и при утилизации тепла газов, которые при этом образуются. КПД таких установок чрезвычайно высоко. В некоторых случаях в качестве ТЭЦ могут использоваться и атомные станции. Это особенно распространено в некоторых арабских странах.
Там эти станции играют сразу две роли: обеспечивают снабжение населения электроэнергией и технической водой, так как попутно исполняют функции А сейчас рассмотрим основные ТЭЦ нашей страны и ближнего зарубежья.
Юго-Западная, Санкт-Петербург
В нашей стране известностью пользуется Западная ТЭЦ, которая расположена в Санкт-Петербурге. Зарегистрирована как ОАО «Юго-Западная ТЭЦ». Строительство этого современного объекта преследовало сразу несколько функций:
- Компенсация сильного дефицита тепловой энергии, который мешал интенсификации программы жилищного строительства.
- Повышение надежности и энергетической эффективности городской системы в целом, так как именно с этим аспектом имел проблемы Санкт-Петербург. ТЭЦ позволила частично решить эту проблему.
Но эта станция известна еще и тем, что одной из первых в России стала соответствовать строжайшим экологическим требованиям. Для нового предприятия городское правительство выделило площадь более 20 Га. Дело в том, что под строительство была отведена резервная площадь, оставшаяся от Кировского района. В тех краях был старый сборник золы от ТЭЦ-14, а потому район был не пригоден для строительства жилья, но чрезвычайно удачно расположен.
Запуск состоялся в конце 2010 года, причем на церемонии присутствовало практически все руководство города. В строй были введены две новейшие автоматические котельные установки.
Мурманская
Город Мурманск известен как база нашего флота на Балтийском море. Но еще он характеризуется крайней суровостью климатических условий, что накладывает определенные требования на его энергетическую систему. Неудивительно, что Мурманская ТЭЦ во многом является совершенно уникальным техническим объектом даже в масштабах всей страны.
Она была введена в эксплуатацию еще в 1934 году, и с тех пор продолжает исправно снабжать жителей города теплом и электроэнергией. Впрочем, в первые пять лет Мурманская ТЭЦ являлась обычной электростанцией. Первые 1150 метров теплотрассы были проложены только в 1939 году. Дело в запущенной Нижне-Туломской ГЭС, которая практически полностью перекрывала потребности города в электричестве, а потому появилась возможность высвободить часть тепловой выработки для отопления городских домов.
Станция характерна тем, что весь год работает в сбалансированном режиме, так как ее тепловая и «энергетическая» выработки приблизительно равны. Впрочем, в условиях полярной ночи ТЭЦ в некоторые пиковые моменты начинает использовать большую часть топлива именно для выработки электроэнергии.
Новополоцкая станция, Белоруссия
Проектирование и строительство этого объекта началось в августе 1957 года. Новая Новополоцкая ТЭЦ должна была решить вопрос не только теплоснабжения города, но и обеспечения электричеством строившегося в том же районе нефтеперерабатывающего завода. В марте 1958 года проект был окончательно подписан, одобрен и утвержден.
Первую очередь ввели в эксплуатацию в 1966 году. Вторая была запущена в 1977 году. Тогда же Новополоцкая ТЭЦ была в первый раз модернизирована, ее пиковую мощность увеличили до 505 МВт, а чуть позже заложили третью очередь строительства, завершенную в 1982 году. В 1994 г. станция была переведена на сжиженный природный газ.
К настоящему моменту в модернизацию предприятия уже вложено порядка 50 миллионов американских долларов. Благодаря столь внушительным денежным вливаниям предприятие не только было полностью переведено на газ, но и получило огромное количество совершенно нового оборудования, которое позволит станции прослужить еще десятки лет.
Выводы
Как ни странно, но на сегодняшний день именно устаревшие ТЭЦ являются действительно универсальными и перспективными станциями. Используя современные нейтрализаторы и фильтры, нагревать воду можно, сжигая практически весь мусор, который производит населенный пункт. При этом достигается тройная выгода:
- Разгружаются и расчищаются свалки.
- Город получает дешевую электроэнергию.
- Решается проблема с отоплением.
Кроме того, в прибрежных районах вполне реально строительство ТЭЦ, которые одновременно будут являться опреснителями морской воды. Такая жидкость вполне пригодна для полива, для животноводческих комплексов и промышленных предприятий. Словом, настоящая технология будущего!
24 октября 2012Электрическая энергия давно вошла в нашу жизнь. Еще греческий философ Фалес в 7 веке до нашей эры обнаружил, что янтарь, потертый о шерсть начинает притягивать предметы. Но долгое время на этот факт никто не обращал внимание. Лишь в 1600 году впервые появился термин «Электричество», а в 1650 году Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. Это была первая простейшая электростатическая машина.
Прошло много лет с тех пор, но даже сегодня, в мире, заполненном терабайтами информации, когда можно самому узнать все, что тебя интересует, для многих остается загадкой как производится электричество, как его доставляют к нам в дом, офис, на предприятие…
В несколько частей рассмотрим эти процессы.
Часть I. Генерация электрической энергии.
Откуда же берется электрическая энергия? Появляется эта энергия из других видов энергии – тепловой, механической, ядерной, химической и многих других. В промышленных масштабах электрическую энергию получают на электростанциях. Рассмотрим только самые распространенные виды электростанций.
1) Тепловые электростанции. Сегодня из можно объединить одним термином – ГРЭС (Государственная Районная Электростанция). Конечно, сегодня этот термин потерял первоначальный смысл, но он не ушел в вечность, а остался с нами.
Тепловые электростанции делятся на несколько подтипов:
А) Конденсационная электростанция (КЭС) - тепловая электростанция, производящая только электрическую энергию, своим названием этот тип электростанций обязан особенностям принципа работы.
Принцип работы: В котел при помощи насосов подается воздух и топливо (газообразное, жидкое или твердое). Получается топливо-воздушная смесь, которая горит в топке котла, выделяя огромное количество теплоты. При этом вода проходит по трубной системе, которая располагается внутри котла. Выделяющаяся теплота передается этой воде, при этом ее температура повышается и доводится до кипения. Пар, который был получен в котле снова идет в котел для перегревания его выше температуры кипения воды (при данном давлении), затем по паропроводам он поступает на паровую турбину, в которой пар совершает работу. При этом он расширяется, уменьшается его температура и давление. Таким образом, потенциальная энергия пара передается турбине, а значит, превращается в кинетическую. Турбина же в свою очередь приводит в движение ротор трехфазного генератора переменного тока, который находится на одном валу с турбиной и производит энергию.
Рассмотрим некоторые элементы КЭС поближе.
Паровая турбина.
Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. Между рядами лопаток, как видите, есть промежутки. Они есть потому, что этот ротор вынут из корпуса. В корпус тоже встроены ряды лопаток, но они неподвижны и служат для создания нужного угла падения пара на движущиеся лопатки.
Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум.
Турбина и генератор, которые находятся на одном валу называются турбогенератором. Трехфазный генератор переменного тока (синхронная машина).
Он состоит из:
Который повышает напряжение до стандартного значения (35-110-220-330-500-750 кВ). При этом ток значительно уменьшается (например, при увеличении напряжения в 2 раза, ток уменьшается в 4 раза), что позволяет передавать мощность на большие расстояния. Следует отметить, что когда мы говорим о классе напряжения, то мы имеем в виду линейное (междуфазное) напряжение.
Активную мощность, которую вырабатывает генератор, регулируют изменением количеством энергоносителя, при этом изменяется ток в обмотке ротора. Для увеличения выдаваемой активной мощности нужно увеличить подачу пара на турбину, при этом ток в обмотке ротора возрастет. Не следует забывать, что генератор синхронный, а это значит, что его частота всегда равна частоте тока в энергосистеме, и изменение параметров энергоносителя не повлияет на частоту его вращения.
Кроме того, генератор вырабатывает и реактивную мощность. Ее можно использовать для регулирования выдаваемого напряжения в небольших пределах (т.е. это не основное средство регулирования напряжения в энергосистеме). Работает это таким образом. При перевозбуждении обмотки ротора, т.е. при повышении напряжения на роторе сверх номинала, «излишек» реактивной мощности выдается в энергосистему, а когда обмотку ротора недовозбуждают, то реактивная мощность потребляется генератором.
Таким образом, в переменном токе мы говорим о полной мощности (измеряется в вольт-амперах – ВА), которая равна корню квадратному от суммы активной (измеряется в ваттах – Вт) и реактивной (измеряется в вольт-амперах реактивных – ВАР) мощностях.
Вода в водохранилище служит для отведения тепла от конденсатора. Однако, часто для этих целей используют брызгальные бассейны
или градирни. Градирни бывают башенными Рис.8
или вентиляторными Рис.9
Градирни устроены почти так же как и , с тем лишь различием, что вода стекает по радиаторам, передает им тепло, а уже они охлаждаются нагнетаемым воздухом. При этом часть воды испаряется и уносится в атмосферу.
КПД такой электростанции не превышает 30%.
Б) Газотурбинная электростанция.
На газотурбинной электростанции турбогенератор приводится в движение не паром, а непосредственно газами, получаемыми при сгорании топлива. При этом можно использовать только природный газ, иначе турбина быстро выйдет из стоя из-за ее загрязнения продуктами горения. КПД на максимальной нагрузке 25-33%
Гораздо больший КПД (до 60%) можно получить, совмещая паровой и газовый циклы. Такие установки называются парогазовыми. В них вместо обычного котла установлен котел-утилизатор, не имеющий собственных горелок. Теплоту он получает от выхлопа газовой турбины. В настоящее время ПГУ активнейшим образом внедряются в нашу жизнь, но пока в России их немного.
В) Теплоэлектроцентрали (очень давно стали неотъемлемой частью крупных городов). Рис.11
ТЭЦ конструктивно устроена как конденсационная электростанция (КЭС). Особенность электростанции такого типа состоит в том, что она может вырабатывать одновременно как тепловую, так и электрическую энергию. В зависимости от вида паровой турбины, существуют различные способы отборы пара, которые позволяют забирать из нее пар с разными параметрами. При этом часть пара или полностью весь пар (зависит от типа турбины) поступает в сетевой подогреватель, отдает ему теплоту и конденсируется там. Теплофикационные турбины позволяют регулировать количество пара для тепловых или промышленных нужд что позволяет ТЭЦ работать в нескольких режимах по нагрузке:
тепловому - выработка электрической энергии полностью зависит от выработки пара для промышленных или теплофикационных нужд.
электрическому - электрическая нагрузка независима от тепловой. Кроме того, ТЭЦ могут работать и в полностью конденсационном режиме. Это может потребоваться, например, при резком дефиците активной мощности летом. Такой режим является невыгодным для ТЭЦ, т.к. значительно снижается КПД.
Одновременное производство электрической энергии и тепла (когенерация) – выгодный процесс, при котором КПД станции существенно повышается. Так, например, расчетный КПД КЭС составляет максимум 30%, а у ТЭЦ – около 80%. Плюс ко всему, когенерация позволяет уменьшить холостые тепловые выбросы, что положительно сказывается на экологии местности, в которой расположена ТЭЦ (по сравнению с тем, если бы тут была КЭС аналогичной мощности).
Рассмотрим подробнее паровую турбину.
К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с:
Противодавлением;
Регулируемым отбором пара;
Отбором и противодавлением.
Турбины с противодавлением работают с выхлопом пара не в конденсатор, как у КЭС, а в сетевой подогреватель, то есть весь пар, пошедший через турбину, идет на теплофикационные нужды. Конструкция таких турбин обладает существенным недостатком: график электрической нагрузки полностью зависит от графика тепловой нагрузки, то есть такие аппараты не могут принимать участия в оперативном регулировании частоты тока в энергосистеме.
В турбинах, имеющих регулируемый отбор пара, происходит его отбор в нужном количестве в промежуточных ступенях, при этом выбирают такие ступени для отбора пара, какие подходят в данном случае. Такой тип турбины обладает независимостью от тепловой нагрузки и регулирование выдаваемой активной мощности можно регулировать в больших пределах, чем у ТЭЦ с противодавлением.
Турбины с отбором и противодавлением совмещают в себе функции первых двух видов турбин.
Теплофикационные турбины ТЭЦ не всегда не способны за малый промежуток времени изменить тепловую нагрузку. Для покрытия пиков нагрузки,а иногда и для увеличения электрической мощности путем перевода турбин в конденсационный режим, на ТЭЦ устанавливают пиковые водогрейные котлы.
2) Атомные электростанции.
В России на настоящий момент существует 3 вида реакторных установок. Общий принцип их работы примерно похож на работу КЭС (в былые времена АЭС называли ГРЭС). Принципиальное различие состоит лишь в том, что тепловую энергию получают не в котлах на органическом топливе, а в ядерных реакторах.
Рассмотрим две самых распространенных типов реакторов в России.
1) Реактор РБМК .
Отличительная особенность этого реактора состоит в том, что пар для вращения турбины получают непосредственно в активной зоне реактора.
Активная зона РБМК. Рис.13
состоит из вертикальных графитовых колонн, в которых находятся продольные отверстия, с вставленными туда трубами из циркониевого сплава и нержавеющей стали. Графит выполняет роль замедлителя нейтронов. Все каналы делятся на топливные и каналы СУЗ (система управления и защиты). Они имеют разные контуры охлаждения. В топливные каналы вставляют кассету (ТВС – тепловыделяющую сборку) со стержнями (ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент) внутри которых находятся урановые таблетки в герметичной оболочке. Понятно, что именно от них получают тепловую энергию, которая передается непрерывно циркулирующему снизу вверх теплоносителю под большим давлением – обычной, но очень хорошо очищенной от примесей воде.
Вода, проходя по топливным каналам, частично испаряется, пароводяная смесь поступает от всех отдельных топливных каналов в 2 барабан-сепаратора, где происходит отделение (сепарация) пара от воды. Вода снова уходит в реактор с помощью циркуляционных насосов (всего из 4 на петлю), а пар по паропроводам идет на 2 турбины. Затем пар конденсируется в конденсаторе, превращается в воду, которая снова идет в реактор.
Тепловой мощностью реактора управляют только с помощью стержней-поглотителей нейтронов из бора, которые перемещаются в каналах СУЗ. Вода, охлаждающая эти каналы идет сверху вниз.
Как вы могли заметить, я еще ни разу не сказал про корпус реактора. Дело в том, что фактически у РБМК нет корпуса. Активная зона про которую я вам сейчас рассказывал помещена в бетонную шахту, сверху она закрыта крышкой весом в 2000 тонн.
На приведенном рисунке видна верхняя биологическая защита реактора. Но не стоит ожидать, что приподняв один из блоков, можно будет увидеть желто-зеленое жерло активной зоны, нет. Сама крышка располагается значительно ниже, а над ней, в пространстве до верхней биологической защиты остается промежуток для коммуникаций каналов и полностью извлеченных стержней поглотителей.
Между графитовыми колоннами оставляют пространство для теплового расширения графита. В этом пространстве циркулирует смесь газов азота и гелия. По ее составу судят о герметичности топливных каналов. Активная зона РБМК рассчитана на разрыв не более 5 каналов, если разгерметизируется больше – произойдет отрыв крышки реактора и раскрытие остальных каналов. Такое развитие событий вызовет повторение Чернобыльской трагедии (тут я имею в виду не саму техногенную катастрофу, а ее последствия).
Рассмотрим плюсы РБМК:
—Благодаря поканальному регулированию тепловой мощности есть возможность менять топливные сборки, не останавливая реактор. Каждый день, обычно, меняют несколько сборок.
—Низкое давление в КМПЦ (контур многократной принудительной циркуляции), что способствует более мягкому протеканию аварий, связанных с его разгерметизацией.
—Отсутствие сложного в изготовлении корпуса реактора.
Рассмотрим минусы РБМК:
—В ходе эксплуатации были обнаружены многочисленные просчеты в геометрии активной зоны, устранить которые на действующих энергоблоках 1-го и 2-го поколений (Ленинград, Курск, Чернобыль, Смоленск) полностью не возможно. Энергоблоки РБМК 3-его поколения (он один – на 3 энергоблоке Смоленской АЭС) лишен этих недостатков.
—Реактор одноконтурный. То есть турбины вращает пар, полученный непосредственно в реакторе. А это значит, что он содержит радиоактивные компоненты. При разгерметизации турбины (а такое было на Чернобыльской АЭС в 1993 году) ее ремонт будет сильно усложнен, а, может быть, и невозможен.
—Срок службы реактора определяется сроком службы графита (30-40 лет). Затем наступает его деградация, проявляющаяся в его разбухании. Этот процесс уже вызывает серьезные опасения на старейшем энергоблоке РБМК Ленинград-1, построенном в 1973 году (ему уже 39 лет). Наиболее вероятный выход из ситуации – заглушение n-нного количества каналов для уменьшения теплового расширения графита.
—Графитовый замедлитель является горючим материалом.
—Ввиду огромного количества запорной арматуры, реактор сложен в управлении.
— На 1 и 2 поколениях существует неустойчивость при работе на малых мощностях.
В целом можно сказать, что РБМК – хороший реактор для своего времени. В настоящее время принято решение не строить энергоблоки с этим типом реакторов.
2) Реактор ВВЭР.
На смену РБМК в настоящее время приходит ВВЭР. Он обладает значительными плюсами по сравнению с РБМК.
Активная зона полностью находится в очень прочном корпусе, который изготавливают на заводе и привозят железнодорожным, а затем и автомобильным транспортом на строящийся энергоблок в полностью готовом виде. Замедлителем является чистая вода под давлением. Реактор состоит из 2-х контуров: вода первого контура под большим давлением охлаждает топливные сборки, передавая тепло 2-му контуру с помощью парогенератора (выполняет функцию теплообменника между 2-ми изолированными контурами). В нем вода второго контура кипит, превращается в пар и идет на турбину. В первом контуре вода не кипит, так как она находится под очень большим давлением. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе и снова идет в парогенератор. Двухконтурная схема обладает значительными плюсами по сравнению с одноконтурной:
Пар, идущий на турбину не радиоктивен.
Мощностью реактора можно управлять не только стержнями-поглотителями, но и раствором борной кислоты, что делает реактор более устойчивым.
Элементы первого контура располагаются очень близко друг от друга, поэтому их можно поместить в общую защитную оболочку. При разрывах в первом контуре радиоактивные элементы попадут в гермооболочку и не выйдут в окружающую среду. Кроме того гермооболочка защищает реактор от внешнего воздействия (например от падения небольшого самолета или взрыва за периметром станции).
Реактор не сложен в управлении.
Имеются так же и минусы:
—В отличие от РБМК, топливо нельзя менять при работающем реакторе, т.к. оно находится в общем корпусе, а не в отдельных каналах, как в РБМК. Время перезагрузки топлива обычно совпадает со временем текущего ремонта, что уменьшает воздействие этого фактора на КИУМ (коэффициент используемой установленной мощности).
—Первый контур находится под большим давлением, что потенциально может вызвать больший масштаб аварии при разгерметизации, чем РБМК.
—Корпус реактора очень сложно перевезти с завода-изготовителя на стройплощадку АЭС.
Что же, работу тепловых электростанций мы рассмотрели, теперь рассмотрим работу
Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.
Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией - естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию. ГЭС обладают очень высокой маневренностью вырабатываемой мощности, а также малой стоимостью вырабатываемой электроэнергии. Эта особенность ГЭС привела с созданию другого типа электростанции – ГАЭС. Такие станции способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (обычно ночью), гидроагрегаты ГАЭС работают как насосы, потребляя электрическую энергию из энергосистемы, и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность (в пики нагрузки), вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины. ГАЭС выполняют исключительно важную функцию в энергосистеме (регулирование частоты), но они не получают широкого распространения у нас в стране, т.к. в итоге они потребляют больше мощности, чем выдают. То есть станция такого типа убыточна для владельца. Например, на Загорской ГАЭС мощность гидрогенераторов в генераторном режиме 1200 МВт, а в насосном – 1320 МВт. Однако такой тип станции наилучшем образом подходит для быстрого увеличения или уменьшения вырабатываемой мощности, поэтому их выгодно сооружать около, например, АЭС, так как последние работают в базовом режиме.
Мы с вами рассмотрели как именно производится электрическая энергия. Пора задать себе серьезный вопрос: «А какой тип станций наилучшем образом отвечает всем современным требованиям по надежности, экологичности, а кроме этого, еще и будет отличаться малой стоимостью энергии?» Каждый ответит на этот вопрос по-разному. Приведу свой список «лучших из лучших».
1) ТЭЦ на природном газе. КПД таких станций очень высок, высока и стоимость топлива, но природный газ – один из самых «чистых» видов топлива, а это очень важно для экологии города, в черте которых обычно и располагаются ТЭЦ.
2) ГЭС и ГАЭС. Преимущества над тепловыми станциями очевидно, так как этот тип станции не загрязняет атмосферу и производит самую «дешевую» энергию, которая плюс ко всему является возобновляемым ресурсом.
3) ПГУ на природном газе. Самый высокий КПД среди тепловых станций, а так же малое количество потребляемого топлива, позволит частично решить проблему теплового загрязнения биосферы и ограниченных запасов ископаемого топлива.
4) АЭС. В нормальном режиме работы АЭС выбрасывает в окружающую среду в 3-5 раз меньше радиоактивных веществ, чем тепловая станция той же мощности, поэтому частичное замещения тепловых электростанций атомными вполне оправдано.
5) ГРЭС. В настоящее время на таких станциях в качестве топлива используют природный газ. Это является абсолютно бессмысленным, так как с тем же успехов в топках ГРЭС можно утилизировать попутный нефтяной газ (ПНГ) или сжигать уголь, запасы которого огромны, по сравнению с запасами природного газа.
На этом я завершаю первую часть статьи.
Материал подготовил:
студент группы ЭС-11б ЮЗГУ Агибалов Сергей.
May 29th, 2013
Оригинал взят у zao_jbi в посте Что такое ТЭЦ и как она работает.
Однажды, когда мы въезжали в славный город Чебоксары, с восточного направления моя супруга обратила внимание на две огромные башни, стоящие вдоль шоссе. "А что это такое?" - спросила она. Поскольку мне абсолютно не хотелось показать жене свою неосведомленность, я немного покопался в своей памяти и выдал победное: "Это ж градирни, ты что, не знаешь?". Она немного смутилась: "А для чего они нужны?" "Ну что-то там охлаждать, вроде бы". "А чего?". Потом смутился я, потому что совершенно не знал как выкручиваться дальше.
Может быть этот вопрос, так и остался навсегда в памяти без ответа, но чудеса случаются. Через несколько месяцев после этого случая, вижу в своей френдленте пост z_alexey о наборе блогеров, желающих посетить Чебоксарскую ТЭЦ-2, ту самую, что мы видели с дороги. Приходиться резко менять все свои планы, упустить такой шанс будет непростительно!
Так что же такое ТЭЦ?
Это сердце ТЭЦ, и здесь происходит основное действие. Газ, поступающий в котел, сгорает, выделяя сумасшедшее количество энергии. Сюда же подается "Чистая вода". После нагрева она превращается в пар, точнее в перегретый пар, имеющий температуру на выходе 560 градусов, а давление 140 атмосфер. Мы тоже назовем его "Чистый пар", потому что он образован из подготовленной воды.
Кроме пара, на выходе мы еще имеем выхлоп. На максимальной мощности, все пять котлов потребляют почти 60 кубометров природного газа в секунду! Что бы вывести продукты сгорания нужна недетская "дымовая" труба. И такая тоже имеется.
Трубу видно практически из любого района города, учитывая высоту 250 метров. Подозреваю, что это самое высокое строение в Чебоксарах.
Рядом находится труба чуть поменьше. Снова резерв.
Если ТЭЦ работает на угле, необходима дополнительная очистка выхлопа. Но в нашем случае этого не требуется, так как в качестве топлива используется природный газ.
В втором отделении котлотурбинного цеха находятся установки, вырабатывающие электроэнергию.
В машинном зале Чебоксарской ТЭЦ-2 их установлено четыре штуки, общей мощностью 460 МВт (мегаватт). Именно сюда подается перегретый пар из котельного отделения. Он, под огромным давлением направляется на лопатки турбины, заставляя вращаться тридцатитонный ротор, со скоростью 3000 оборотов в минуту.
Установка состоит из двух частей: собственно сама турбина, и генератор, вырабатывающий электроэнергию.
А вот как выглядит ротор турбины.
Повсюду датчики и манометры.
И турбины, и котлы, в случае аварийной ситуации можно остановить мгновенно. Для этого существуют специальные клапаны, способные перекрыть подачу пара или топлива за какие-то доли секунды.
Интересно, а есть такое понятие как промышленный пейзаж, или промышленной портрет? Здесь есть своя красота.
В помещении стоит страшный шум, и чтобы расслышать соседа приходиться сильно напрягать слух. К тому же очень жарко. Хочется снять каску и раздеться до футболки, но делать этого нельзя. По технике безопасности, одежда с коротким рукавом на ТЭЦ запрещена, слишком много горячих труб.
Основную часть времени цех пустой, люди здесь появляются один раз в два часа, во время обхода. А управление работой оборудования ведется с ГрЩУ (Групповые щиты управления котлами и турбинами).
Вот так выглядит рабочее место дежурного.
Вокруг сотни кнопок.
И десятки датчиков.
Есть механические, есть электронные.
Это у нас экскурсия, а люди работают.
Итого, после котлотурбинного цеха, на выходе мы имеем электроэнергию и частично остывший и потерявший часть давления пар. С электричеством вроде бы попроще. На выходе с разных генераторов напряжение может быть от 10 до 18 кВ (киловольт). С помощью блочных трансформаторов, оно повышается до 110 кВ, а дальше электроэнергию можно передавать на большие расстояния с помощью ЛЭП (линий электропередач).
Оставшийся "Чистый пар" отпускать на сторону невыгодно. Так как он образован из "Чистой воды", производство которой довольно сложный и затратный процесс, его целесообразней охладить и вернуть обратно в котел. Итак по замкнутому кругу. Зато с его помощью, и с помощью теплообменников можно нагреть воду или произвести вторичный пар, которые спокойно продавать сторонним потребителям.
В общем то именно таким образом, мы с вами получаем тепло и электричество в свои дома, имея привычный комфорт и уют.
Ах, да. А для чего же все-таки нужны градирни?
Оказывается все очень просто. Что бы охладить, оставшийся "Чистый пар", перед новой подачей в котел, используются все те же теплообменники. Охлаждается он при помощи технической воды, на ТЭЦ-2 ее берут прямо с Волги. Она не требует какой-то специальной подготовки и также может использоваться повторно. После прохождения теплообменника техническая вода нагревается и уходит на градирни. Там она стекает тонкой пленкой вниз или падает вниз в виде капель и охлаждается за счет встречного потока воздуха, создаваемого вентиляторами. А в эжекционных градирнях вода распыляется с помощью специальных форсунок. В любом случае основное охлаждение происходит за счет испарения небольшой части воды. С градирен остывшая вода уходит по специальному каналу, после чего, с помощью насосной станции отправляется на повторное использование.
Одним словом, градирни нужны, что бы охлаждать воду, которая охлаждает пар, работающий в системе котел - турбина.
Вся работа ТЭЦ, контролируется из Главного Щита Управления.
Здесь постоянно находится дежурный.
Все события заносятся в журнал.
Меня хлебом не корми, дай сфотографировать кнопочки и датчики...
На этом, почти все. В завершение осталось немного фотографий станции.
Это старая, уже не рабочая труба. Скорее всего скоро ее снесут.
На предприятии очень много агитации.
Здесь гордятся своими сотрудниками.
И их достижениями.
Похоже, что не напрасно...
Осталось добавить, что как в анекдоте - "Я не знаю, кто эти блогеры, но экскурсовод у них директор филиала в Марий Эл и Чувашии ОАО "ТГК-5", КЭС холдинга - Добров С.В."
Вместе с директором станции С.Д. Столяровым.
Без преувеличения - настоящие профессионалы своего дела.
Ну и конечно, огромное спасибо Ирине Романовой, представляющей пресс-службу компании, за прекрасно организованный тур.
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.
Тепловые электростанции могут быть с паровыми и газовыми турбинами, с двигателями внутреннего сгорания. Наиболее распространены тепловые станции с паровыми турбинами, которые в свою очередь подразделяются на: конденсационные (КЭС) — весь пар в которых, за исключением небольших отборов для подогрева питательной воды, используется для вращения турбины, выработки электрической энергии;теплофикационные электростанции - теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), являющиеся источником питания потребителей электрической и тепловой энергии и располагающиеся в районе их потребления.
Конденсационные электростанции
Конденсационные электростанции часто называют государственными районными электрическими станциями (ГРЭС). КЭС в основном располагаются вблизи районов добычи топлива или водоемов, используемых для охлаждения и конденсации пара, отработавшего в турбинах.
Характерные особенности конденсационных электрических станции
- в большинстве своем значительная удаленность от потребителей электрической энергии, что обуславливает необходимость передавать электроэнергию в основном на напряжениях 110-750 кВ;
- блочный принцип построения станции, обеспечивающий значительные технико-экономические преимущества, заключающиеся в увеличении надежности работы и облегчении эксплуатации, в снижении объема строительных и монтажных работ.
- Механизмы и установки, обеспечивающие нормальное функционирование станции, составляют систему ее .
КЭС могут работать на твердом (уголь, торф), жидком (мазут, нефть) топливе или газе.
Топливоподача и приготовление твердого топлива заключается в транспортировке его из складов в систему топливоприготовления. В этой системе топливо доводится до пылевидного состояния с целью дальнейшего вдувания его к горелкам топки котла. Для поддержания процесса горения специальным вентилятором в топку нагнетается воздух, подогретый отходящими газами, которые отсасываются из топки дымососом.
Жидкое топливо подается к горелкам непосредственно со склада в подогретом виде специальными насосами.
Подготовка газового топлива состоит в основном в регулировании давления газа перед сжиганием. Газ от месторождения или хранилища транспортируется по газопроводу к газораспределительному пункту (ГРП) станции. На ГРП осуществляется распределение газа и регулирование его параметров.
Процессы в пароводяном контуре
Основной пароводяного контур осуществляет следующие процессы:
- Горение топлива в топке сопровождается выделением тепла, которое нагревает воду, протекающую в трубах котла.
- Вода превращается в пар с давлением 13…25 МПа при температуре 540..560 °С.
- Пар, полученный в котле, подается в турбину, где совершает механическую работу - вращает вал турбины. Вследствие этого вращается и ротор генератора, находящийся на общем с турбиной валу.
- Отработанный в турбине пар с давлением 0,003…0,005 МПа при температуре 120…140°С поступаетв конденсатор, где превращается в воду, которая откачивается в деаэратор.
- В деаэраторе происходит удаление растворенных газов, и прежде всего кислорода, опасного ввиду своей коррозийной активности.Система циркуляционного водоснабжения обеспечивает охлаждение пара в конденсаторе водой из внешнего источника (водоема, реки, артезианской скважины). Охлажденная вода, имеющая на выходе из конденсатора температуру, не превышающую 25…36 °С, сбрасывается в систему водоснабжения.
Интересное видео о работе ТЭЦ можно посмотреть ниже:
Для компенсации потерь пара в основную пароводяную систему насосом подается подпиточная вода, предварительно прошедшая химическую очистку.
Следует отметить, что для нормальной работы пароводяных установок, особенно со сверх критическими параметрами пара, важное значение имеет качество воды, подаваемой в котел, поэтому турбинный конденсат пропускается через систему фильтров обессоливания. Система водоподготовки предназначена для очистки подпиточной и конденсатной воды, удаления из нее растворенных газов.
На станциях, использующих твердое топливо, продукты сгорания в виде шлака и золы удаляются из топки котлов специальной системой шлака- и золоудаления, оборудованной специальными насосами.
При сжигании газа и мазута такой системы не требуется.
На КЭС имеют место значительные потери энергии. Особенно велики потери тепла в конденсаторе (до 40..50 % общего количества тепла, выделяемого в топке), а также с отходящими газами (до 10 %). Коэффициент полезного действия современных КЭС с высокими параметрами давления и температуры пара достигает 42 %.
Электрическая часть КЭС представляет совокупность основного электрооборудования (генераторов, ) и электрооборудования собственных нужд, в том числе сборных шин, коммутационной и другой аппаратуры со всеми выполненными между ними соединениями.
Генераторы станции соединяются в блоки с повышающими трансформаторами без каких-либо аппаратов между ними.
В связи с этим на КЭС не сооружается распределительное устройство генераторного напряжения.
Распределительные устройства на 110-750 кВ в зависимости от количества присоединений, напряжения, передаваемой мощности и требуемого уровня надежности выполняются по типовым схемам электрических соединений. Поперечные связи между блоками имеют место только в распределительных устройствах высшего или в энергосистеме, а также по топливу, воде и пару.
В связи с этим каждый энергоблок можно рассматривать как отдельную автономную станцию.
Для обеспечения электроэнергией собственных нужд станции выполняются отпайки от генераторов каждого блока. Для питания мощных электродвигателей (200 кВт и более) используется генераторное напряжение, для питания двигателей меньшей мощности и осветительных установок - система 380/220 В. Электрические схемы собственных нужд станции могут быть различными.
Ещё одно интересное видео о работе ТЭЦ изнутри:
Теплоэлектроцентрали
Теплоэлектроцентрали, являясь источниками комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, имеют значительно больший, чем КЭС, (до 75 %). Это объясняется тем. что часть отработавшего в турбинах пара используется для нужд промышленного производства (технологии), отопления, горячего водоснабжения.
Этот пар или непосредственно поступает для производственных и бытовых нужд или частично используется для предварительного подогрева воды в специальных бойлерах (подогревателях), из которых вода через теплофикационную сеть направляется потребителям тепловой энергии.
Основное отличие технологии производства энергии на в сравнении с КЭС состоит в специфике пароводяного контура. Обеспечивающего промежуточные отборы пара турбины, а также в способе выдачи энергии, в соответствии с которым основная часть ее распределяется на генераторном напряжении через генераторное распределительное устройство (ГРУ).
Связь с другими станциями энергосистемы выполняется на повышенном напряжении через повышающие трансформаторы. При ремонте или аварийном отключении одного генератора недостающая мощность может быть передана из энергосистемы через эти же трансформаторы.
Для увеличения надежности работы ТЭЦ предусматривается секционирование сборных шин.
Так, при аварии на шинах и последующем ремонте одной из секций вторая секция остается в работе и обеспечивает питание потребителей по оставшимся под напряжениям линиям.
По таким схемам сооружаются промышленные с генераторами до 60 мВт, предназначенные для питания местной нагрузки в радиусе 10 км.
На крупных современных применяются генераторы мощностью до 250 мВт при общей мощности станции 500-2500 мВт.
Такие сооружаются вне черты города и электроэнергия передается на напряжении 35-220 кВ, ГРУ не предусматривается, все генераторы соединяются в блоки с повышающими трансформаторами. При необходимости обеспечить питание небольшой местной нагрузки вблизи блочной предусматриваются отпайки от блоков между генератором и трансформатором. Возможны и комбинированные схемы станции, при которых на имеется ГРУ и несколько генераторов соединены по блочным схемам.
