ТЭЦ — тепловая электростанция, которая производит не только электроэнергию, но и дает тепло в наши дома зимой. На примере Красноярской ТЭЦ посмотрим как работает почти любая теплоэлектростанция.
В Красноярске есть 3 теплоэлектроцентрали, суммарная электрическая мощность которых всего 1146 МВт (для сравнения, одна только наша Новосибирская ТЭЦ 5 имеет мощность 1200 МВт), но примечательна была для меня именно Красноярская ТЭЦ-3 тем, что станция новая - ещё не прошло и года, как первый и пока единственный энергоблок был аттестован Системным оператором и введён в промышленную эксплуатацию. Поэтому мне удалось поснимать ещё не запылившуюся, красивую станцию и узнать много нового для себя о ТЭЦ.
В этом посте, помимо технической информации о КрасТЭЦ-3, я хочу раскрыть сам принцип работы почти любой теплоэлектроцентрали.
1.
Три дымовые трубы, высота самой высокой из них 275 м, вторая по высоте - 180м
Сама аббревиатура ТЭЦ подразумевает собой, что станция вырабатывает не только электричество, но и тепло (горячая вода, отопление), причем, выработка тепла возможно даже более приоритетна в нашей известной суровыми зимами стране.
2.
Установленная электрическая мощность Красноярской ТЭЦ-3 208 МВт, а установленная тепловая мощность 631,5 Гкал/ч
Упрощенно принцип работы ТЭЦ можно описать следующим образом:
Всё начинается с топлива. В роли топлива на разных электростанциях могут выступать уголь, газ, торф, горючие сланцы. В нашем случае это бурый уголь марки Б2 с Бородинского разреза, расположенного в 162 км от станции. Уголь привозят по железной дороге. Часть его складируется, другая часть идёт по конвеерам в энергоблок, где сам уголь сначала измельчается до пыли и потом подаётся в камеру сгорания - паровой котёл.
Паровой котёл - это агрегат для получения пара с давлением выше атмосферного из непрерывно поступающей в него питательной воды. Происходит это засчет теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Сам котёл выглядит довольно внушительно. На КрасТЭЦ-3 высота котла 78 метров (26-этажный дом), а весит он более 7000 тонн.
6.
Паровой котёл марки Еп-670, произведенный в Таганроге. Производительность котла 670 тонн пара в час
Я позаимствовал с сайта energoworld.ru упрощённую схему парового котла электростанции, чтобы вам было понятно его устройтсво
1 — топочная камера (топка); 2 — горизонтальный газоход; 3 — конвективная шахта; 4 — топочные экраны; 5 — потолочные экраны; 6 — спускные трубы; 7 — барабан; 8 — радиационно-конвективный пароперегреватель; 9 — конвективный пароперегреватель; 10 — водяной экономайзер; 11 — воздухоподогреватель; 12 — дутьевой вентилятор; 13 — нижние коллекторы экранов; 14 — шлаковый комод; 15 — холодная коронка; 16 — горелки. На схеме не показаны золоуловитель и дымосос.
7.
Вид сверху
10.
Отчётливо виден барабан котла. Барабан представляет собой цилиндрический горизонтальный сосуд, имеющий водяной и паровой объемы, которые разделяются поверхностью, называемой зеркалом испарения.
Благодаря большой паропроизводительности котёл имеет развитые поверхности нагрева, как испарительные, так и пароперегревательные. Топка у него призматическая, четырёхугольная с естественной циркуляцией.
Пара слов о принципе работы котла:
В барабан, проходя экономайзер, попадает питательная вода, по спускным трубам спускается в нижние коллекторы экранов из труб, по этим трубам вода поднимается вверх и, соответственно, нагревается, так как внутри топки горит факел. Вода превращается в паро-водяную смесь, часть её попадает в выносные циклоны и другая часть обратно барабан. И там, и там происходит разделение этой смеси на воду и пар. Пар уходит в пароперегреватели, а вода повторяет свой путь.
11.
Остывшие дымовые газы (примерно 130 градусов), выходят из топки в электрофильтры. В электрофильтрах происходит очистка газов от золы, зола удаляется на золоотвал, а очищенные дымовые газы уходят в атмосферу. Эффективная степень очистки дымовых газов составляет 99,7%.
На фотографии те самые электрофильтры.
Проходя через пароперегреватели пар нагревается до температуры 545 градусов и поступает в турбину, где под его давлением вращается ротор турбогенератора и, соответственно, вырабатывается электроэнергия. Следует отметить, что в конденсационных электростанциях (ГРЭС) система обращения воды полностью замкнута. Весь пар, проходя сквозь турбину, охлаждается и конденсируется. Снова превратившись в жидкое состояние, вода используется заново. А в турбинах ТЭЦ не весь пар попадает в конденсатор. Осуществляются отборы пара - производственные (использование горячего пара на каких-либо производствах) и теплофикационные (сеть горячего водоснабжения). Это делает ТЭЦ экономически более выгодной, но у неё есть свои минусы. Недостатком теплоэлектроцентралей является то, что они должны быть построены недалеко от конечного потребителя. Прокладка теплотрасс стоит огромных денег.
12.
На Красноярской ТЭЦ-3 используется прямоточная система технического водоснабжения, это позволяет отказаться от использование градирен. То есть воду для охлаждения конденсатора и использования в котле берут прямо из Енисея, но перед этим она проходит очистку и обессоливание. После использования вода возвращается по каналу обратно в Енисей, проходя систему рассеивающего выпуска (перемешивание нагретой воды с холодной, дабы снизить тепловое загрязнение реки)
14.
Турбогенератор
Я надеюсь, мне удалось внятно описать принцип работы ТЭЦ. Теперь немного о самой КрасТЭЦ-3.
Строительство станции началось ещё в далёком 1981 году, но, как у нас в России бывает, из-за развалов СССР и кризисов построить ТЭЦ вовремя не получилось. С 1992 г до 2012 г станция работала как котельная - нагревала воду, но электричество вырабатывать научилась только 1-го марта прошлого года.
Красноярская ТЭЦ-3 принадлежит Енисейской ТГК-13. На ТЭЦ работает около 560 человек. В настоящее время Красноярская ТЭЦ-3 обеспечивает теплоснабжение промышленных предприятий и жилищно-коммунального сектора Советского района г. Красноярска - в частности, микрорайоны «Северный», «Взлётка», «Покровский» и «Иннокентьевский».
17.
19.
ЦПУ
20.
Ещё на КрасТЭЦ-3 функционируют 4 водогрейных котла
21.
Глазок в топке
23.
А это фото снято с крыши энергоблока. Большая труба имеет высоту 180м, та что поменьше - труба пусковой котельной.
24.
Трансформаторы
25.
В качестве распределительного устройства на КрасТЭЦ-3 используется закрытое распределительное устройство с элегазовой изоляцией (ЗРУЭ) на 220 кВ.
26.
Внутри здания
28.
Общий вид распределительного устройства
29.
На этом всё. Спасибо за внимание
У этой паровой турбины хорошо видны лопатки рабочих колес.
Тепловая электростанция (ТЭЦ) использует энергию, высвобождающуюся при сжигании органического топлива - угля, нефти и природного газа - для превращения воды в пар высокого давления. Этот пар, имеющий давление около 240 килограммов на квадратный сантиметр и температуру 524°С (1000°F), приводит во вращение турбину. Турбина вращает гигантский магнит внутри генератора, который вырабатывает электроэнергию.
Современные тепловые электростанции превращают в электроэнергию около 40 процентов теплоты, выделившейся при сгорании топлива, остальная сбрасывается в окружающую среду. В Европе многие тепловые электростанции используют отработанную теплоту для отопления близлежащих домов и предприятий. Комбинированная выработка тепла и электроэнергии увеличивает энергетическую отдачу электростанции до 80 процентов.
Паротурбинная установка с электрогенератором
Типичная паровая турбина содержит две группы лопаток. Пар высокого давления, поступающий непосредственно из котла, входит в проточную часть турбины и вращает рабочие колеса с первой группой лопаток. Затем пар подогревается в пароперегревателе и снова поступает в проточную часть турбины, чтобы вращать рабочие колеса с второй группой лопаток, которые работают при более низком давлении пара.
Вид в разрезе
Типичный генератор тепловой электростанции (ТЭЦ) приводится во вращение непосредственно паровой турбиной, которая совершает 3000 оборотов в минуту. В генераторах такого типа магнит, который называют также ротором, вращается, а обмотки (статор) неподвижны. Система охлаждения предупреждает перегрев генератора.
Выработка энергии при помощи пара
На тепловой электростанции топливо сгорает в котле, с образованием высокотемпературного пламени. Вода проходит по трубкам через пламя, нагревается и превращается в пар высокого давления. Пар приводит во вращение турбину, вырабатывая механическую энергию, которую генератор превращает в электричество. Выйдя из турбины, пар поступает в конденсатор, где омывает трубки с холодной проточной водой, и в результате снова превращается в жидкость.
Мазутный, угольный или газовый котел
Внутри котла
Котел заполнен причудливо изогнутыми трубками, по которым проходит нагреваемая вода. Сложная конфигурация трубок позволяет существенно увеличить количество переданной воде теплоты и за счет этого вырабатывать намного больше пара.
На тепловых электростанциях люди получают практически всю необходимую энергию на планете. Люди научились получать электрический ток иным образом, но все еще не принимают альтернативные варианты. Пусть им невыгодно использовать топливо, они не отказываются от него.
В чем секрет тепловых электростанций?
Тепловые электростанции неслучайно остаются незаменимыми. Их турбина вырабатывает энергию простейшим способом, используя горение. За счет этого удается минимизировать расходы на строительство, считающиеся полностью оправданными. Во всех странах мира находятся такие объекты, поэтому можно не удивляться распространению.
Принцип работы тепловых электростанций построен на сжигании огромных объемов топлива. В результате этого появляется электроэнергия, которая сначала аккумулируется, а потом распространяется по определенным регионам. Схемы тепловых электростанций почти остаются постоянными.
Какое топливо используется на станции?
Каждая станция использует отдельное топливо. Оно специально поставляется, чтобы не нарушался рабочий процесс. Этот момент остается одним из проблематичных, так как появляются транспортные расходы. Какие виды использует оборудование?
- Уголь;
- Горючие сланцы;
- Торф;
- Мазут;
- Природный газ.
Тепловые схемы тепловых электростанций строятся на определенном виде топлива. Причем в них вносятся незначительные изменения, обеспечивающие максимальный коэффициент полезного действия. Если их не сделать, основной расход будет чрезмерным, поэтому не оправдает полученный электрический ток.
Типы тепловых электростанций
Типы тепловых электростанций - важный вопрос. Ответ на него расскажет, каким образом появляется необходимая энергия. Сегодня постепенно вносятся серьезные изменения, где главным источником окажутся альтернативные виды, но пока их применение остается нецелесообразным.
- Конденсационные (КЭС);
- Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ);
- Государственные районные электростанции (ГРЭС).
Электростанция ТЭС потребует подробного описания. Виды различны, поэтому только рассмотрение объяснит, почему осуществляется строительство такого масштаба.
Конденсационные (КЭС)
Виды тепловых электростанций начинаются с конденсационных. Такие ТЭЦ применяются исключительно для выработки электроэнергии. Чаще всего она аккумулируется, сразу не распространяясь. Конденсационный метод обеспечивает максимальный КПД, поэтому подобные принципы считаются оптимальными. Сегодня во всех странах выделяют отдельных объекты крупного масштаба, обеспечивающие обширные регионы.
Постепенно появляются атомные установки, заменяющие традиционное топливо. Только замена остается дорогостоящим и длительным процессом, так как работа на органическом топливе отличается от иных способов. Причем отключение ни одной станции невозможно, ведь в таких ситуациях целые области остаются без ценной электроэнергии.
Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ)
ТЭЦ используются сразу для нескольких целей. В первую очередь они используются для получения ценной электроэнергии, но сжигание топлива также остается полезным для выработки тепла. За счет этого теплофикационные электростанции продолжают применяться на практике.
Важной особенностью является том, что такие тепловые электростанции виды другие превосходят относительно небольшой мощностью. Они обеспечивают отдельные районы, поэтому нет необходимости в объемных поставках. Практика показывает, насколько выгодно такое решение из-за прокладки дополнительных линий электропередач. Принцип работы современной ТЭС является ненужной только из-за экологии.
Государственные районные электростанции
Общие сведения о современных тепловых электростанциях не отмечают ГРЭС. Постепенно они остаются на заднем плане, теряя свою актуальность. Хотя государственные районные электростанции остаются полезными с точки зрения объемов выработки энергии.
Разные виды тепловых электростанций дают поддержку обширным регионам, но все равно их мощность недостаточна. Во времена СССР осуществлялись крупномасштабные проекты, которые сейчас закрываются. Причиной стало нецелесообразное использование топлива. Хотя их замена остается проблематичной, так как преимущества и недостатки современных ТЭС в первую очередь отмечают большие объемы энергии.
Какие электростанции являются тепловыми? Их принцип построен на сжигании топлива. Они остаются незаменимыми, хотя активно ведутся подсчеты по равнозначной замене. Тепловые электростанции преимущества и недостатки продолжают подтверждать на практике. Из-за чего их работа остается необходимой.
Что такое угольная электростанция? Это такое предприятие по производству электричества, где первым в цепочке по преобразованию энергии стоит уголь (каменный, бурый).
Вспомним цепочку преобразования энергии на электростанциях, работающих по циклу .
Первое в цепи стоит топливо, в нашем случае уголь. Оно обладает химической энергией, которая при сгорании в котле преобразуется в тепловую энергию пара. Ещё тепловую энергию можно назвать потенциальной. Далее потенциальная энергия пара на соплах преобразуется в кинетическую энергию. Кинетическую энергию мы назовем скоростью. Эта кинетическая энергия на выходе из сопел турбины толкает рабочие лопатки и вращает вал турбины. Здесь получается механическая энергия вращения. Вал нашей турбины жестко сцеплен с валом электрического генератора. Вот уже в электрическом генераторе механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию — электричество.
У угольной электростанции есть как преимущества, так и недостатки по сравнению, например, с газовой (обычной не будем брать в расчет современные ПГУ).
Преимущества угольных электростанций:
— низкая стоимость топлива;
— сравнительная независимость от поставок топлива (есть большой угольный склад);
— и… всё.
Недостатки угольных электростанций:
— низкая маневренность — обусловлена дополнительным ограничением по выходу шлака из , если он с жидким шлакоудалением;
— высокие выбросы, по сравнению с газовыми;
— более низкий КПД по отпуску электроэнергии — здесь добавляются потери в котле и увеличение собственных электрических нужд за счет системы угольного пылеприготовления;
— больше, чем на газовых станциях затраты на , связано с тем, что добавляется абразивный износ и большее количество вспомогательных установок.
Из этого небольшого сравнения видно, что угольные электростанции проигрывают газовым. Но все же мир не отказывается от их строительства. Это связано, прежде всего с экономической точки зрения.
Возьмем, к примеру, нашу страну. У нас есть некоторые места на карте, где добывают в больших количествах уголь. Самое известное — Кузбасс (Кузнецкий угольный бассейн), она же Кемеровская область. Там довольно много электростанций, самые крупные — и , кроме них есть еще несколько поменьше. Все они работают на угле, за исключением нескольких энергоблоков, где может использоваться в качестве резервного топлива газ. В Кемеровской области такое большое количество угольных электростанций обусловлено, конечно, тем, что уголь добывают «под боком». Практически отсутствует транспортная составляющая в цене угля для электрических станций. К тому же некоторые собственники ТЭС являются также собственниками угольных предприятий. Думается понятно, почему там не строят газовые станции.
К тому же разведанные запасы угля несравнимо больше, чем разведанные запасы природного газа. Это относится уже к энергетической безопасности страны.
В развитых странах шагнули дальше. Из угля делают так называемый синтетический газ, искусственный аналог природного газа. К этому газу приспособили уже некоторые , которые могут работать в составе ПГУ. А здесь уже совсем другие КПД (выше) и вредные выбросы (ниже), по сравнению с угольным станциями, да и со старыми газовыми.
Так что можно сделать вывод: уголь, как топливо для производства электричества, человечество будет использовать всегда.
Однако, несмотря на то что уголь долгое время был и еще многие годы будет основным источником получения электроэнергии (в США на его долю приходится около 80% запасов всех видов природных топлив), он никогда не был оптимальным топливом для электростанций. Удельное содержание энергии на единицу веса (т. е. теплотворная способность) у угля ниже, чем у нефти или природного газа. Его труднее транспортировать, и, кроме того, сжигание угля вызывает целый ряд нежелательных экологических последствий, в частности выпадение кислотных дождей. С конца 60-х годов привлекательность тепловых станций на угле резко пошла на убыль в связи с ужесточением требований к загрязнению среды газообразными и твердыми выбросами в виде золы и шлаков. Расходы на решение этих экологических проблем наряду с возрастающей стоимостью строительства таких сложных объектов, какими являются тепловые электростанции, сделали менее благоприятными перспективы их развития с чисто экономической точки зрения.
Однако, если изменить технологическую базу тепловых станций на угольном топливе, их былая привлекательность может возродиться. Некоторые из этих изменений носят эволюционный характер и нацелены главным образом на увеличение мощности существующих установок. Вместе с тем разрабатываются совершенно новые процессы безотходного сжигания угля, т. е. с минимальным ущербом для окружающей среды. Внедрение новых технологических процессов направлено на то, чтобы будущие тепловые электростанции на угольном топливе поддавались эффективному контролю на степень загрязнения ими окружающей среды, обладали гибкостью с точки зрения возможности использования различных видов угля и не требовали больших сроков строительства.
Для того чтобы оценить значение достижений в технологии сжигания угля, рассмотрим кратко работу обычной тепловой электростанции на угольном топливе. Уголь сжигается в топке парового котла, представляющего собой огромную камеру с трубами внутри, в которых вода превращается в пар. Перед подачей в топку уголь измельчается в пыль, за счет чего достигается почти такая же полнота сгорания, как и при сжигании горючих газов. Крупный паровой котел потребляет ежечасно в среднем 500 т пылевидного угля и генерирует 2,9 млн. кг пара, что достаточно для производства 1 млн. квт-ч электрической энергии. За то же время котел выбрасывает в атмосферу около 100000 м3 газов.
Генерированный пар проходит через пароперегреватель, где его темпе¬ратура и давление увеличиваются, и затем поступает в турбину высокого давления. Механическая энергия вращения турбины преобразуется электрогенератором в электрическую энергию. Для того чтобы получить более высокий кпд преобразования энергии, пар из турбины обычно возвращается в котел для вторичного перегрева и затем приводит в движение одну или две турбины низкого давления и только после этого конденсируется путем охлаждения; конденсат возвращается в цикл котла.
Оборудование тепловой электростанции включает механизмы топливоподачи, котлы, турбины, генераторы, а также сложные системы охлаждения, очистки дымовых газов и удаления золы. Все эти основные и вспомогательные системы рассчитываются так, чтобы работать с высокой надежностью в течение 40 или более лет при нагрузках, которые могут меняться от 20% установленной мощности станции до максимальной. Капитальные затраты на оборудование типичной тепловой электростанции мощностью 1000 МВт, как правило, превышают 1 млрд. долл.
Эффективность, с которой тепло, освобожденное при сжигании угля, может быть превращено в электричество, до 1900 г. составляла лишь 5%, но к 1967 г. достигла 40%. Другими словами, за период около 70 лет удельное потребление угля на единицу производимой электрической энергии сократилось в восемь раз. Соответственно происходило и снижение стоимости 1 кВт установленной мощности тепловых электростанций: если в 1920 г. она составляла 350 долл. (в ценах 1967 г.), то в 1967 г. снизилась до 130 долл. Цена отпускаемой электроэнергии также упала за тот же период с 25 центов до 2 центов за 1 кВт-чае.
Однако начиная с 60-х годов темпы прогресса стали падать. Эта тенденция, по-видимому, объясняется тем, что традиционные тепловые электростанции достигли предела своего совершенства, определяемого законами термодинамики и свойствами материалов, из которых изготавливаются котлы и турбины. С начала 70-х годов эти технические факторы усугубились новыми экономическими и организационными причинами. В частности, резко возросли капитальные затраты, темпы роста спроса на электроэнергию замедлились, ужесточились требования к защите окружающей среды от вредных выбросов и удлинились сроки реализации проектов строительства электростанций. В результате стоимость производства электроэнергии из угля, имевшая многолетнюю тенденцию к снижению, резко возросла. Действительно, 1 кВт электроэнергии, производимой новыми тепловыми электростанциями, стоит теперь больше, чем в 1920 г. (в сопоставимых ценах).
ДЕМОНСТРАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ "Cool Water" фирмы Southern California Edison ежедневно перерабатывает 1000 т каменного угля, получая сгорающий без отходов газ.
Продукты сгорания приводят во вращение газовую турбину электрогенератора. Отработанное тепло выхлопных газов используется для производства водяного пара, который вращает паровую турбину другого электрогенератора.
На фотографии видны два угольных бункера (в центре). Справа от них газификационная установка, система охлаждения газов и электрогенерирующее оборудование.
В последние 20 лет на стоимость тепловых электростанций на угольном топливе наибольшее влияние оказывали ужесточившиеся требования к удалению газообразных,
жидких и твердых отходов. На системы газоочистки и золоудаления современных тепловых электростанций теперь приходится 40% капитальных затрат и 35% эксплуатационных расходов. С технической и экономической точек зрения наиболее значительным элементом системы контроля выбросов является установка для де-сульфуризации дымовых газов, часто называемая системой мокрого (скрубберного) пылеулавливания. Мокрый пылеуловитель (скруббер) задерживает окислы серы, являющиеся основным загрязняющим веществом, образующимся при сгорании угля.
Идея мокрого пылеулавливания проста, но на практике оказывается трудно осуществимой и дорогостоящей. Щелочное вещество, обычно известь или известняк, смешивается с водой, и раствор распыляется в потоке дымовых газов. Содержащиеся в дымовых газах окислы серы абсорбируются частицами щелочи и выпадают из раствора в виде инертного сульфита или сульфата кальция (гипса). Гипс может быть легко удален или, если он достаточно чист, может найти сбыт как строительный материал. В более сложных и дорогих скрубберных системах гипсовый осадок может превращаться в серную кислоту или элементарную серу - более ценные химические продукты. С 1978 г. установка скрубберов является обязательной на всех строящихся тепловых электростанциях на пылеугольном топливе. В результате этого в энерге¬тической промышленности США сейчас больше скрубберных установок, чем во всем остальном мире.
Стоимость скрубберной системы на новых станциях обычно составляет 150-200 долл. на 1 кВт установленной мощности. Установка скрубберов на действующих станциях, первоначально спроектированных без мокрой газоочистки, обходится на 10-40% дороже, чем на новых станциях. Эксплуатационные расходы на скрубберы довольно высоки независимо от того, установлены они на старых или новых станциях. В скрубберах образуется огромное количество гипсового шлама, который необходимо выдерживать в отстойных прудах или удалять в отвалы, что создает новую экологическую проблему. Например, тепловая электростанция мощностью 1000 МВт, работающая на каменном угле, содержащем 3% серы, производит в год столько шлама, что им можно покрыть площадь в 1 км2 слоем толщиной около 1 м.
Кроме того, системы мокрой газоочистки потребляют много воды (на станции мощностью 1000 МВт расход воды составляет около 3800 л/мин), а их оборудование и трубопроводы часто подвержены засорению и коррозии. Эти факторы увеличивают эксплуатационные расходы и снижают общую надежность систем. Наконец, в скрубберных системах расходуется от 3 до 8% вырабатываемой станцией энергии на привод насосов и дымососов и на подогрев дымовых газов после газоочистки, что необходимо для предотвращения конденсации и коррозии в дымовых трубах.
Широкое распространение скрубберов в американской энергетике не было ни простым, ни дешевым. Первые скрубберные установки были значительно менее надежными, чем остальное оборудование станций, поэтому компоненты скрубберных систем проектировались с большим запасом прочности и надежности. Некоторые из трудностей, связанные с установкой и эксплуатацией скрубберов, могут быть объяснены тем фак том, что промышленное применение технологии скрубберной очистки было начато преждевременно. Только теперь, после 25-летнего опыта, надежность скрубберных систем достигла приемлемого уровня.
Стоимость тепловых станций на угольном топливе возросла не только из-за обязательного наличия систем контроля выбросов, но также и потому, что стоимость строительства сама по себе резко подскочила вверх. Даже с учетом инфляции удельная стоимость установленной мощности тепловых станций на угольном топливе сейчас в три раза выше, чем в 1970 г. За прошедшие 15 лет «эффект масштаба», т. е. выгода от строительства крупных электростанций, был сведен на нет значительным удорожанием строительства. Частично это удорожание отражает высокую стоимость финансирования долгосрочных объектов капитального строительства.
Какое влияние имеет задержка реализации проекта, можно видеть на примере японских энергетических компаний. Японские фирмы обычно более расторопны, чем их американские коллеги, в решении организационно-технических и финансовых проблем, которые часто задерживают ввод в эксплуатацию крупных строительных объектов. В Японии электростанция может быть построена и пущена в действие за 30-40 месяцев, тогда как в США для станции такой же мощности обычно требуется 50-60 месяцев. При таких больших сроках реализации проектов стоимость новой строящейся станции (и, следовательно, стоимость замороженного капитала) оказывается сравнимой с основным капиталом многих энергетических компаний США.
Поэтому энергетические компании ищут пути снижения стоимости строительства новых электрогенерирующих установок, в частности применяя модульные установки меньшей мощности, которые можно быстро транспортировать и устанавливать на существующей станции для удовлетворения растущей потребности. Такие установки могут быть пущены в эксплуатацию в более короткие сроки и поэтому окупаются быстрее, даже если коэффициент окупаемости капиталовложений остается постоянным. Установка новых модулей только в тех случаях, когда требуется увеличение мощности системы, может дать чистую экономию до 200 долл. на 1 кВт, несмотря на то что при применении маломощных установок теряются выгоды от «эффекта масштаба».
В качестве альтернативы строительству новых электрогенерирующих объектов энергетические компании также практиковали реконструкцию действующих старых электростанций для улучшения их рабочих характеристик и продления срока службы. Эта стратегия, естественно, требует меньших капитальных затрат, чем строительство новых станций. Такая тенденция оправдывает себя и потому, что электростанции, построенные около 30 лет назад, еще не устарели морально. В некоторых случаях они работают даже с более высоким кпд, так как не оснащены скрубберами. Старые электростанции приобретают все больший удельный вес в энергетике страны. В 1970 г. только 20 электрогенерирующих объектов в США имели возраст более 30 лет. К концу века 30 лет будет средним воз¬растом тепловых электростанций на угольном топливе.
Энергетические компании также ищут пути снижения эксплуатационных расходов на станциях. Для предотвращения потерь энергии необходимо обеспечить своевременное предупреждение об ухудшении рабочих характеристик наиболее важных участков объекта. Поэтому непрерывное наблюдение за состоянием узлов и систем становится важной составной частью эксплуатационной службы. Такой непрерывный контроль естественных процессов износа, коррозии и эрозии позволяет операторам станции принять своевременные меры и предупредить аварийный выход из строя энергетических установок. Значимость таких мер может быть правильно оценена, если учесть, например, что вынужденный простой станции на угольном топливе мощностью 1000 МВт может принести энергетической компании убытки в 1 млн. долл. в день, главным образом потому, что невыработанная энергия должна быть компенсирована путем энергоснабжения из более дорогих источников.
Рост удельных расходов на транспортировку и обработку угля и на шлакоудаление сделал важным фактором и качество угля (определяемое содержанием влаги, серы и других минералов), определяющее рабочие характеристики и экономику тепловых электростанций. Хотя низкосортный уголь может стоить дешевле высокосортного, его расход на производство того же количества электрической энергии значительно больше. Затраты на перевозку большего объема низкосортного угля могут перекрыть выгоду, обусловленную его более низкой ценой. Кроме того, низкосортный уголь дает обычно больше отходов, чем высокосортный, и, следовательно, необходимы большие затраты на шлакоудаление. Наконец, состав низкосортных углей подвержен большим колебаниям, что затрудняет «настройку» топливной системы станции на работу с максимально возможным кпд; в этом случае система должна быть отрегулирована так, чтобы она могла работать на угле наихудшего ожидаемого качества.
На действующих электростанциях качество угля может быть улучшено или по крайней мере стабилизировано путем удаления перед сжиганием некоторых примесей, например серосодержащих минералов. В очистных установках измельченный «грязный» уголь отделяется от примесей многими способами, использующими различия в удельном весе или других физических характеристиках угля и примесей.
Несмотря на указанные мероприятия по улучшению рабочих характеристик действующих тепловых электростанций на угольном топливе, в США к концу столетия нужно будет ввести в строй дополнительно 150000 МВт энергетических мощностей, если спрос на электроэнергию будет расти с ожидаемым темпом 2,3% в год. Для сохранения конкурентоспособности угля на постоянно расширяющемся энергетическом рынке энергетическим компаниям придется принять на вооружение новые прогрессивные способы сжигания угля, которые являются более эффективными, чем традиционные, в трех ключевых аспектах: меньшее загрязнение окружающей среды, сокращение сроков строительства электростанций и улучшение их рабочих и эксплуатационных характеристик.
СЖИГАНИЕ УГЛЯ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ уменьшает потребность во вспомогательных установках по очистке выбросов электростанции.
Псевдоожиженныи слой смеси угля и известняка создается в топке котла воздушным потоком, в котором твердые частицы перемешиваются и находятся во взвешенном состоянии, т. е. ведут себя так же, как в кипящей жидкости.
Турбулентное перемешивание обеспечивает полноту сгорания угля; при этом частицы известняка реагируют с окислами серы и улавливают около 90% этих окислов. Поскольку нагревательные грубы котла непосредственно касаются кипящего слоя топлива, генерация пара происходит с большей эффективностью, чем в обычных паровых котлах, работающих на измельченном угле.
Кроме того, температура горящего угля в кипящем слое ниже, что предотвращает плавление котельного шлака и уменьшает образование окислов азота.
ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ может быть осуществлена нагреванием смеси угля и воды в атмосфере кислорода. Продуктом процесса является газ, состоящий в основном из окиси углерода и водорода. После того как газ будет охлажден, очищен от твердых частиц и освобожден от серы, его можно использовать как топливо для газовых турбин, а затем для производства водяного пара для паровой турбины (комбинированный цикл).
Станция с комбинированным циклом выбрасывает в атмосферу меньше загрязняющих веществ, чем обычная тепловая станция на угле.
В настоящее время разрабатывается более десятка способов сжигания угля с повышенным кпд и меньшим ущербом для окружающей среды. Наиболее перспективными среди них являются сжигание в псевдоожиженном слое и газификация угля. Сжигание по первому способу производится в топке парового котла, которая устроена так, что измельченный уголь в смеси с частицами известняка поддерживается над решеткой топки во взвешенном («псевдо-ожиженном») состоянии мощным восходящим потоком воздуха.
Взвешенные частицы ведут себя в сущности так же, как и в кипящей жидкости, т. е. находятся в турбулентном движении, что обеспечивает высокую эффективность процесса горения. Водяные трубы такого котла находятся в непосредственном контакте с «кипящим слоем» горящего топлива, в результате чего большая доля тепла передается теплопроводностью, что значительно более эффективно, чем радиационный и конвективный перенос тепла в обычном паровом котле.
Котел с топкой, где уголь сжигается в псевдоожиженном слое, имеет большую площадь теплопередающих поверхностей труб, чем обычный котел, работающий на измельченном в пыль угле, что позволяет снизить температуру в топке и тем самым уменьшить образование окислов азота. (Если температура в обычном котле может быть выше 1650 °С, то в котле с сжиганием в псевдоожиженном слое она находится в пределах 780-870 °С.) Более того, известняк, примешанный к углю, связывает 90 или более процентов серы, освободившейся из угля при горении, так как более низкая рабочая температура способствует прохождению реакции между серой и известняком с образованием сульфита или сульфата кальция. Таким образом вредные для окружающей среды вещества, образующиеся при сжигании угля, нейтрализуются на месте образования, т. е. в топке.
Кроме того, котел с сжиганием в псевдоожиженном слое по своему устройству и принципу работы менее чувствителен к колебаниям качества угля. В топке обычного котла, работающего на пылевидном угле, образуется огромное количество расплавленного шлака, который часто забивает теплопередающие поверхности и тем самым снижает кпд и надежность котла. В котле с сжиганием в псевдоожиженном слое уголь сгорает при температуре ниже точки плавления шлака и поэтому проблема засорения поверхностей нагрева шлаком даже не возникает. Такие котлы могут работать на угле более низкого качества, что в некоторых случаях позволяет существенно снизить эксплуатационные расходы.
Способ сжигания в псевдоожиженном слое легко реализуется в котлах модульной конструкции с небольшой паропроизводительностью. По некоторым оценкам капиталовложения на тепловую электростанцию с компактными котлами, работающими по принципу псевдоожиженного слоя, могут быть на 10-20% ниже капиталовложений на тепловую станцию традиционного типа такой же мощности. Экономия достигается за счет сокращения времени строительства. Кроме того, мощность такой станции можно легко нарастить при увеличении электрической нагрузки, что важно для тех случаев, когда ее рост в будущем заранее неизвестен. Упрощается и проблема планирования, так как такие компактные установки можно быстро смонтировать, как только возникнет необходимость увеличения выработки электроэнергии.
Котлы со сжиганием в псевдоожиженном слое могут также включаться в схему существующих электростанций, когда необходимо быстро увеличить генерируемую мощность. Например, энергетическая компания Northern States Power переделала один из пылеугольных котлов на станции в шт. Миннесота в котел с псевдоожиженным слоем. Переделка осуществлялась с целью увеличения мощности электростанции на 40%, снижения требований к качеству топива (котел может работать даже на местных отходах), более тщательной очистки выбросов и удлинения срока службы станции до 40 лет.
За прошедшие 15 лет масштабы применения технологии, используемой на тепловых электростанциях, оснащенных исключительно котлами со сжиганием в псевдоожиженном слое, расширились от мелких экспериментальных и полупромышленных установок до крупных «демонстрационных» станций. Такая станция с общей мощностью 160 МВт строится совместно компаниями Tennessee Valley Authority, Duke Power и Commonwealth of Kentucky; фирма Colorado-Ute Electric Association, Inc. пустила в эксплуатацию электрогенерирующую установку мощностью 110 МВт с котлами со сжиганием в псевдоожиженном слое. В случае успеха этих двух проектов, а также проекта компании Northern States Power, совместного предприятия частного сектора с общим капиталом около 400 млн. долл., экономический риск, связанный с применением котлов со сжиганием в псевдоожиженном слое в энергетической промышленности будет значительно уменьшен.
Другим способом, который, правда, уже существовал в более простом виде еще в середине XIX в., является газификация каменного угля с получением «чисто горящего» газа. Такой газ пригоден для освещения и отопления и широко использовался в США до второй мировой войны, пока не был вытеснен природным газом.
Первоначально газификация угля привлекла внимание энергетических компаний, которые надеялись с помощью этого способа получить сгорающее без отходов топливо и за счет этого избавиться от скрубберной очистки. Теперь стало очевидно, что газификация угля имеет и более важное преимущество: горячие продукты сгорания генераторного газа можно непосредственно использовать для привода газовых турбин. В свою очередь отработанное тепло продуктов сгорания после газовой турбины может быть утилизировано с целью получения пара для привода паровой турбины. Такое совместное использование газовых и паровых турбин, называемое комбинированным циклом, является ныне одним из самых эффективных способов производства электрической энергии.
Газ, полученный газификацией каменного угля и освобожденный от серы и твердых частиц, является прекрасным топливом для газовых турбин и, как и природный газ, сгорает почти без отходов. Высокий кпд комбинированного цикла компенсирует неизбежные потери, связанные с превращением угля в газ. Более того, станция с комбинированным циклом потребляет значительно меньше воды, так как две трети мощности развивает газовая турбина, которая не нуждается в воде в отличие от паровой турбины.
Жизнеспособность электрических станций с комбинированным циклом, работающих на принципе газификации угля, была доказана опытом эксплуатации станции "Cool Water" фир¬мы Southern California Edison. Эта станция мощностью около 100 МВт была введена в эксплуатацию в мае 1984 г. Она может работать на разных сортах угля. Выбросы станции по чистоте не отличаются от выбросов соседней станции, работающей на природном газе. Содержание окислов серы в уходящих газах поддерживается на уровне значительно ниже установленной нормы с помощью вспомогательной системы улавливания серы, которая удаляет почти всю серу, содержащуюся в исходном топливе, и производит чистую серу, используемую в промышленных целях. Образование окислов азота предотвращается добавкой к газу воды перед сжиганием, что снижает температуру горения газа. Более того, остающийся в газогенераторе остаток несгоревшего угля подвергается переплавке и превращается в инертный стекловидный материал, который после охлаждения отвечает требованиям, предъявляемым в штате Калифорния к твердым отходам.
Помимо более высокого кпд и меньшего загрязнения окружающей среды станции с комбинированным циклом имеют еще одно преимущество: они могут сооружаться в несколько очередей, так что установленная мощность наращивается блоками. Такая гибкость строительства уменьшает риск чрезмерных или, наоборот, недостаточных капиталовложений, связанный с неопределенностью роста спроса на электроэнергию. Например, первая очередь установленной мощности может работать на газовых турбинах, а в качестве топлива использовать не уголь, а нефть или природный газ, если текущие цены на эти продукты низки. Затем, по мере роста спроса на электроэнергию, дополнительно вводятся в строй котел-утилизатор и паровая турбина, что увеличит не только мощность, но и кпд станции. Впоследствии, когда спрос на электроэнергию вновь увеличится, на станции можно будет построить установку для газификации угля.
Роль тепловых электростанций на угольном топливе является ключевой темой, когда речь идет о сохранности природных ресурсов, защите окружающей среды и путях развития экономики. Эти аспекты рассматриваемой проблемы не обязательно являются конфликтующими. Опыт применения новых технологических процессов сжигания угля показывает, что они могут успешно и одновременно решать проблемы и охраны окружающей среды, и снижения стоимости электроэнергии. Этот принцип был учтен в совместном американо-канадском докладе о кислотных дождях, опубликованном в прошлом году. Руководствуясь содержащимися в докладе предложениями, конгресс США в настоящее время рассматривает возможность учреждения генеральной национальной инициативы по демонстрации и применению «чистых» процессов сжигания угля. Эта инициатива, которая объединит частный капитал с федеральными капиталовложениями, нацелена на широкое промышленное применение в 90-е годы новых процессов сжигания угля, включая котлы с сжиганием топлива в кипящем слое и газогенераторы. Однако даже при широком применении новых процессов сжигания угля в ближайшем будущем растущий спрос на электроэнергию не сможет быть удовлетворен без целого комплекса согласованных мероприятий по консервации электроэнергии, регулированию ее потребления и повышению производительности существующих тепловых электростанций, работающих на традиционных принципах. Постоянно стоящие на повестке дня экономические и экологические проблемы, вероятно, приведут к появлению совершенно новых технологических разработок, принципиально отличающихся от тех, что были здесь описаны. В перспективе тепловые электростанции на угольном топливе могут превратиться в комплексные предприятия по переработке природных ресурсов. Такие предприятия будут перерабатывать местные виды топлива и другие природные ресурсы и производить электроэнергию, тепло и различные продукты с учетом потребностей местной экономики. Кроме котлов с сжиганием в кипящем слое и установок для газификации угля такие предприятия будут оснащены электронными системами технической диагностики и автоматизированными системами управления и, кроме того, полезно использовать большинство побочных продуктов сжигания угля.
Таким образом, возможности улучшения экономических и экологических факторов производства электроэнергии на базе каменного угля очень широкие. Своевременное использование этих возможностей зависит, однако, от того, сможет ли правительство проводить сбалансированную политику в отношении производства энергии и защиты окружающей среды, которая создала бы необходимые стимулы для электроэнергетической промышленности. Необходимо принять меры к тому, чтобы новые процессы сжигания угля развивались и внедрялись рационально, при сотрудничестве с энергетическими компаниями, а не так, как это было с внедрением скрубберной газоочистки. Все это можно обеспечить, если свести к минимуму затраты и риск путем хорошо продуманного проектирования, испытания и усовершенствования небольших опытных экспериментальных установок с последующим широким промышленным внедрением разрабатываемых систем.
