Приложение г Краткая характеристика работы тепловой электростанции

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

Основные узлы

теплоэлектростанции

котельная установка

Электро-

генератор

паровая

турбина

градирни

градирни

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

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

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

В качестве топлива на таких ТЭС используют уголь (преимущественно), мазут, природный газ, лигнит, торф, сланцы. Их коэффициент полезного действия (КПД) достигает 40%, мощность  3 ГВт.

ТПЭС, имеющие в качестве привода электрогенераторов конденсационные турбины и не использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называются конденсационными электростанциями (официальное название в РФ – Государственная районная электрическая станция, или ГРЭС). ТПЭС, оснащенные теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). При строительстве ТЭЦ необходимо учитывать близость потребителей тепла в виде горячей воды и пара, так как передача тепла на большие расстояния экономически нецелесообразна.

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

Известны четыре типа угля. В порядке роста содержания углерода, а тем самым и теплотворной способности эти типы располагаются следующим образом: торф, бурый уголь, битуминозный (жирный) уголь или каменный уголь и антрацит. В работе ТЭС используют в основном первые два вида.

Уголь не является химически чистым углеродом, также в нем содержится неорганический материал (в буром угле углерода до 40%), который остается после сгорания угля в виде золы. В угле может содержаться сера, иногда в составе сульфида железа, а иногда в составе органических компонентов угля. В угле обычно присутствуют мышьяк, селен, а также радиоактивные элементы. Фактически уголь оказывается самым грязным из всех видов ископаемого топлива.

При сжигании угля образуются диоксид углерода, оксид углерода, а также в больших количествах оксиды серы, взвешенные частицы и оксиды азота. Оксиды серы повреждают деревья, различные материалы и оказывают вредное влияние на людей.

Частицы, выбрасываемые в атмосферу при сжигании угля на электростанциях, называются «летучей золой». Выбросы золы строго контролируются. Реально попадает в атмосферу около 10% взвешенных частиц.

Работающая на угле электростанция мощностью 1000 МВт сжигает 4-5 млн. т угля в год.

Поскольку в Алтайском крае отсутствует добыча угля, то будем считать, что его привозят из других регионов, и для этого прокладывают дороги, тем самым, изменяя природный ландшафт.

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

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

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

С + О₂  СО₂ + Q

2Н + ¹/₂О  Н₂О + Q

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

C + ¹/₂О₂  СО₂ + Q

либо часть образующегося СО₂ вступает в реакцию с углеродом, образуя монооксид углерода:

C + СО₂  2СО₂ - Q

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

При неполном сгорании нефти или угля летучие органиче­ские соединения удаляются, образуя один из компонентов ды­ма, что особенно характерно для небольших печей. В больших печах летучие соединения, обладающие высокой горючестью, воспламеняются от излучения горячих стенок печи и сгорают полностью до СО₂ и Н₂О.

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

S + О₂  SО₂

В меньшей степени в пламени протекает дальнейшее окисление:

2SО₂ + О₂  2SО₃ + Q

В составе оксидов, образующихся в обычном пламени, присутствует лишь около 1 % SО₃. Хотя серный ангидрид SО₃ стабилен при низких температурах, скорость его образования в отсутствие катализаторов незначительна. При температурах, харак­терных для пламени, более устойчив сернистый газ SО₂.

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

N₂ + О₂  2NО - Q

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

NО + ¹/₂ О₂  NО₂

Таким образом, в состав отходящих газов теплоэнергетики входят СО₂, СО, Н₂О (пар), SО₂ (реже SО₃), NO, NO₂ и другие ве­щества, поступление которых в воздушную среду наносит большой вред всем компонентам биосферы.

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

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

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

Рисунок Г.1.  Схема тепловой электростанции

В котёл с помощью питательного насоса подводится питательная вода под большим давлением, топливо и атмосферный воздух для горения. В топке котла идёт процесс горения  химическая энергия топлива превращается в тепловую и лучистую энергию. Питательная вода протекает по трубной системе, расположенной внутри котла. Сгорающее топливо является мощным источником теплоты, передающейся питательной воде, которая нагревается до температуры кипения и испаряется. Получаемый пар в этом же котле перегревается сверх температуры кипения, примерно до 540 °C с давлением 13–24 МПа и по одному или нескольким трубопроводам подаётся в паровую турбину.

Паровая турбина, электрогенератор и возбудитель составляют в целом турбоагрегат. В паровой турбине пар расширяется до очень низкого давления (примерно в 20 раз меньше атмосферного), и потенциальная энергия сжатого и нагретого до высокой температуры пара превращается в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Турбина приводит в движение электрогенератор, преобразующий кинетическую энергию вращения ротора генератора в электрический ток. Электрогенератор состоит из статора, в электрических обмотках которого генерируется ток, и ротора, представляющего собой вращающийся электромагнит, питание которого осуществляется от возбудителя.

Конденсатор служит для конденсации пара, поступающего из турбины, и создания глубокого разрежения, благодаря которому и происходит расширение пара в турбине. Он создаёт вакуум на выходе из турбины, поэтому пар, поступив в турбину с высоким давлением, движется к конденсатору и расширяется, что обеспечивает превращение его потенциальной энергии в механическую работу.

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

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

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

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

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

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

Твердые отходы тепловых электростанций  золы и шлаки  близки к металлургическим шлакам по составу. Их выход в на­стоящее время составляет около 70. млн. т в год, причем пример­но половина этих отходов приходится на золу от сжигания каменных углей,. Степень использования золошлаковых отходов не превышает 1,5—2%. По химическому составу эти отходы на 80  90% состоят из SiO₂, А1₂О₃, FеО, Fе₂О₃, СаО, МgО со значитель­ными колебаниями их содержания. Кроме того, в состав этих отходов входят остатки несгоревших частиц топлива (0,5—20%), соединения титана, ванадия, германия, галлия, серы, урана. Хи­мический состав и свойства золошлаковых отходов определяют основные направления их использования.

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

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

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

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

В ряде случаев концентрации металлов в золе таковы, что становится экономически выгодным их извлечение. Концентрация Sr, V, Zn, Gе достигает 10 кг на 1 т золы. Содержание урана в золе бурых углей некоторых месторождений может достигать 1 кг/т. В золе нефтей содержание У₂О₅ в некоторых слу­чаях достигает 65%, кроме того в ней в значительных количествах присутствуют Мо и №. В связи с этим извлечение металлов явля­ется еще одним направлением переработки таких отходов. Из золы некоторых углей извлекают в настоящее время редкие и рас­сеянные элементы (например, Gе и Gа).

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

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

Воздействие ТЭС на окружающую среду.

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

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

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

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

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

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

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

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

Достоинства и недостатки ТЭС.

ДОСТОИНСТВА	НЕДОСТАТКИ
1. Могут быть использованы не только для электроснабжения, но и для теплообеспечения жилых и общественных зданий, промышленных предприятий	1. Создание, пе­редача и использование электрической энергии ведут к электромагнитному загрязнению окружающей среды.
2.  За счет одновременной выработки электроэнергии и подачи тепла теплоэлектростанции наиболее эффективны и экономичны при длительной эксплуатации. Максимальная тепловая мощность отопительной системы нужна в течение нескольких месяцев в году, а для удовлетворения примерно 60% расхода тепла требуется всего 20% установочной тепловой мощности.	2. В каменном угле и летучей золе содержатся значительные коли­чества радиоактивных примесей (226Ra, 228Ra и др.). Годовой выброс в атмосферу в районе расположения ТЭС мощностью 1 ГВт приводит к накоплению на почве радиоактивности, в 10-20 раз превышающей радиоактивность годовых выбросов АЭС такой же мощности.
3. Одновременно с выработкой электроэнергии теплоэлектростанцией происходит и активация отопительных систем. В теплоэлектростанциях предусмотрен режим покрытия пиковой потребности в электроэнергии при одновременной выработке тепла.	3. ТЭС на угле, вырабатывающая электроэнергию мощностью 1 ГВт, ежегодно потребляет 3 млн. т угля, выбрасывая в окружающую среду 7 млн. т двуокиси углерода, 120 тыс. т двуокиси серы, 20 тыс. т оксидов азота и 750 тыс. т золы.
4. Наибольший вклад, а именно 80% от всей электроэнергии, производимой в нашей стране, дают тепловые электростанции.	4. Сжигание углеродсодержащих топлив приводит к появлению двуокиси углерода СО2, которая выбрасывается в атмосферу и спо­собствует созданию парникового эффекта.
5. В отличие от ГЭС, тепловые электростанции можно построить в любом месте, тем самым приблизить источники получения электроэнергии к потребителю и расположить тепловые электростанции равномерно по территории страны или экономического района.	5. Сжигание углеродсодержащих топлив приводит к появлению оксидов серы и азота. Они поступают в атмосферу и после реакции с парами воды в облаках образуют серную и азотную кислоты, которая с дождем падает на землю. Так возникают кислотные дожди.
6. ТЭС работают практически на всех видах органического топлива — различных углях, сланцах, жидком топливе и природном газе.	6. Тепловая энергетика требует изъятия территорий для добычи топлива, его транспортировки, размещения электростанций и ли­ний электропередач, для отвалов со шлаком