4.1. Централизованное теплоснабжение от электростанций (теплофикация)

Теплофикация - централизованное теплоснабжение на базе комбини­рованной выработки тепловой и электрической энергии от тепловых (ТЭЦ) или атомных (АТЭЦ) электростанций.

За счет теплофикации обеспечиваются потребности, как в электриче­ской, так и в тепловой энергии и достигается существенная экономия топ­лива по сравнению с раздельной выработкой этих энергоресурсов. Тепло­снабжение от ТЭЦ становится рентабельным при тепловой нагрузке 600 МВт и выше. На ТЭЦ устанавливают самые мощные энергетические паро­вые котлы, вырабатывающие теплоноситель (водяной пар) высокого потен­циала, например, давлением 13 или 24 МПа и температурой 565° С. Мощ­ность современных ТЭЦ по тепловой нагрузке составляет 1000-2000 МВт.

Тепловая электростанция (см. рис. 4.1) работает следующим образом. Пар из котла 1 давлением 13 или 24 МПа, проходя через пароперегреватель 2, подогревается до температуры 565°С и поступает в турбину 3, состоя­щую из частей высокого (ЧВД), среднего (ЧСД) и низкого (ЧНД) давлений. В турбине происходит преобразование теплоты в механическую работу. Под действием давления пара турбина вращается, увлекая за собой генера­тор 4, соединенный с ней на одном валу. Генератор при вращении выраба­тывает электрическую энергию, которая поступает в энергосистему. Отра­ботавший пар давлением 0,004 МПа и температурой около 28°С из турбины направляется в специальный теплообменный аппарат - конденсатор 5, где превращается в конденсат, который затем подается в котлы для повторного использования. Чтобы обеспечить конденсацию пара, необходимо понизить его температуру. Для этого через конденсатор 5 пропускают охлаждающую воду, забираемую насосом 6, как правило, из открытых источников водо­снабжения (реки, водоема или озера). Выделенная скрытая теплота конден­сации передается охлаждающей воде, которая соответственно подогревает­ся. Теплота ввиду низкого ее потенциала не используется. Подогретая в конденсаторе вода сбрасывается в тот же источник водоснабжения.

Если вблизи нет открытых источников водоснабжения, то около тепло­вой электростанции охлаждающую воду забирают из водопровода, а затем (после конденсатора) ее используют повторно. Для этого воду предвари­тельно охлаждают в специальном теплообменном аппарате башенного типа - градирне. В объеме градирни, через которую снизу вверх протекает атмо­сферный воздух, сверху разбрызгивается подогретая в конденсаторе вода, в результате чего происходит теплообмен между капельками воды и более холодным атмосферным воздухом. При этом процесс переноса теплоты со­провождается переносом вещества, т. е. осуществляется тепломассообмен.

Упрощенная схема тепловой электрической станции

Температура охлаждающей воды снижается в градирне как за счет пе­редачи теплоты воздуху при непосредственном контакте, так и за счет час­тичного ее испарения. В градирне практически весь объем представляет собой развитую поверхность тепломассообмена. При испарении воды воз­дух насыщается водяными парами и выбрасывается из градирни в атмосфе­ру. Потери воды, связанные с испарением, компенсируются добавлением водопроводной воды.

На тепловых электростанциях образовавшийся конденсат перед вхо­дом в котел последовательно проходит целый ряд теплообменников, где он подогревается до заданной температуры паром, специально отбираемым из различных ступеней турбины. Так, например, конденсат, образовавшийся в конденсаторе, предварительно подогревается в теплообменниках 19 паром, специально отбираемым из турбины. Конденсат из теплообменников 19 подается в колонку 23 из деаэратора 22. Туда же подпиточными насосами 29 по трубопроводу 31 подается добавочная вода, прошедшая химводоочи-стку в оборудовании 28 и испарительную установку 25, а также конденсат 32 из подогревателей высокого давления 33 и 34.

В испарительную установку пар поступает по трубопроводу 27. В ко­лонке деаэратора происходит подогрев смеси добавочной воды и конденса­та паром, отбираемым по трубопроводу 36 из турбины и прошедшим ре­дукционный клапан 24. Подогретая смесь скапливается в баке деаэратора 22, откуда питательным насосом 30 подается для подогрева в подогревате­ли высокого давления 35 и 34, в которые по трубопроводам 35 и 36 подает­ся пар из специальных отборов турбины. Окончательно подогретая вода направляется в котел. Этим заканчивается так называемый цикл конденса­ционной станции (КЭС).

Термический КПД КЭС даже при совершенной конструкции составля­ет 42% вследствие потери значительного количества теплоты в конденсато­ре (при конденсации пара). Стремление повысить КПД и соответственно получить экономию топлива привело в свое время к идее централизованно­го теплоснабжения. Для этого из турбины 4 специально отбирают пар дав­лением 0,2-0,3 МПа и направляют его по трубопроводам в два последова­тельно установленных теплофикационных подогревателя 16 и 17 для нагре­ва воды, циркулирующей в тепловых сетях. Циркуляция осуществляется сетевыми насосами 75. Конденсат из подогревателей 16 и 17 перекачивает­ся по трубопроводу в колонку 23 деаэратора 22. В подогревателе 17 сетевая вода нагревается до 120°С, а до заданной температуры, например, до 150°С, — в специальных пиковых котлах 13, имеющих рециркуляционный насос 11 на обводной магистрали.

Пиковые котлы включаются в работу периодически при повышенной тепловой нагрузке в периоды стояния низкой температуры t_H, т. е. когда температуру в подающей магистрали тепловой сети требуется поддержи­вать выше 120°С. При этом задвижка 12 на второй обводной магистрали должна быть закрыта. Охлажденная вода возвращается из тепловой сети по трубопроводу 10 и проходит грязевик 9.

Восполнение воды в тепловой сети производится насосом 18. Водо­проводная вода, предназначенная для подпитки системы теплоснабжения, после химической обработки (умягчения) насосом 26 подается на дегаза­цию в колонку 21, также являющуюся специальным теплообменным аппа­ратом, где подогревается паром, отбираемым из турбины. Подпиточный насос включается автоматически с помощью регулятора подпитки 14, со­единенного импульсными трубками с нагнетательным и всасывающим пат­рубками. Грязевик устанавливают перед бустерными насосами 8.

При комбинированной выработке тепловой и электрической энергии, что является главной особенностью теплофикации, используется теплота, выделяемая в подогревателях при конденсации пара, который предвари­тельно проходит турбину. Эта теплота на конденсационных электростанци­ях, как уже указывалось, теряется с охлаждающей водой.

Теплоэлектроцентраль имеет термический КПД около 80%. Замена пи­ковых подогревателей пиковыми котлами позволила отказаться от исполь­зования острого пара через редукционно-охладительную установку (РОУ) от станционных энергетических котлов, которые значительно дороже пико­вых, например, ПТВМ и др. Одновременно обеспечивается номинальная выработка электрической энергии.

Использование атомной энергии для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии в настоящее время приобретает актуальное значение. Проведенные исследования доказали техническую возмож­ность создания атомных теплоэлектроцентралей (АТЭЦ). Атомные станции при тепловой мощности 1700 МВт (1500 Гкал/ч) и выше становятся эконо­мичнее ТЭЦ [35], работающих на органическом топливе. АТЭЦ располага­ются независимо от топливной базы (масса ядерного топлива в десятки ты­сяч раз меньше массы органического на единицу выделенной теплоты), от­сутствуют вредные выбросы, загрязняющие окружающую среду. Однако они требуют разрешения ряда сложных специфических вопросов, связан­ных с обеспечением радиационной безопасности сетевой воды.

Создано несколько схем атомных станций, в которых предусмотрены соответствующие средства защиты сетевой воды от попадания радиоактив­ного пара.

При теплоснабжении от АТЭЦ при пиковой тепловой нагрузке могут быть использованы теплофикационные турбины с промышленным отбором пара или построены специальные пиковые котельные с водогрейными кот­лами, работающими на органическом топливе.