Тема 4. Тепловые электрические станции

4.1. Технологическая схема преобразования энергии на ТЭС

Сегодня основным производителем электрической энергии являются тепловые электрические станции, на которых в России вырабатывается более 60 % электроэнергии. При этом на ТЭС используется органическое топлива: природный и попутный газ, каменный и бурый уголь, мазут и продукты нефтепереработки и другие виды топлива. На паротурбинных электростанциях роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми турбинами, в которых тепловая энергия пара преобразуется в кинетическую, передаваемую ротору турбины. Таким образом, водяной пар является рабочим телом паротурбинной электростанции. Пар необходимых параметров вырабатывается в котле за счёт теплоты, выделяющейся при сгорании органического топлива.

Необходимо подчеркнуть, что если механическая, электрическая, химическая и другие виды энергии могут полностью превращаться в теплоту, то теплота не может быть полностью превращена в механическую и другие виды энергии, часть её неизбежно должна быть передана холодному источнику.

Преобразование теплоты в механическую работу возможно лишь при наличии разности температур между источником теплоты (горячим источником) и окружающей средой (холодным источником). Рабочее тело (газ или пар) должно совершить между этими источниками круговой процесс (термодинамический цикл), в результате которого оно вновь вернётся в первоначальное состояние.

Тепловые электрические станции работают по термодинамическому циклу, который был предложен шотландским инженером-физиком У. Ренкиным и называется его именем. Цикл Ренкина в р и v координатах изображён на рис. 3. Здесь р –давление, а v–объем.

Рис. 3. Цикл Ренкина на перегретом паре

На тепловых электростанциях для повышения термического КПД цикла Ренкина применяют перегрев пара в специальном элементе котла – пароперегревателе до температуры, превышающей температуру насыщения при данном давлении. Схема установки, в которой реализован этот цикл, показана на рис. 4.

Отработавший пар в конденсаторе полностью конденсируется по изобаре до точки A. Затем вода сжимается адиабатно насосом от давления p₂ до p₁ и поступает в котёл (точка В), где к ней в изобарном процессе подводится теплота Q₁ и вода нагревается до кипения, а затем происходит процесс парообразования и перегрева (точка С). Острый пар поступает далее в турбину, где расширяясь производит полезную работу (точка D).

Рис. 4. Схема тепловой установки, в которой осуществляется цикл

Ренкина на перегретом паре:

1–котел, 2–пароперегреватель, 3–паровая турбина, 4– синхронный генератор,

5– конденсатор, 6–питательный насос.

Конденсация пара происходит путем отвода тепла Q₂ с циркуляционной водой, в большом количестве пропускаемой через конденсатор. Разность теплоты, полученной от горячего источника Q₁, и переданной холодному источнику Q₂ определяет полезную работу цикла. Отношение количества теплоты, превращенной в работу, к подведенной теплоте называют термическим КПД цикла η_т

.

Преобразование теплоты в работу неразрывно связано с процессами теплообмена. Теплообмен осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

При теплопроводности перенос теплоты происходит за счет соударений и диффузии частиц тел, а также квантов упругих колебаний их кристаллических решеток, при макроскопической неподжиности массы вещества. В наиболее чистом виде теплопроводность можно наблюдать в твердых телах и тонких неподвижных слоях жидкости и газа. В металлах и полупроводниках теплообмен осуществляется за счет соударений и диффузии свободных электронов, а также упругих колебаний кристаллической решетки.

Под конвекцией теплоты понимают процесс передачи ее из одной части пространства в другую перемещающимися макроскопическими объемами жидкости или газа. Движение вызывается неравномерностью нагретой среды.

При теплообмене излучением тела не соприкасаются друг с другом и перенос теплоты между ними при наличии разности температур осуществляется при помощи электромагнитной энергии.

В природе и технике перечисленные выше элементарные процессы теплообмена не обособлены, в чистом виде встречаются редко и обычно происходят совместно.

Сложный теплообмен, всегда имеющий место в реальных условиях, называется теплопередачей. Примером может служить теплообмен между топочными газами в паровом котел и водой, движущейся по трубам, расположенным в топке и газоходах. Передача теплоты от факела горящего топлива к наружным поверхностям труб осуществляется тепловым излучением, от горячих газов к этим поверхностям – конвективной теплоотдачей, через стенки труб – теплопроводностью, а от внутренних стенок к воде – конвективной теплоотдачей.

4.2. Основное оборудование блока ТЭС

В состав тепловой электростанции входят: топливное хозяйство и система подготовки топлива к сжиганию; котельная установка – совокупность котла и вспомогательного оборудования; турбинная установка – совокупность турбины и вспомогательного оборудования; установка водоподготовки и конденсатоочистки; система технического водоснабжения, система золошлакоудаления; электротехническое хозяйство; система управления энергооборудованием.

Необходимый для горения топлива воздух подаётся в котёл дутьевыми вентиляторами. Продукты сгорания топлива – дымовые газы – отсасываются дымососами и отводятся через дымовые трубы в атмосферу. Совокупность каналов (воздуховодов и газоходов) и различных элементов оборудования, по которым проходят воздух и дымовые газы, образуют газовоздушный тракт тепловой электростанции.

В зоне горения топлива входящие в его состав негорючие (минеральные) примеси претерпевают физико-химические превращения и удаляются из котла частично в виде шлака, а значительная их часть уносится дымовыми газами в виде мелких частиц золы. Для защиты атмосферного воздуха от выбросов золы перед дымососами (для предотвращения их золового износа) устанавливаются золоуловители.

Шлак и уловленная зола удаляются обычно гидравлическим способом за пределы территории электростанции на золоотвалы.

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

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

Топливо в том виде, в каком оно поступает на станцию, называют рабочим. Основной горючий элемент топлива – углерод, составляющий большую часть рабочей массы (50–75 % для твёрдых топлив и 83–85 % для мазутов). Количество водорода в твёрдых топливах невелико (2–6 %), в мазуте несколько больше (около 10 %). Сера несмотря на малое содержание её в топливе является вредной примесью. Образующиеся при её сгорании соединения с кислородом - оксиды вызывают коррозию оборудования и оказывают вредное влияние на окружающую среду.

Паровые котлы и паровые турбины являются основными агрегатами тепловой части электростанции.

Паровой котёл – это устройство, имеющее систему поверхностей нагрева для получения пара из непрерывно поступающей в него питательной воды путём использования теплоты, выделяющейся при сгорании органического топлива.

4.3. Повышение КПД ТЭС

Одной из важнейших проблем современных ТЭС является низкий КПД, составляющий всего 30,...,35 %. Наибольшие потери связаны с уносом тепла с охлаждающей водой.

Для повышения КПД используется технологическая схема комбинированного производства электроэнергии и тепла, отпускаемого потребителям для производственных нужд или для теплофикации и горячего водоснабжения. С этой целью в турбинах производится отбор пара необходимых параметров после соответствующих ступеней. При этом через конденсатор проходит гораздо меньше пара, что позволяет повысить КПД до 60,…,65 %. Электростанции такого типа называют ТЭЦ (тепло-электро-централь).

Повышение КПД может быть достигнуто и за счет подъема параметров острого пара – то есть повышение его давления и температуры. Однако, для этого потребуется металл с более высокими показателями прочности.

4.4. Проблемы экологии ТЭС

Технология производства электроэнергии на тепловых электрических станциях является многоотходной. Наряду с черной и цветной металлургией, а также транспортом ТЭС являются основными загрязнителями окружающей среды. Они оказывают вредное влияние на атмосферу, гидросферу и литосферу, расходуют в процессе сжигания топлива огромное количество кислорода.

Атмосфера страдает от выбросов через трубы продуктов сгорания топлива. В них содержатся твердые частицы золы и несгоревшего твердого топлива, углекислый газ СО₂, оксиды серы SО_x и азота NО_x . Как показывают измерения концентрация СО₂ в атмосфере постепенно растет, что является одной из причин повышения температуры поверхности Земли. Выбросы оксидов азота даже в малых концентрациях раздражают органы дыхания, образуют удушливые смоги, приводят к коррозии оборудования. Оксиды серы вредно влияют на растения, особенно хвойных пород. При вымывании из атмосферы дождями из оксидов образуются кислоты, которые осаждаются в почве или попадают в мировой океан.

Среди продуктов сгорания содержатся и различные концерогены, провоцирующие серьезные заболевания, а также радиактивные частицы.

Гидросфера подвергается образованию кислот и, главным образом, температурному воздействию, меняющему естественный режим водоемов, что часто приводит к прогрессирующему росту водорослей и заболачиванию.

Литосфера страдает от оседающих твердых выбросов, кислотных дождей и шлаковых отвалов, соседствующих с ТЭС, которые работают на твердом топливе.

Для защиты окружающей среды на ТЭС применяются различные решения, требующие значительных затрат.

· Обогащение топлива, снижающее зольность и содержание серы.

· Поставка основного оборудования совместно с природоохранным.

· Применение фильтров (механических, электрических и тканевых) для очистки дымовых газов от твердых частиц.

· Подавление образования оксидов азота путем регулирования процесса горения с помощью специальных горелок и рециркуляции дымовых газов.

· Снижение выбросов оксидов серы мокрым или сухим известковым методом.

· Использование шлака как сырья для производства строительных материалов и дорожных покрытий.