Принцип работы и основные энергетические характеристики тепловых электростанций

Электроэнергию на электростанциях производят за счет использования энергии, скрытой в различных природных ресурсах (уголь, газ, нефть, мазут, уран и др.), по достаточно простому принципу, реализовывая технологию преобразования энергии. Общая схема ТЭС (см. рис. 1.1) отражает последовательность такого преобразования одних видов энергии в другие и использования рабочего тела (вода, пар) в цикле тепловой электростанции. Топливо (в данном случае уголь) сгорает в котле, нагревает воду и превращает ее в пар. Пар подается в турбины, преобразующие тепловую энергию пара в механическую энергию и приводящие в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию (см. раздел 4.1).

Современная тепловая электростанция – это сложное предприятие, включающее большое количество различного оборудования. Состав оборудования электростанции зависит от выбранной тепловой схемы, вида используемого топлива и типа системы водоснабжения.

Рис. 1.5. Суточные графики электрической нагрузки: а – промышленный; б – осветительно-бытовой; в – суммарный (– зима, - - - лето)

Основное оборудование электростанции включает: котельные и турбинные агрегаты с электрическим генератором и конденсатором. Эти агрегаты стандартизованы по мощности, параметрам пара, производительности, напряжению и силе тока и т.д. Тип и количество основного оборудования тепловой электростанции соответствуют заданной мощности и предусмотренному режиму её работы. Существует и вспомогательное оборудование, служащее для отпуска теплоты потребителям и использования пара турбины для подогрева питательной воды котлов и обеспечения собственных нужд электростанции. К нему относится оборудование систем топливоснабжения, деаэрационно-питательной установки, конденсационной установки, теплофикационной установки (для ТЭЦ), систем технического водоснабжения, маслоснабжения, регенеративного подогрева питательной воды, химводоподготовки, распределения и передачи электроэнергии (см. раздел 4).

На всех паротурбинных установках применяется регенеративный подогрев питательной воды, существенно повышающий тепловую и общую экономичность электростанции, поскольку в схемах с регенеративным подогревом потоки пара, отводимые из турбины в регенеративные подогреватели, совершают работу без потерь в холодном источнике (конденсаторе). При этом для одной и той же электрической мощности турбогенератора расход пара в конденсаторе снижается и в результате к.п.д. установки растет.

Тип применяемого парового котла (см. раздел 2) зависит от вида топлива, используемого на электростанции. Для наиболее распространённых топлив (ископаемые угли, газ, мазут, фрезторф) применяются котлы с П-, Т-образной и башенной компоновкой и топочной камерой, разработанной применительно к тому или иному виду топлива. Для топлив с легкоплавкой золой используются котлы с жидким шлакоудалением. При этом достигается высокое (до 90%) улавливание золы в топке и снижается абразивный износ поверхностей нагрева. Из этих же соображений для высокозольных топлив, таких как сланцы и отходы углеобогащения, применяются паровые котлы с четырехходовой компоновкой. На тепловых электростанциях используются, как правило, котлы барабанной или прямоточной конструкции.

Турбины и электрогенераторы согласуются по шкале мощности. Каждой турбине соответствует определенный тип генератора. Для блочных тепловых конденсационных электростанций мощность турбин соответствует мощности блоков, а число блоков определяется заданной мощностью электростанции. В современных блоках используются конденсационные турбины мощностью 150, 200, 300, 500, 800 и 1200 МВт с промежуточным перегревом пара.

На ТЭЦ применяются турбины (см. подраздел 4.2) с противодавлением (типа Р), с конденсацией и производственным отбором пара (типа П), с конденсацией и одним или двумя теплофикационными отборами (типа Т), а также с конденсацией, промышленным и теплофикационными отборами пара (типа ПТ). Турбины типа ПТ также могут иметь один или два теплофикационных отбора. Выбор типа турбины зависит от величины и соотношения тепловых нагрузок. Если преобладает отопительная нагрузка, то в дополнение к турбинам ПТ могут быть установлены турбины типа Т с теплофикационными отборами, а при преобладании промышленной нагрузки – турбины типов ПР и Р с промышленным отбором и противодавлением.

В настоящее время на ТЭЦ наибольшее распространение имеют установки электрической мощностью 100 и 50 МВт, работающие на начальных параметрах 12,7 МПа, 540–560°С. Для ТЭЦ крупных городов созданы установки электрической мощностью 175–185 МВт и 250 МВт (с турбиной Т-250-240). Установки с турбинами Т-250-240 являются блочными и работают при сверхкритических начальных параметрах (23,5 МПа, 540/540°С).

Особенностью работы электрических станций в сети является то, что общее количество электрической энергии, вырабатываемой ими в каждый момент времени, должно полностью соответствовать потребляемой энергии. Основная часть электрических станций работает параллельно в объединенной энергетической системе, покрывая общую электрическую нагрузку системы, а ТЭЦ одновременно и тепловую нагрузку своего района. Есть электростанции местного значения, предназначенные для обслуживания района и не подсоединенные к общей энергосистеме.

Рис. 1.6. График годовой электрической нагрузки по продолжительности: І – базовая нагрузка; ІІ – промежуточная нагрузка; ІІІ – пиковая нагрузка

Графическое изображение зависимости электропотребления во времени называютграфиком электрической нагрузки. Суточные графики электрической нагрузки (рис.1.5) меняются в зависимости от времени года, дня недели и характеризуются обычно минимальной нагрузкой в ночной период и максимальной нагрузкой в часы пик (пиковая часть графика). Наряду с суточными графиками большое значение имеют годовые графики электрической нагрузки (рис. 1.6), которые строятся по данным суточных графиков.

Графики электрических нагрузок используются при планировании электрических нагрузок электростанций и систем, распределении нагрузок между отдельными электростанциями и агрегатами, в расчетах по выбору состава рабочего и резервного оборудования, определении требуемой установленной мощности и необходимого резерва, числа и единичной мощности агрегатов, при разработке планов ремонта оборудования и определении ремонтного резерва и др.

При работе с полной нагрузкой оборудование электростанции развивает номинальную или максимально длительную мощность (производительность), которая является основной паспортной характеристикой агрегата. На этой наибольшей мощности (производительности) агрегат должен длительно работать при номинальных значениях основных параметров. Одной из основных характеристик электростанции является ее установленная мощность, которая определяется как сумма номинальных мощностей всех электрогенераторов и теплофикационного оборудования с учетом резерва.

Рис. 1.7. График суточной тепловой нагрузки предприятий (– зима, - - - - лето)

Работа электростанции характеризуется также числом часов использования установленной мощности, которое зависит от того, в каком режиме работает электростанция. Для электростанций, несущих базовую нагрузку, число часов использования установленной мощности составляет 6000–7500 ч/год, а для работающих в режиме покрытия пиковых нагрузок – менее 2000–3000 ч/год.

Нагрузку, при которой агрегат работает с наибольшим к.п.д., называют экономической нагрузкой. Номинальная длительная нагрузка может быть равна экономической. Иногда возможна кратковременная работа оборудования с нагрузкой на 10–20% выше номинальной при более низком к.п.д. Если оборудование электростанции устойчиво работает с расчетной нагрузкой при номинальных значениях основных параметров или при изменении их в допустимых пределах, то такой режим называется стационарным.

Рис. 1.8. Суммарный годовой график тепловой нагрузки по продолжительности: І – отопительный период; ІІ – летний период

Режимы работы с установившимися нагрузками, но отличающимися от расчетных, или с неустановившимися нагрузками называют нестационарными или переменными режимами. При переменных режимах одни параметры остаются неизменными и имеют номинальные значения, другие – изменяются в определенных допустимых пределах. Так, при частичной нагрузке блока давление и температура пара перед турбиной могут оставаться номинальными, в то время как вакуум в конденсаторе и параметры пара в отборах изменятся пропорционально нагрузке. Возможны также нестационарные режимы, когда изменяются все основные параметры. Такие режимы имеют место, например, при пуске и остановке оборудования, сбросе и набросе нагрузки на турбогенераторе, при работе на скользящих параметрах и называются нестационарными.

Тепловая нагрузка электростанции используется для технологических процессов и промышленных установок, для отопления и вентиляции производственных, жилых и общественных зданий, кондиционирования воздуха и бытовых нужд. Для производственных целей обычно требуется пар давлением от 0,15 до 1,6 МПа. Однако, чтобы уменьшить потери при транспортировке и избежать необходимости непрерывного дренирования воды из коммуникаций, с электростанции пар отпускают несколько перегретым. На отопление, вентиляцию и бытовые нужды ТЭЦ подает обычно горячую воду с температурой от 70 до 180°С.

Тепловая нагрузка, определяемая расходом тепла на производственные процессы и бытовые нужды (горячее водоснабжение), зависит от наружной температуры воздуха. В условиях Украины летом эта нагрузка (так же как и электрическая) меньше зимней. Промышленная и бытовая тепловые нагрузки изменяются в течение суток, кроме того, среднесуточная тепловая нагрузка электростанции, расходуемая на бытовые нужды, меняется в рабочие и выходные дни. Типичные графики изменения суточной тепловой нагрузки промышленных предприятий и горячего водоснабжения жилого района приведены на рис 1.7 и 1.8.

Рис. 1.9. Тепловой баланс: а) – теплоэлектроцентрали ТЭЦ; б) – конденсационной электростанции КЭС

Эффективность работы ТЭС характеризуется различными технико-экономическими показателями, одни из которых оценивают совершенство тепловых процессов (к.п.д., расходы теплоты и топлива), а другие характеризуют условия, в которых работает ТЭС. Например, на рис. 1.9 (а,б) приведены примерные тепловые балансы ТЭЦ и КЭС.

Как видно из рисунков, комбинированная выработка электрической и тепловой энергии обеспечивает значительное повышение тепловой экономичности электростанций благодаря уменьшению потерь теплоты в конденсаторах турбин.

Наиболее важными и полными показателями работы ТЭС являются себестоимости электроэнергии и теплоты.

Тепловые электростанции имеют как преимущества, так и недостатки в сравнении с другими типами электростанций. Можно указать следующие достоинства ТЭС:

• относительно свободное территориальное размещение, связанное с широким распространением топливных ресурсов;
• способность (в отличие от ГЭС) вырабатывать энергию без сезонных колебаний мощности;
• площади отчуждения и вывода из хозяйственного оборота земли под сооружение и эксплуатацию ТЭС, как правило, значительно меньше, чем это необходимо для АЭС и ГЭС;
• ТЭС сооружаются гораздо быстрее, чем ГЭС или АЭС, а их удельная стоимость на единицу установленной мощности ниже по сравнению с АЭС.
• В то же время ТЭС обладают крупными недостатками:
• для эксплуатации ТЭС обычно требуется гораздо больше персонала, чем для ГЭС, что связано с обслуживанием весьма масштабного по объему топливного цикла;
• работа ТЭС зависит от поставок топливных ресурсов (уголь, мазут, газ, торф, горючие сланцы);
• переменность режимов работы ТЭС снижают эффективность, повышают расход топлива и приводят к повышенному износу оборудования;
• существующие ТЭС характеризуются относительно низким к.п.д. (в основном до 40%);
• ТЭС оказывают прямое и неблагоприятное воздействие на окружающую среду и не являются эколигически «чистыми» источниками электроэнергии.
• Наибольший ущерб экологии окружающих регионов приносят электростанции, работающие на угле, особенно высокозольном. Среди ТЭС наиболее «чистыми» являются станции, использующие в своем технологическом процессе природный газ.

По оценкам экспертов, ТЭС всего мира выбрасывают в атмосферу ежегодно около 200–250 млн. тонн золы, более 60 млн. тонн сернистого ангидрида, большое количество оксидов азота и углекислого газа (вызывающего так называемый парниковый эффект и приводящего к долгосрочным глобальным климатическим изменениям), поглощая большое количество кислорода. Кроме того, к настоящему времени установлено, что избыточный радиационный фон вокруг тепловых электростанций, работающих на угле, в среднем в мире в 100 раз выше, чем вблизи АЭС такой же мощности (уголь в качестве микропримесей почти всегда содержит уран, торий и радиоактивный изотоп углерода). Тем не менее, хорошо отработанные технологии строительства, оборудования и эксплуатации ТЭС, а также меньшая стоимость их сооружения приводят к тому, что на ТЭС приходится основная часть мирового производства электроэнергии. По этой причине совершенствованию технологий ТЭС и снижению отрицательного влияния их на окружающую среду во всем мире уделяется большое внимание (см. раздел 6).

Луганская ТЭС

2.1. Общие сведения, классификация паровых и водогрейных котлов

Котел – это устройство, предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного или горячей воды за счет тепла, выделяемого при сжигании топлива. Основными элементами котла являются топка и теплообменные поверхности. Специальное устройство котла, в котором происходит сжигание топлива, называется топкой или топочной камерой. Некоторые типы котлов, например котлы-утилизаторы, не имеют топки. В этом случае получение пара или подогрев воды осуществляются за счет теплоты горячих газов, образующихся при каком-либо технологическом процессе. Газовый тракт котла, т.е. та часть котла, по которой движутся продукты сгорания, разделен на отдельные газоходы. Взаимное расположение газоходов, определяющее траекторию движения продуктов сгорания и расположение поверхностей нагрева, называется компоновкой. Наиболее распространенными в настоящее время являются П-образная, Т-образная и башенная компоновки. Можно выделить и конвективные газоходы, по которым движутся уже относительно холодные газы.

В котел подается вода, которая называется питательной. Питательная вода в котле нагревается, а затем превращается в насыщенный или перегретый пар требуемых параметров. Под параметрами пара подразумеваются его давление и температура. Основным потребителем водяного пара, вырабатываемого в котельных установках, являются паросиловые установки, а также он может использоваться для технологических нужд.

Преобразование питательной воды в пар происходит в поверхностях нагрева котла. К поверхностям нагрева котла относятся испарительные, пароперегревательные и экономайзерные поверхности. Испарительные поверхности нагрева обычно располагаются в топке котла или непосредственно за ней. В них вода нагревается до температуры насыщения и образуется так называемая пароводяная смесь. Пароперегреватели предназначены для получения перегретого пара.

Барабан котла

Они располагаются за топочной камерой. Экономайзерные поверхности нагрева предназначены для предварительного подогрева питательной воды за счет теплоты уходящих из котла продуктов сгорания. Теплообменные поверхности котла конструктивно могут разделяться на отдельные секции или «пакеты».

К основным элементам котла относятся также барабаны, воздухоподогреватели, горелочные устройства, устройства для регулирования температуры перегрева пара. Барабаны котлов предназначены для отделения насыщенного пара от воды, удаления из него избыточной влаги, а также как устройство, в котором аккумулируется количество воды, необходимое для надежной работы котла. Воздухоподогреватели котла – это поверхности нагрева, в которых происходит предварительный подогрев воздуха, поступающего в топку и необходимого для сжигания топлива. Горелочные устройства – это устройства для сжигания топлива в топке котла. Горелочные устройства современных котлов в первую очередь обеспечивают наиболее эффективное сгорание топлива с точки зрения химических процессов и снижение количества вредных веществ, образующихся в процессе горения и выбрасываемых в атмосферу. К устройствам регулирования температуры перегрева пара относятся теплообменники различных типов и впрыскивающие пароохладители.

Для обеспечения работы современные котлы оснащаются в спомогательным оборудованием, к которому относятся дутьевые вентиляторы, дымососы, золоулавливающее оборудование, оборудование по подготовке топлива и т.п. Совокупность котла и вспомогательного оборудования называется котельной установкой.

Одним из важных элементов котла является каркас, предназначенный для размещения и крепления всех его элементов. Он изготавливается из металлоконструкций и опирается на фундамент или элементы здания.

Для обеспечения безопасности работы персонала, а также для снижения потерь теплоты в окружающую среду на котле предусмотрена обмуровка и тепловая изоляция.

Котлы классифицируются по назначению, паропроизводительности, параметрам пара, типу топочного устройства, способу организации взаимного движения продуктов сгорания и рабочей среды, способу организации движения рабочей среды в поверхностях нагрева и виду сжигаемого органического топлива.

По назначению котлы подразделяются на паровые, вырабатывающие водяной пар требуемых параметров, водогрейные, котлыутилизаторы и энерготехнологические котлы. Они предназначаются для энергетических, производственных, отопительнопроизводственных и отопительных котельных установок.

По паропроизводительности котлы подразделяются на котлы малой производительности, котлы средней производительности, энергетические котлы и котлы большой паропроизводительности энергоблоков ТЭС.

Сборка блоков конвективного перегревателя

По параметрам пара паровые котлы подразделяются на котлы, работающие на низком (0,88 МПа), среднем (1,36, 2,36 и 3,9 МПа), высоком (9,8 и 13,8 МПа), критическом (16 МПа), сверхкритическом (24 МПа) давлении. Достижения современной науки и техники в области получения новых конструкционных материалов и сталей позволили создать новые типы паровых котлов, работающих на суперсверхкритическом давлении (до 30 и более МПа).

Паровые котлы малой паропроизводительности (до 20 т/ч) выпускаются на низкое и среднее давление пара. Они получили значительное распространение и широко используются для технологических и хозяйственных нужд, входят в состав стационарных и передвижных котельно-отопительных установок.

Котлы средней производительности (до 100 т/ч) – это, как правило, котлы среднего давления с умеренной температурой перегретого пара (425–450°С) – широко используются в качестве источника технологического пара на промышленных предприятиях.

Энергетические паровые котлы выпускаются на среднее и высокое давление пара и имеют паропроизводительность от 100 до 640 т/ч. Эти котлы устанавливаются на небольших теплоэлектроцентралях и промышленных предприятиях и предназначаются для выработки электроэнергии, получения водяного пара или горячей воды для технологических нужд и нужд отопления.

Котлы энергоблоков ТЭС (КЭС и ТЭЦ) имеют паропроизводительность до 3600 т/ч и выпускаются на среднее, высокое, сверхкритическое и суперсверхкритическое давление пара. Они предназначены для обеспечения выработки электроэнергии и теплофикации населенных пунктов.

По типу топочного устройства можно выделить котлы, оснащенные слоевой топкой, камерной топкой, циклонной топкой, вихревой топкой, топкой с кипящим слоем, специальными топками для сжигания специфических видов топлива. Котлы, оснащенные вихревыми топками и топками с кипящим слоем, в последнее время имеют множество модификаций и получают все более широкое распространение. Их преимущество перед котлами с камерными топками состоит в том, что они могут сжигать твердое топливо ухудшенного качества и широкую гамму промышленных и бытовых отходов. При этом для них не требуются системы пылеприготовления. Они имеют меньшую металлоемкость и более высокие экологические показатели.

По способу организации взаимного движения продуктов сгорания и рабочей среды котлы подразделяются на газотрубные и водотрубные. Водотрубные котлы в свою очередь выпускаются нескольких модификаций: барабанные с естественной циркуляцией, сепарационные (безбарабанные) с многократной принудительной циркуляцией и прямоточные котлы. В котлах с естественной циркуляцией циркуляция воды осуществляется за счет разностей ее плотности; для обеспечения принудительной циркуляции используются циркуляционные насосы, а движение среды в прямоточных котлах осуществляется за счет напора, развиваемого питательным насосом.

Развитие типов водотрубных котлов показано на рисунке 2.1.

Отличительной чертой водотрубных барабанных котлов является наличие одного или нескольких барабанов с фиксированной границей раздела между паром и водой.

Важным шагом в развитии конструкций паровых котлов явилось изобретение прямоточных котлов (рис. 2.1, д). Прямоточное движение рабочей среды в паровых котлах предложено в конце XIX века русскими инженерами, в том числе Д.И. Артемьевым, который в 1893 году создал судовой прямоточный котел.

Прямоточные котлы не имеют барабана, в них вода, а затем пароводяная смесь и пар (называемые вместе рабочей средой) последовательно проходят все поверхности нагрева котла. В отличие от барабанного типа прямоточные котлы могут работать и при сверхкритическом давлении рабочей среды.

По типу тяги в газовоздушном тракте паровые котлы разделяются на котлы с уравновешенной тягой и наддувом. В котлах с уравновешенной тягой движение продуктов сгорания по газовоздушному тракту принудительное и осуществляется за счет совместной работы дымососа и дутьевого вентилятора. В котлах с наддувом сопротивление газового тракта в основном преодолевается работой компрессора.

Рис. 2.1. Развитие типов водотрубных котлов: а – цилиндрический; б – камерный горизонтально-водотрубный; в – двухбарабанный вертикальноводотрубный; г – однобарабанный факельный вертикально-водотрубный; д – прямоточный; 1 – топка; 2 – барабан-сепаратор; 3 – нижний барабан; 4 – выход пара; 5 – раздающая водяная камера; 5' – коллектор; 6 – трубы котельных пучков; 6' – трубы настенных экранов; 7 – экономайзер; 8 – пароперегреватель; 8' – настенный ленточный перегреватель; 9 – воздухоподогреватель; 10 – колосниковая решетка; 11 – горелка; 12 – вход воды в котел

По виду сжигаемого органического топлива паровые котлы разделяются на котлы, сжигающие твердое, жидкое, газообразное топливо, а также бытовые отходы, дрова, биомассу.

Для маркирования паровых котлов приняты такие обозначения: П – прямоточный; Е – котел с естественной циркуляцией; Пр – котел с принудительной циркуляцией и т д. Например, типоразмер Е-420-140ГМ означает: паровой котел с естественной циркуляцией для сжигания газа и мазута паропроизводительностью 420 т/ч с давлением 140 кгс/см 2 (14 МПа).

2.2. Органическое топливо и типы топочных устройств для его сжигания