Система технологій теплових електростанцій

На теплових електростанціях (ТЕС) джерелом енергії є органічне паливо, насамперед вугілля, а також пальні сланці, нафтовий мазут, газ. В стадії промислового випробування знаходяться ТЕС, що працюють на значно дешевих від газу пиловугільному та водовугільному видах палива. Система технологій теплоенергетики складається з таких ланок (при роботі на вугіллі).

1. Видобуток вугілля (підземним або відкритим засобом).

2. Збагачення і підготовка до спалювання.

3. Спалювання вугілля й одержання пари високого тиску.

4. Конверсія теплової енергії пари послідовно в механічну енергію турбоелектрогенератора й електричну (в одному блоці турбо­електрогенератора).

Основне устаткування паротурбінних ТЕС:

1) котлоагрегат (паровий котел, пароперегрівник).

2) турбогенератор (парова турбіна, сполучена з електро­генератором).

Теплові електростанції, на яких у ролі приводу електрогенераторів застосовують так звані конденсаційні турбіни, називають конденсаційними електростанціями (КЕС).

Паротурбінні електростанції, що виробляють і відпускають споживачам одночасно 2 види енергії: електричну і тепло (одержуване в результаті часткового використання відпрацьованої пари), називають теплоелектроцентраллю (ТЕЦ).

При спалюванні палива в топці котлоагрегату 1 вода, що надходить до нього по трубах, перетворюється в пару. Під високим тиском пара подається в турбіну 2, де вона, діючи на лопаті ротора турбіни, призводить його до обертового руху. Ротор турбіни механічно пов’язаний із ротором електрогенератора 3, у трифазній статорній обмотці якого при обертанні виробляється електроенергія.

Пара, що відпрацювала в турбіні, подається трубопроводом в конденсатор 4, що є частиною турбоагрегату. Конденсатор являє собою теплообмінник для здійснення переходу води з пароподібного стану в рідке. Конденсація пари відбувається в результаті потрапляння пари в паропровід теплообмінника з більш низькою температурою, ніж температура насичення пари при даному тиску. Конденсація пари супроводжується виділенням тепла, яке відводиться від гарячого паропроводу за допомогою охолодженої води, що циркулює за допомогою циркуляційного насоса 5 через теплообмінник 4 і градирню 6.

Градирня – пустотіла споруда для охолодження води атмосфер­ним повітрям. Насос 7 подає воду усередину градирні, де вона розбризкується у виді фонтана. Охолодження відбувається в основному за рахунок випару води наскрізним повітряним потоком, що рухається знизу вгору.

На рис. 2.1 зображено спрощену технологічну систему ТЕС. Реальні агрегати конструктивно значно складніші.

u

Рис.2.1. Технологічна схема конденсаційної ТЕС:

1 – котлоагрегат, 2 – турбіна, 3 – електрогенератор,

4 – конденсатор, 5 – циркуляційний насос, 6 – градирня,

7 – насос градирні, 8 – конденсаційний насос 1-го ступеню,

9 – знесолююча установка; 10 – конденсаційний насос 2-го ступеню, 11 – підігрівник низького тиску;12 – деаератор;

13 – бустерний живильний насос; 14 – живильний насос;

15 – підігрівник високого тиску.

Перетворенню пари у воду, крім охолодження, сприяє вакуум, утворюваний у паропроводі теплообмінника конденсаційними насосами 1-го і 2-го ступенів (8 і 10). Далі вода через знесолюючу установку 9, підігрівники низького і високого тисків 11, 15 і деаератор 12 за допомогою бустерного 13 і живильного 14 насосів спрямовується в котлоагрегат для повторного використання.

Деаератор являє собою апарат для видалення з води розчинених у ній кисню і диоксиду вуглецю, що викликають корозію труб та іншого устаткування. За принципом дії деаератори бувають термічні, хімічні та інші.

Бустерний насос – це вакуумний насос, установлений між конденсаційними насосами з метою приведення у відповідність різних рівнів їхнього випускного тиску.

Таким чином утворюється замкнений пароводяний тракт: котлоагрегат – парова турбіна – конденсатор-котлоагрегат.

Підвищення тиску і температури пари перед турбінами і зниження кінцевої температури і тиску відпрацьованої пари збільшує коефіцієнт корисної дії (ККД) конденсаційної електростанції. При роботі КЕС практично вся енергія, надана парі при спалюванні палива, перетвориться в електричну. Частина виробленої електроенергії витрачається на забезпечення власних потреб електростанції (робота допоміжного устаткування, освітлення, вентиляція й ін.). Загальний ККД сучасних КЕС досягає 35-42%. Зазвичай КЕС працюють на місцевих твердих паливах, мазуті та природному газі.

Конденсаційні електростанції є основним типом потужних теплових електростанцій.

Теплові конденсаційні електростанції часто називають ДРЕС, тобто державні районні електростанції. Але зараз ця назва застаріла і не відповідає дійсності. Раніш, коли не було енергосистем, кожна ТЕС забезпечувала споживачів у межах того району, де сама розміщувалась. В даний час за наявності єдиних енергосистем країни слово “районна” втратило сенс.

ТЕЦ обладнують переважно теплофікаційними турбінами, тобто турбінами без конденсатора. В таких турбінах тиск на виході останнього ступеню вище атмосферного. Пара, що відпрацювала в турбіні, або подається в теплофікаційну мережу, або направляється в спеці­альні водонагрівники, де віддає тепло воді, що йде на обігрівання житла, забезпечення комунально-побутових потреб у гарячій воді і технологічних потреб промислових підприємств.

Комбіноване виробництво електроенергії і тепла сприяє ефек­тивнішому використанню палива в порівнянні з роздільним виробітком електроенергії на КЕС і тепла в місцевих котельнях. Крім того, місцеві котельні не завжди раціонально використовують паливо, забруд­нюють атмосферу викидами продуктів згорання і тим самим погір­шують навколишнє середовище населених пунктів. Такі міста як Київ і Харків для тепло- і електропостачання використовують декілька ТЕЦ.

Приклад.Щоб усвідомити екологічну проблему ТЕС, варто проаналізувати кількісні характеристики відходів у ланцюзі потоку енергії від видобутку вугілля до одержання електроенергії.

Але розрахунки зручніше робити, задаючись потужністю електрогенератора і по черзі переходити до попередньої стадії конверсії.

Тому, якщо потужність достатньо великого турбогенератора складає 1000 МДж/с, коефіцієнт корисної дії конверсії механічної енергії парової турбіни в електричну – 0.95, а енергії пари в механічну – 0.37, то коефіцієнт конверсії хімічної енергії вугілля в теплову енергію пари і далі в електричну буде дорівнювати добуткові:

η = 0,95 × 0,37 = 0,36.

Якщо питома теплота горіння якісного кам’яного вугілля становить біля 28 МДж/кг, то щомиті потрібно спалювати

P

q = ,

η · Q

де P – потужність турбогенератора, МДж;

η – коефіцієнт корисної дії;

Q – питома теплота горіння, МДж/с;

1000 МДж

q = = 98,2 кг .

0,36 × 28 МДж × кг^-1

Тобто 98,2 кг вугілля, що спалюється за 1с, еквівалентні
1000 МДж, тобто потужності у 1000 МВт.

На ТЕС сумарні річні викиди шкідливих речовин, в які входять оксиди сірки, азоту, вуглецю, альдегіди і пилюка золи на 1000 МВт встановленої потужності складають орієнтовно від 1300т на газових до 165000т на пиловугільних.

Впровадження в експлуатацію на Старобешевській ТЕС котла з циркуляційним киплячим спалюванням пиловугільного палива позволило вдвоє знизити собівартість електроенергії, питомі викиди золи – в 20 раз, SO₂ – в 11 раз, окислів азоту – в 3,3 рази, виключити викиди CO.

У атмосфері оксиди сірки й азоту утворюють із парами води відповідні кислоти, що згубно діють на рослинність і фауну водойм. Крім того великий питомий (на одиницю виробленої електроенергії) викид радіоактивних речовин дає ТЕС, що працює на вугіллі. У вугіллі завжди містяться природні радіоактивні речовини, при спалюванні вугілля вони практично повністю потрапляю у навколишнє середовище.