Тепловые электростанции тэс. Устройство тепловой электрической станции

Принцип работы теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) основан на уникальном свойстве водяного пара – быть теплоносителем. В разогретом состоянии, находясь под давлением, он превращается в мощный источник энергии, приводящий в движение турбины теплоэлектростанций (ТЭС) — наследие такой уже далекой эпохи пара.

Первая тепловая электростанция была построена в Нью-Йорке на Перл-Стрит (Манхэттен) в 1882 году. Родиной первой российской тепловой станции, спустя год, стал Санкт-Петербург. Как это ни странно, но даже в наш век высоких технологий ТЭС так и не нашлось полноценной замены: их доля в мировой энергетике составляет более 60 %.

И этому есть простое объяснение, в котором заключены достоинства и недостатки тепловой энергетики. Ее «кровь» — органическое топливо – уголь, мазут, горючие сланцы, торф и природный газ по-прежнему относительно доступны, а их запасы достаточно велики.

Большим минусом является то, что продукты сжигания топлива причиняют серьезный вред окружающей среде. Да и природная кладовая однажды окончательно истощится, и тысячи ТЭС превратятся в ржавеющие «памятники» нашей цивилизации.

Принцип работы

Для начала стоит определиться с терминами «ТЭЦ» и «ТЭС». Говоря понятным языком – они родные сестры. «Чистая» теплоэлектростанция – ТЭС рассчитана исключительно на производство электроэнергии. Ее другое название «конденсационная электростанция» – КЭС.

Теплоэлектроцентраль – ТЭЦ — разновидность ТЭС. Она, помимо генерации электроэнергии, осуществляет подачу горячей воды в центральную систему отопления и для бытовых нужд.

Схема работы ТЭЦ достаточно проста. В топку одновременно поступают топливо и разогретый воздух — окислитель. Наиболее распространенное топливо на российских ТЭЦ – измельченный уголь. Тепло от сгорания угольной пыли превращает воду, поступающую в котел в пар, который затем под давлением подается на паровую турбину. Мощный поток пара заставляет ее вращаться, приводя в движение ротор генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую.

Далее пар, уже значительно утративший свои первоначальные показатели – температуру и давление – попадает в конденсатор, где после холодного «водяного душа» он опять становится водой. Затем конденсатный насос перекачивает ее в регенеративные нагреватели и далее — в деаэратор. Там вода освобождается от газов – кислорода и СО 2 , которые могут вызвать коррозию. После этого вода вновь подогревается от пара и подается обратно в котел.

Теплоснабжение

Вторая, не менее важная функция ТЭЦ – обеспечение горячей водой (паром), предназначенной для систем центрального отопления близлежащих населенных пунктов и бытового использования. В специальных подогревателях холодная вода нагревается до 70 градусов летом и 120 градусов зимой, после чего сетевыми насосами подается в общую камеру смешивания и далее по системе тепломагистралей поступает к потребителям. Запасы воды на ТЭЦ постоянно пополняются.

Как работают ТЭС на газе

По сравнению с угольными ТЭЦ, ТЭС, где установлены газотурбинные установки, намного более компактны и экологичны. Достаточно сказать, что такой станции не нужен паровой котел. Газотурбинная установка – это по сути тот же турбореактивный авиадвигатель, где, в отличие от него, реактивная струя не выбрасывается в атмосферу, а вращает ротор генератора. При этом выбросы продуктов сгорания минимальны.

Новые технологии сжигания угля

КПД современных ТЭЦ ограничен 34 %. Абсолютное большинство тепловых электростанций до сих пор работают на угле, что объясняется весьма просто — запасы угля на Земле по-прежнему громадны, поэтому доля ТЭС в общем объеме выработанной электроэнергии составляет около 25 %.

Процесс сжигания угля многие десятилетия остается практически неизменным. Однако и сюда пришли новые технологии.

Особенность данного метода состоит в том, что вместо воздуха в качестве окислителя при сжигании угольной пыли используется выделенный из воздуха чистый кислород. В результате, из дымовых газов удаляется вредная примесь – NОx. Остальные вредные примеси отфильтровываются в процессе нескольких ступеней очистки. Оставшийся на выходе СО 2 закачивается в емкости под большим давлением и подлежит захоронению на глубине до 1 км.

Метод «oxyfuel capture»

Здесь также при сжигании угля в качестве окислителя используется чистый кислород. Только в отличие от предыдущего метода в момент сгорания образуется пар, приводящий турбину во вращение. Затем из дымовых газов удаляются зола и оксиды серы, производится охлаждение и конденсация. Оставшийся углекислый газ под давлением 70 атмосфер переводится в жидкое состояние и помещается под землю.

Метод «pre-combustion»

Уголь сжигается в «обычном» режиме – в котле в смеси с воздухом. После этого удаляется зола и SO 2 – оксид серы. Далее происходит удаление СО 2 с помощью специального жидкого абсорбента, после чего он утилизируется путем захоронения.

Пятерка самых мощных теплоэлектростанций мира

Первенство принадлежит китайской ТЭС Tuoketuo мощностью 6600 МВт (5 эн/бл. х 1200 МВт), занимающей площадь 2,5 кв. км. За ней следует ее «соотечественница» — Тайчжунская ТЭС мощностью 5824 МВт. Тройку лидеров замыкает крупнейшая в России Сургутская ГРЭС-2 – 5597,1 МВт. На четвертом месте польская Белхатувская ТЭС – 5354 МВт, и пятая – Futtsu CCGT Power Plant (Япония) – газовая ТЭС мощностью 5040 МВт.

Снабжение населения теплом и электроэнергией является одной из основных задач государства. Кроме того, без выработки электричества невозможно представить себе развитую производящую и перерабатывающую промышленность, без которой экономика страны не может существовать в принципе.

Одним из способов решения проблемы нехватки энергии является строительство ТЭЦ. Расшифровка этого термина довольно проста: это так называемая теплоэлектроцентраль, являющаяся одной из наиболее распространенных разновидностей тепловых электростанций. В нашей стране они весьма распространены, так как работают на органическом ископаемом топливе (уголь), к характеристикам которого предъявляют весьма скромные требования.

Особенности

Вот что такое ТЭЦ. Расшифровка понятия вам уже знакома. Но какие же особенности имеет данная разновидность электростанций? Ведь неслучайно же их выделяют в отдельную категорию!?

Дело в том, что они вырабатывают не только электроэнергию, но и тепло, которое подается потребителям в виде горячей воды и пара. Нужно заметить, что электричество является побочным продуктом, так как пар, который подается в системы отопления, сперва вращает турбины генераторов. Комбинирование двух предприятий (котельной и электростанции) хорошо тем, что удается значительно сократить потребление топлива.

Впрочем, это же приводит к довольно незначительному «ареалу распространения» ТЭЦ. Расшифровка проста: так как от станции подается не только электричество, которое с минимальными потерями можно транспортировать на тысячи километров, но и нагретый теплоноситель, их нельзя располагать на значительном удалении от населенного пункта. Неудивительно, что практически все ТЭЦ построены в непосредственной близости от городов, жителей которых они отапливают и освещают.

Экологическое значение

Благодаря тому, что при постройке такой электростанции удается избавиться от многих старых городских котельных, которые играют чрезвычайно негативную роль в экологическом состоянии района (огромное количество копоти), чистоту воздуха в городе порой удается повысить на порядок. Кроме того, новые ТЭЦ позволяют ликвидировать завалы мусора на городских свалках.

Новейшее очистительное оборудование позволяет эффективно очищать выброс, а энергетическая эффективность такого решения оказывается чрезвычайно велика. Так, выделение энергии от сжигания тонны нефти идентично тому ее объему, которое выделяется при утилизации двух тонн пластика. А уж этого «добра» хватит на десятки лет вперед!

Чаще всего строительство ТЭЦ предполагает использование ископаемого топлива, о чем мы уже говорили выше. Впрочем, в последние годы планируется создание которые будут монтироваться в условиях труднодоступных регионов Крайнего Севера. Так как подвоз топлива туда исключительно затруднен, атомная энергетика является единственным надежным и постоянным источником энергии.

Какими они бывают?

Бывают ТЭЦ (фото которых есть в статье) промышленные и «бытовые», отопительные. Как несложно догадаться из названия, промышленные электростанции обеспечивают электричеством и теплом крупные производственные предприятия.

Зачастую строятся еще на этапе возведения завода, составляя вместе с ним единую инфраструктуру. Соответственно, «бытовые» разновидности возводятся неподалеку от спальных микрорайонов города. В промышленных передается в виде горячего пара (не больше 4-5 км), в случае отопительных - при помощи горячей воды (20-30 км).

Сведения об оборудовании станций

Основным оборудованием этих предприятий являются турбинные агрегаты, которые переводят механическую энергию в электричество, и котлы, ответственные за выработку пара, который вращает маховики генераторов. В состав турбинного агрегата входит как сама турбина, так и синхронный генератор. Трубины с противодавлением 0,7—1,5 Мн/м2 ставят на те ТЭЦ, которые снабжают теплом и энергией промышленные объекты. Модели же с давлением 0,05—0,25 Мн/м2 служат для обеспечения бытовых потребителей.

Вопросы КПД

В принципе, все выработанное тепло можно использовать полностью. Вот только количество электроэнергии, которое вырабатывается на ТЭЦ (расшифровка этого термина вам уже известна), напрямую зависит от тепловой нагрузки. Проще говоря, в весенне-летний период ее выработка снижается едва ли не до нуля. Таким образом, установки с противодавлением используются только для снабжения промышленных мощностей, у которых величина потребления более-менее равномерна на протяжении всего периода.

Установки конденсирующего типа

В этом случае для снабжения потребителей теплом используется лишь так называемый «пар отбора», а все остальное тепло зачастую попросту теряется, рассеиваясь в окружающей среде. Чтобы снизить потери энергии, такие ТЭЦ должны работать с минимальным выпуском тепла в конденсирующую установку.

Впрочем, еще со времен СССР строятся такие станции, в которых конструктивно предусмотрен гибридный режим: они могут работать как обычные конденсационные ТЭЦ, но их турбинный генератор вполне допускает функционирование в режиме противодавления.

Универсальные разновидности

Неудивительно, что именно установки с конденсацией пара получили максимальное распространение в силу своей универсальности. Так, только они дают возможность практически независимо регулировать электрическую и тепловую нагрузку. Даже если тепловой нагрузки вовсе не предвидится (в случае особенно жаркого лета) население будет снабжаться электроэнергией по прежнему графику (Западная ТЭЦ в Петербурге).

«Тепловые» разновидности ТЭЦ

Как вы уже могли понять, выработка тепла на такого рода электростанциях отличается крайней неравномерностью на протяжении года. В идеальном случае около 50% горячей воды или пара идет на обогрев потребителей, а весь остальной теплоноситель используется для выработки электричества. Именно так работает Юго-Западная ТЭЦ в Северной столице.

Отпуск тепла в большинстве случаев выполняется по двум схемам. Если используется открытый вариант, то горячий пар от турбин идет непосредственно к потребителям. В случае если была выбрана закрытая схема работы, теплоноситель подается после прохождения теплообменников. Выбор схемы определяется исходя из многих факторов. В первую очередь учитывается расстояние от обеспечиваемого теплом и электричеством объекта, количество населения и сезон. Так, Юго-Западная ТЭЦ в Петербурге работает по закрытой схеме, так как она обеспечивает большую эффективность.

Характеристики используемого топлива

Может использоваться твердое, жидкое и Так как ТЭЦ зачастую строятся в непосредственной близости от крупных населенных пунктов и городов, зачастую приходится использовать достаточно ценные его виды, газ и мазут. Применение же в качестве такового угля и мусора в нашей стране достаточно ограниченно, так как далеко не на всех станциях установлено современное эффективное воздухоочистительное оборудование.

Чтобы очистить выхлоп установок, используются специальные уловители твердых частиц. Чтобы рассеивать твердые частицы в достаточно высоких слоях атмосферы, строят трубы высотой в 200—250 метров. Как правило, все теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) стоят на достаточно большом расстоянии от источников водоснабжения (реки и водохранилища). А потому используется искусственные системы, включающие в свой состав градирни. Прямоточное снабжение водой встречается крайне редко, в весьма специфичных условиях.

Особенности газовых станций

Особняком стоят газовые ТЭЦ. Теплоснабжение потребителей осуществляется не только за счет энергии, которая вырабатывается при сжигании но и при утилизации тепла газов, которые при этом образуются. КПД таких установок чрезвычайно высоко. В некоторых случаях в качестве ТЭЦ могут использоваться и атомные станции. Это особенно распространено в некоторых арабских странах.

Там эти станции играют сразу две роли: обеспечивают снабжение населения электроэнергией и технической водой, так как попутно исполняют функции А сейчас рассмотрим основные ТЭЦ нашей страны и ближнего зарубежья.

Юго-Западная, Санкт-Петербург

В нашей стране известностью пользуется Западная ТЭЦ, которая расположена в Санкт-Петербурге. Зарегистрирована как ОАО «Юго-Западная ТЭЦ». Строительство этого современного объекта преследовало сразу несколько функций:

Компенсация сильного дефицита тепловой энергии, который мешал интенсификации программы жилищного строительства.
Повышение надежности и энергетической эффективности городской системы в целом, так как именно с этим аспектом имел проблемы Санкт-Петербург. ТЭЦ позволила частично решить эту проблему.

Но эта станция известна еще и тем, что одной из первых в России стала соответствовать строжайшим экологическим требованиям. Для нового предприятия городское правительство выделило площадь более 20 Га. Дело в том, что под строительство была отведена резервная площадь, оставшаяся от Кировского района. В тех краях был старый сборник золы от ТЭЦ-14, а потому район был не пригоден для строительства жилья, но чрезвычайно удачно расположен.

Запуск состоялся в конце 2010 года, причем на церемонии присутствовало практически все руководство города. В строй были введены две новейшие автоматические котельные установки.

Мурманская

Город Мурманск известен как база нашего флота на Балтийском море. Но еще он характеризуется крайней суровостью климатических условий, что накладывает определенные требования на его энергетическую систему. Неудивительно, что Мурманская ТЭЦ во многом является совершенно уникальным техническим объектом даже в масштабах всей страны.

Она была введена в эксплуатацию еще в 1934 году, и с тех пор продолжает исправно снабжать жителей города теплом и электроэнергией. Впрочем, в первые пять лет Мурманская ТЭЦ являлась обычной электростанцией. Первые 1150 метров теплотрассы были проложены только в 1939 году. Дело в запущенной Нижне-Туломской ГЭС, которая практически полностью перекрывала потребности города в электричестве, а потому появилась возможность высвободить часть тепловой выработки для отопления городских домов.

Станция характерна тем, что весь год работает в сбалансированном режиме, так как ее тепловая и «энергетическая» выработки приблизительно равны. Впрочем, в условиях полярной ночи ТЭЦ в некоторые пиковые моменты начинает использовать большую часть топлива именно для выработки электроэнергии.

Новополоцкая станция, Белоруссия

Проектирование и строительство этого объекта началось в августе 1957 года. Новая Новополоцкая ТЭЦ должна была решить вопрос не только теплоснабжения города, но и обеспечения электричеством строившегося в том же районе нефтеперерабатывающего завода. В марте 1958 года проект был окончательно подписан, одобрен и утвержден.

Первую очередь ввели в эксплуатацию в 1966 году. Вторая была запущена в 1977 году. Тогда же Новополоцкая ТЭЦ была в первый раз модернизирована, ее пиковую мощность увеличили до 505 МВт, а чуть позже заложили третью очередь строительства, завершенную в 1982 году. В 1994 г. станция была переведена на сжиженный природный газ.

К настоящему моменту в модернизацию предприятия уже вложено порядка 50 миллионов американских долларов. Благодаря столь внушительным денежным вливаниям предприятие не только было полностью переведено на газ, но и получило огромное количество совершенно нового оборудования, которое позволит станции прослужить еще десятки лет.

Выводы

Как ни странно, но на сегодняшний день именно устаревшие ТЭЦ являются действительно универсальными и перспективными станциями. Используя современные нейтрализаторы и фильтры, нагревать воду можно, сжигая практически весь мусор, который производит населенный пункт. При этом достигается тройная выгода:

Разгружаются и расчищаются свалки.
Город получает дешевую электроэнергию.
Решается проблема с отоплением.

Кроме того, в прибрежных районах вполне реально строительство ТЭЦ, которые одновременно будут являться опреснителями морской воды. Такая жидкость вполне пригодна для полива, для животноводческих комплексов и промышленных предприятий. Словом, настоящая технология будущего!

1 – электрический генератор; 2 – паровая турбина; 3 – пульт управления; 4 – деаэратор; 5 и 6 – бункеры; 7 – сепаратор; 8 – циклон; 9 – котел; 10 – поверхность нагрева (теплообменник); 11 – дымовая труба; 12 – дробильное помещение; 13 – склад резервного топлива; 14 – вагон; 15 – разгрузочное устройство; 16 – конвейер; 17 – дымосос; 18 – канал; 19 – золоуловитель; 20 – вентилятор; 21 – топка; 22 – мельница; 23 – насосная станция; 24 – источник воды; 25 – циркуляционный насос; 26 – регенеративный подогреватель высокого давления; 27 – питательный насос; 28 – конденсатор; 29 – установка химической очистки воды; 30 – повышающий трансформатор; 31 – регенеративный подогреватель низкого давления; 32 – конденсатный насос.

На схеме, представленной ниже, отображен состав основного оборудования тепловой электрической станции и взаимосвязь ее систем. По этой схеме можно проследить общую последовательность технологических процессов протекающих на ТЭС.

Обозначения на схеме ТЭС:

Топливное хозяйство;
подготовка топлива;
промежуточный пароперегреватель;
часть высокого давления (ЧВД или ЦВД);
часть низкого давления (ЧНД или ЦНД);
электрический генератор;
трансформатор собственных нужд;
трансформатор связи;
главное распределительное устройство;
конденсатный насос;
циркуляционный насос;
источник водоснабжения (например, река);
(ПНД);
водоподготовительная установка (ВПУ);
потребитель тепловой энергии;
насос обратного конденсата;
деаэратор;
питательный насос;
(ПВД);
шлакозолоудаление;
золоотвал;
дымосос (ДС);
дымовая труба;
дутьевой вентилятов (ДВ);
золоуловитель.

Описание технологической схемы ТЭС:

Обобщая все вышеописанное, получаем состав тепловой электростанции:

топливное хозяйство и система подготовки топлива;
котельная установка: совокупность самого котла и вспомогательного оборудования;
турбинная установка: паровая турбина и ее вспомогательное оборудование;
установка водоподготовки и конденсатоочистки;
система технического водоснабжения;
система золошлокоудаления (для ТЭС, работающих, на твердом топливе);
электротехническое оборудование и система управления электрооборудованием.

Топливное хозяйство в зависимости от вида используемого на станции топлива включает приемно-разгрузочное устройство, транспортные механизмы, топливные склады твердого и жидкого топлива, устройства для предвари-тельной подготовки топлива (дробильные установки для угля). В состав ма-зутного хозяйства входят также насосы для перекачки мазута, подогреватели мазута, фильтры.

Подготовка твердого топлива к сжиганию состоит из размола и сушки его в пылеприготовительной установке, а подготовка мазута заключается в его подогреве, очистке от механических примесей, иногда в обработке спецприсадками. С газовым топливом все проще. Подготовка газового топлива сводится в основном к регулированию давления газа перед горелками котла.

Необходимый для горения топлива воздух подается в топочное пространство котла дутьевыми вентиляторами (ДВ). Продукты сгорания топлива — дымовые газы — отсасываются дымососами (ДС) и отводятся через дымовые трубы в атмосферу. Совокупность каналов (воздуховодов и газоходов) и различных элементов оборудования, по которым проходит воздух и дымовые газы, образует газовоздушный тракт тепловой электростанции (теплоцентрали). Входящие в его состав дымососы, дымовая труба и дутьевые вентиляторы составляют тягодутьевую установку. В зоне горения топлива входящие в его состав негорючие (минеральные) примеси претерпевают химико-физические превращения и удаляются из котла частично в виде шлака, а значительная их часть выносится дымовыми газами в виде мелких частиц золы. Для защиты атмосферного воздуха от выбросов золы перед дымососами (для предотвращения их золового износа) устанавливают золоуловители.

Шлак и уловленная зола удаляются обычно гидравлическим способом на золоотвалы.

При сжигании мазута и газа золоуловители не устанавливаются.

При сжигании топлива химически связанная энергия превращается в тепловую. В результате образуются продукты сгорания, которые в поверхностях нагрева котла отдают теплоту воде и образующемуся из нее пару.

Совокупность оборудования, отдельных его элементов, трубопроводов, по которым движутся вода и пар, образуют пароводяной тракт станции.

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

На современных ТЭС и ТЭЦ с агрегатами единичной мощностью 200 МВт и выше применяют промежуточный перегрев пара. В этом случае турбина имеет две части: часть высокого и часть низкого давления. Отработавший в части высокого давления турбины пар направляется в промежуточный перегреватель, где к нему дополнительно подводится теплота. Далее пар возвращается в турбину (в часть низкого давления) и из нее поступает в конденсатор. Промежуточный перегрев пара увеличивает КПД турбинной установки и повышает надежность ее работы.

Из конденсатора конденсат откачивается конденсационным насосом и, пройдя через подогреватели низкого давления (ПНД), поступает в деаэратор. Здесь он нагревается паром до температуры насыщения, при этом из него выделяются и удаляются в атмосферу кислород и углекислота для предотвращения коррозии оборудования. Деаэрированная вода, называемая питательной, насосом подается через подогреватели высокого давления (ПВД) в котел.

Конденсат в ПНД и деаэраторе, а также питательная вода в ПВД подогреваются паром, отбираемым из турбины. Такой способ подогрева означает возврат (регенерацию) теплоты в цикл и называется регенеративным подогревом. Благодаря ему уменьшается поступление пара в конденсатор, а следовательно, и количество теплоты, передаваемой охлаждающей воде, что приводит к повышению КПД паротурбинной установки.

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

Эти потери значительно уменьшаются, если отбирать из турбины частично отработавший пар и его теплоту использовать для технологических нужд промышленных предприятий или подогрева воды на отопление и горячее водоснабжение. Таким образом, станция становится теплоэлектроцентралью (ТЭЦ), обеспечивающей комбинированную выработку электрической и тепловой энергии. На ТЭЦ устанавливаются специальные турбины с отбором пара — так называемые теплофикационные. Конденсат пара, отданного тепловому потребителю, возвращается на ТЭЦ насосом обратного конденсата.

На ТЭС существуют внутренние потери пара и конденсата, обусловленные неполной герметичностью пароводяного тракта, а также невозвратным расходом пара и конденсата на технические нужды станции. Они составляют приблизительно 1 — 1,5% от общего расхода пара на турбины.

На ТЭЦ могут быть и внешние потери пара и конденсата, связанные с отпуском теплоты промышленным потребителям. В среднем они составляют 35 — 50%. Внутренние и внешние потери пара и конденсата восполняются предварительно обработанной в водоподготавливающей установке добавочной водой.

Таким образом, питательная вода котлов представляет собой смесь турбинного конденсата и добавочной воды.

Электротехническое хозяйство станции включает электрический генератор, трансформатор связи, главное распределительное устройство, систему электроснабжения собственных механизмов электростанции через трансформатор собственных нужд.

Система управления осуществляет сбор и обработку информации о ходе технологического процесса и состоянии оборудования, автоматическое и дистанционное управление механизмами и регулирование основных процессов, автоматическую защиту оборудования.

Согласно общепринятому определению, тепловые электростанции – это электростанции, вырабатывающие электроэнергию посредством преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала электрогенератора.

Первые ТЭС появились еще в конце XIX века в Нью-Йорке (1882 год), а в 1883 году первая тепловая электростанция была построена в России (С.Петербург). С момента своего появление, именно ТЭС получили наибольшее распространение, учитывая все увеличивающуюся энергетическую потребность наступившего техногенного века. Вплоть до середины 70-х годов прошлого века, именно эксплуатация ТЭС являлась доминирующим способом получения электроэнергии. К примеру, в США и СССР доля ТЭС среди всей получаемой электроэнергии составляла 80%, а во всем мире – порядка 73-75%.

Данное выше определение хоть и емкое, но не всегда понятное. Попытаемся своими словами объяснить общий принцип работы тепловых электростанций любого типа.

Выработка электричества в ТЭС происходить при участии множества последовательных этапов, но общий принцип её работы очень прост. Вначале топливо сжигается в специальной камере сгорания (паровом котле), при этом выделяется большое количество тепла, которое превращает воду, циркулирующую по специальным системам труб расположенным внутри котла, в пар. Постоянно нарастающее давление пара вращает ротор турбины, которая передает энергию вращения на вал генератора, и в результате вырабатывается электрический ток.

Система пар/вода замкнута. Пар, после прохождения через турбину, конденсируется и вновь превращается в воду, которая дополнительно проходит через систему подогревателей и вновь попадает в паровой котел.

Существует несколько типов тепловых электростанций. В настоящее время, среди ТЭС больше всего тепловых паротурбинных электростанций (ТПЭС) . В электростанциях такого типа, тепловая энергия сжигаемого топлива используется в парогенераторе, где достигается очень высокое давление водяного пара, приводящего в движение ротор турбины и, соответственно, генератор. В качестве топлива, на таких теплоэлектростанциях используется мазут или дизель, а также природный газ, уголь, торф, сланцы, иными словами все виды топлива. КПД ТПЭС составляет около 40 %, а их мощность может достигать 3-6 ГВт.

ГРЭС (государственная районная электрическая станция) – довольно известное и привычное название. Это не что иное, как тепловая паротурбинная электростанция, оборудованная специальными конденсационными турбинами, которые не утилизируют энергию отработанных газов и не превращают её в тепло, например, для обогрева зданий. Такие электростанции еще называют конденсационными электростанциями.

В том же случае, если ТПЭС оснащены специальными теплофикационными турбинами, преобразующих вторичную энергию отработанного пара в тепловую энергию, используемую для нужд коммунальных или промышленных служб, то это уже теплоэлектроцентрали или ТЭЦ. К примеру, в СССР на долю ГРЭС приходилось около 65% вырабатываемой паротурбинными электростанциями электроэнергии, и, соответственно, 35% - на долю ТЭЦ.

Существуют также иные виды тепловых электростанций. В газотурбинных электростанциях, или ГТЭС, генератор вращается посредством газовой турбины. В качестве топлива на таких ТЭС применяют природный газ или жидкое топливо (дизель, мазут). Однако КПД таких электростанций не очень высок, около 27-29%, так что их используют в основном как резервные источники электроэнергии для покрытия пиков нагрузки на электрическую сеть, или для снабжения электричеством небольших населенных пунктов.

Тепловые электростанции с парогазотурбинной установкой (ПГЭС) . Это электростанции комбинированного типа. Они оборудованы паротурбинными и газотурбинными механизмами, и их КПД достигает 41-44%. Эти электростанции также позволяют утилизировать тепло и превращать его в тепловую энергию, идущую на отопление зданий.

Главным недостатком всех тепловых электростанций является тип используемого топлива. Все виды топлива, которые применяют на ТЭС, являются невосполнимыми природными ресурсами, которые медленно, но неуклонно заканчиваются. Именно поэтому в настоящее время, наряду с использованием атомных электростанций, ведутся разработки механизма выработки электроэнергии при помощи восполняемых или других альтернативных источников энергии.

Проведём экскурсию по Чебоксарской ТЭЦ-2, посмотрим, как электричество и тепло вырабатываются:

Напомню, кстати, что труба - самое высокое промышленное сооружение в Чебоксарах. Аж 250 метров!

Начнём с общих вопросов, к которым относится в первую очередь безопасность.
Разумеется, ТЭЦ, как и ГЭС, предприятие режимное, и просто так туда не пускают.
А если уж пустили, хоть даже на экскурсию, то инструктаж по технике безопасности пройти всё равно придётся:

Ну, нам это не в диковинку (как и сама ТЭЦ не в диковинку, я работал там лет 30 назад;)).
Да, ещё одно жёсткое предупреждение, не могу пройти мимо:

Технология

Главным рабочим веществом на всех тепловых электростанциях является, как ни странно, вода.
Потому что она легко превращается в пар и обратно.
Технология у всех одинакова: надо получить пар, который будет вращать турбину. На оси турбины помещается генератор.
В атомных электростанциях вода разогревается за счёт выделения тепла при распаде радиоактивного топлива.
А в тепловых - за счёт сжигания газа, мазута и даже, до недавних пор, угля.

Куда девать отработанный пар? Однако, обратно в воду и снова в котёл!
А куда девать тепло отработанного пара? Да на подогрев воды, поступающей в котёл - для повышения кпд всей установки в целом.
И на подогрев воды в теплосети и водопроводе (горячая вода)!
Так что в отопительный сезон из тепловой станции извлекается двойная польза - электричество и тепло. Соответственно, такое комбинированное производство и называется ТЭЦ (теплоэлектроцентраль).

Но летом всё тепло израсходовать с пользой не удаётся, поэтому пар, вышедший из турбины, охлаждается, превращаясь в воду, в градирнях, после чего вода возвращается в замкнутый производственный цикл. А в тёплых бассейнах градирен ещё и рыбу разводят;)

Чтобы не изнашивались теплосети и котёл, вода проходит специальную подготовку в химическом цехе:

А по всему замкнутому кругу воду гоняют циркуляционные насосы:

Наши котлы могут работать как на газе (жёлтые трубопроводы), так и на мазуте (чёрные). С 1994 работают на газе. Да, котлов у нас 5 штук!
Для горения в горелки необходима подача воздуха (синие трубопроводы).
Вода кипит, и пар (паропроводы красного цвета) проходит через специальные теплообменники - пароперегреватели, которые повышают температуру пара до 565 градусов, а давление, соответственно, до 130 атмосфер. Это вам не скороварка на кухне! Одна маленькая дырочка в паропроводе обернётся большой аварией; тонкая струя перегретого пара режет металл, как масло!

И вот такой пар уже подаётся на турбины (в больших станциях несколько котлов могут работать на общий паровой коллектор, от которого питаются несколько турбин).

В котельном цехе всегда шумно, потому что горение и кипение - весьма бурные процессы.
А сами котлы (ТГМЕ-464) представляют собой грандиозные сооружения высотой с двадцатиэтажный дом, и показать их целиком можно только на панораме из множества кадров:

Ещё один ракурс на подвал:

Пульт управления котла выглядит так:

На дальней стене располагается мнемосхема всего техпроцесса с лампочками, индицирующими состояние задвижек, классические приборы с самописцами на бумажной ленте, табло сигнализации и другие индикаторы.
А на самом пульте классические кнопки и ключи соседствуют с компьютерным дисплеем, где крутится система управления (SCADA). Здесь же есть самые ответственные выключатели, защищённые красными кожухами: "Останов котла" и "Главная паровая задвижка" (ГПЗ):

Турбины

Турбин у нас 4.
Они имеют очень сложную конструкцию, чтобы не пропустить ни малейшего кусочка кинетической энергии перегретого пара.
Но снаружи ничего не видно - всё закрыто глухим кожухом:

Серьёзный защитный кожух необходим - турбина вращается с высокой скоростью 3000 оборотов в минуту. Да ещё по ней проходит перегретый пар (выше говорил, как он опасен!). А паропроводов вокруг турбины множество:

В этих теплообменниках отработанным паром подогревается сетевая вода:

Кстати, на фото у меня самая старая турбина ТЭЦ-2, так что не удивляйтесь брутальному виду устройств, которые будут показаны ниже:

Вот это механизм управления турбиной (МУТ), который регулирует подачу пара и, соответственно, управляет нагрузкой. Его раньше крутили вручную:

А это Стопорный клапан (его надо долго вручную взводить после того, как он сработал):

Малые турбины состоят из одного так называемого цилиндра (набора лопастей), средние - из двух, большие - из трёх (цилиндры высокого, среднего и низкого давления).
С каждого цилиндра пар уходит в промежуточные отборы и направляется в теплообменники - подогреватели воды:

А в хвосте турбины должен быть вакуум - чем он лучше, тем выше кпд турбины:

Вакуум образуется за счёт конденсации остатков пара в конденсационной установке.
Вот мы и прошлись по всему пути воды на ТЭЦ. Обратите внимание также на ту часть пара, которая идёт на подогрев сетевой воды для потребителя (ПСГ):

Ещё один вид с кучей контрольных точек. Не забываем, что контролировать на турбине необходимо кучу давлений и температур не только пара, но и масла в подшипниках каждой её части:

Да, а вот и пульт. Он обычно находится в той же комнате, что и у котлов. Несмотря на то, что сами котлы и турбины стоят в разных помещениях, управление котлотурбинным цехом нельзя разделять на отдельные кусочки - слишком всё связано перегретым паром!

На пульте мы видим пару средних турбин с двумя цилиндрами, кстати.

Автоматизация

В отличие от , процессы на ТЭЦ более быстрые и ответственные (кстати, все помнят слышный во всех краях города громкий шум, похожий на самолётный? Так это изредка срабатывает паровой клапан, стравливая чрезмерное давление пара. Представьте, как это слышится вблизи!).
Поэтому автоматизация здесь пока запаздывает и в основном ограничивается сбором данных. А на пультах управления мы видим сборную солянку различных SCADA и промышленных контроллеров, занимающихся локальным регулированием. Но процесс идёт!

Электричество

Ещё раз посмотрим общий вид турбинного цеха:

Обратите внимание, слева под жёлтым кожухом - электрические генераторы.
Что происходит с электричеством дальше?
Оно отдаётся в федеральные сети через ряд распределительных устройств:

Электрический цех - очень непростое место. Достаточно взглянуть на панораму пульта управления:

Релейная защита и автоматика - наше всё!

На этом обзорную экскурсию можно завершить и всё-таки сказать пару слов про насущные проблемы.

Тепло и коммунальные технологии

Итак, мы выяснили, что ТЭЦ даёт электричество и тепло. И то, и другое, разумеется, поставляется потребителям. Теперь нас, главным образом, будет интересовать тепло.
После перестройки, приватизации и разделения всей единой советской промышленности на отдельные кусочки во многих местах получилось так, что электростанции остались в ведомстве Чубайса, а городские теплосети стали муниципальными. И на них образовался посредник, который берёт деньги за транспортировку тепла. А как эти деньги тратятся на ежегодный ремонт изношенных на 70% теплосетей, вряд ли нужно рассказывать.

Так вот, из-за многомиллионных долгов посредника "НОВЭК" в Новочебоксарске ТГК-5 уже перешла на прямые договора с потребителями.
В Чебоксарах пока этого нет. Более того, чебоксарские «Коммунальные технологии» на сегодня проект развития своих котельных и теплосетей аж на 38 миллиардов (ТГК-5 справилась бы всего за три).

Все эти миллиарды так или иначе будут включены в тарифы на тепло, которые устанавливает городская администрация "из соображений социальной справедливости". Между тем, сейчас себестоимость тепла, вырабатываемого ТЭЦ-2, в 1.5 раза меньше, чем на котельных КТ. И такое положение должно сохраниться и в будущем, потому что чем крупнее электростанция, тем она эффективнее (в частности, меньше эксплуатационных затрат + окупаемость тепла за счёт производства электроэнергии).

А что с точки зрения экологии?
Безусловно, одна большая ТЭЦ с высокой трубой лучше в экологическом плане, чем десяток мелких котельных с маленькими трубами, дым из которых практически останется в городе.
Самым же плохим в смысле экологии является ныне популярное индивидуальное отопление.
Маленькие домашние котлы не обеспечивают такой полноты сгорания топлива, как большие ТЭЦ, да и все выхлопные газы остаются не просто в городе, а буквально над окнами.
Кроме того, мало кто задумывается о повышенной опасности дополнительного газового оборудования, стоящего в каждой квартире.

Какой выход?
Во многих странах при центральном отоплении используются поквартирные регуляторы, которые позволяют экономнее потреблять тепло.
К сожалению, при нынешних аппетитах посредников и изношенности теплосетей преимущества центрального отопления сходят на нет. Но всё-таки, с глобальной точки зрения, индивидуальное отопление более уместно в коттеджах.

Другие посты о промышленности: