Тепловая энергетика

Электроэнергия на ТЭС вырабатывается на традиционных видах топлива (угле, газе, мазуте, торфе, горючих сланцах) при помощи мощных паровых турбин, приводящих в действие электрогенераторы. По особенностям технологического процесса ТЭС подразделяются на два вида.
Конденсаторные (КЭС), в которых прошедший через турбину отработанный пар охлаждается, конденсируется и вновь поступает в котел. Тяготея к источникам топлива и к регионам наибольшего потребления электроэнергии, они широко распространены в мире.
Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), особенностью которых является то, что отработанный в турбине пар или горячая вода затем используются для отопления и горячего водоснабжения промышленной и коммунальной сферы. ТЭЦ строятся преимущественно в крупных городах, поскольку эффективная передача пара или горячей воды из-за высоких тепловых потерь в трубах возможна на расстоянии не более 20…25 км. Кроме того, чтобы уменьшить потери тепла, ТЭЦ необходимо дополнять небольшими подстанциями, которые должны размещаться вблизи от потребителя.
При всех указанных недостатках ТЭЦ представляют собой установки по комбинированному производству электроэнергии и тепла, в связи с чем суммарный коэффициент полезного использования топлива повышается до 70 % против типовых значений 30…35 % на КЭС. При этом, как правило, максимальная мощность ТЭЦ меньше, чем КЭС.
Преимущества тепловых станций по сравнению с другими типами электростанций заключаются в следующем.
1. В относительно свободном территориальном размещении, связанном с широким распространением топливных ресурсов.
2. В способности (в отличие от ГЭС) вырабатывать электроэнергию без сезонных колебаний мощности.
3. В том, что площади отчуждения и вывода из хозяйственно¬го оборота земли под сооружение и эксплуатацию ТЭС, как правило, значительно меньше, чем это необходимо для АЭС и тем более для ГЭС,
4. ТЭС в связи с массовым освоением технологий их строительства сооружаются гораздо быстрее, чем ГЭС или АЭС, и их стоимость на единицу установленной электрической мощности значительно ниже по сравнению с АЭС и ГЭС.
В то же время ТЭС обладают и крупными, в большинстве слу¬чаев неустранимыми недостатками.
1. Для эксплуатации ТЭС обычно требуется гораздо больший персонал, чем для ГЭС и АЭС сопоставимой мощности, связанной с обслуживанием очень масштабного по объему топливного цикла.
2. ТЭС постоянно зависят от поставок невозобновляемых (и нередко привозных) топливных ресурсов (уголь, мазут, газ, реже торф и горючие сланцы).
3. ТЭС весьма критичны к многократным запускам и остановкам; смены режима их работы резко снижают эффективность, повышают расход топлива и приводят к повышенному износу основного оборудования.
4. ТЭС характеризуются сравнительно низким КПД (как правило, до 40 %).
5. Именно ТЭС оказывают прямое и крайне неблагоприятное влияние на экологическую обстановку и являются самыми «грязными» источниками электроэнергии. Наибольший ущерб экологии окружающих регионов приносят станции на угле, особенно высокозольном. Среди ТЭС самыми экологически «чистыми» оказываются станции, использующие в своем технологическом процессе природный газ.
По оценкам экспертов, ТЭС всего мира выбрасывают в атмосферу ежегодно около 200…250 млн т золы, более 60 млн т сернистого ангидрида и большое количество углекислого газа (вызывающего так называемый парниковый эффект и приводящего к долгосрочным глобальным климатическим изменениям), при этом поглощая огромное 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 относительная дешевизна их сооружения приводят к тому, что доля ТЭС в мировых энергобалансах в целом повышается, причем эксперты считают, что такая тенденция в обозримом будущем сохранится. По указанной причине совершенствованию технологий ТЭС и снижению влияния их недостатков во всем мире уделяется большое внимание.
В снабжении топливом основным направлением последних лет в наиболее развитых и богатых странах является перевод угольных и мазутных ТЭС на природный газ (прежде всего, для снижения экологической нагрузки на окружающую среду). В Европе это в последние годы закреплено соответствующими директивами ЕС. Кроме того, новые стандарты экологической безопасности для ТЭС в развитых странах предусматривают обязательное оборудование станций многоступенчатыми системами улавливания и утилизации вредных пылевых и газовых выбросов (фильтры, катализаторные каскады и пр.).
В последнее время на ТЭС появляются и получают широкое распространение установки принципиально новых типов.
1. Газотурбинные установки (ГТУ), где вместо паровых турбин действуют газовые турбины на жидком или газообразном топливе, что в основном снимает крайне острую проблему водоснабжения ТЭС и тем самым позволяет размещать их в дефицитных по воде районах.
2. Парогазотурбинные установки (ПТУ), в которых тепло отработавших газов используется для подогрева воды с целью получения пара низкого давления в парогенераторах, за счет чего воз¬можно существенно повысить коэффициент полезного использования топлива.
3. Магнитогидродинамические генераторы (МГДГ) для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.
Принцип работы МГДГ такой же, что и обычного электрогенератора: в проводнике, движущемся поперек магнитного поля, возникает электрический ток. При этом роль проводника в МГДГ играет так называемая низкотемпературная (2000…3ООО °С) плазма, возникающая в результате насыщения газообразных продуктов сгорания топлива легко ионизируемыми добавками.
ТЭС комбинированного цикла, использующие МГД-генераторы, считаются перспективными. Комбинация МГДГ с обычной газотурбинной или паротурбинной системой позволяет достичь КПД до 60 %. Станция с комбинированным циклом для получения каждого киловатт-часа электрической энергии расходует топлива на 50 % меньше, чем станция с обычным циклом. Кроме того, такие электростанции меньше загрязняют окружающую среду и имеют еще одно важное преимущество – способность быстро развивать максимальную мощность.
Основной пока до конца не преодоленной проблемой широко¬го использования МГДГ является создание и промышленный вы¬пуск недорогих конструкционных материалов, способных противостоять коррозии при высоких (2000 °С и выше) рабочих температурах газовой плазмы в МГД-установках. В настоящее время выпуск материалов с подобными характеристиками ограничен сферами специальной, прежде всего,военно-авиационной и ракетной техники.
Еще одной, считающейся достаточно перспективной технологией ТЭС является газовая микроэнергетика. При высокой теплотворной способности газ как топливо создает единственную экологическую опасность – токсичные окислы азота в продуктах го¬рения. При этом в малых котлах их образуется в 5 раз меньше (на единицу вырабатываемой энергии), чем в больших, но сущест¬вуют освоенные и простые методы снижения образования окислов азота путем подмешивания части дымовых газов к входящему воздуху, т. е. рециркуляции или дожигания дымовых газов.
Малые энергоустановки на газовом топливе, состоящие из газовой турбины (или даже двигателя внутреннего сгорания), турбогенератора и котла-утилизатора для комбинированной выработки электроэнергии и тепла, считаются вполне реальной основой газовой микроэнергетики. Особенно эффективна такая схема в тех случаях, когда потребителю необходимо только тепло (отопление, горячая вода); тогда достаточно установить на чердаке или в подвале здания небольшой, полностью автоматизированный газовый водогрейный котел.
Эффективность газовой микроэнергетики определяется прежде всего тем, что плотность потока энергии в газовой трубе, даже при невысоком давлении, примерно на два порядка выше, чем в i рубе с горячей водой. Поэтому одну и ту же энергию можно передать в газовой трубе десятикратно меньшего диаметра.
Известно, что уложенные 50…70 лет назад газовые трубы в основном служат до сих пор, в то время как тепловые сети горячего водоснабжения и отопления приходится менять и ремонтировать гораздо чаще из-за коррозии металла (впрочем, использование современных полимерных труб частично снимает эту проблему). Наконец, газ передается по трубам практически без потерь, в то время как в длинных магистралях водяного теплоснабжения теряется до 60 % тепла.