Тепловые электростанции (тэц, кэс): разновидности, типы, принцип работы, топливо

Содержание

Какие бывают источники энергии

Источников энергии существует множество. Самыми интересными, наверное, являются солнце и ветер. Вроде ничего не происходит, а электричество вырабатывается. Самые технологичные способы получения — это без сомнения атомная энергетика и токамаки, которые еще пока строятся и рано говорить об их промышленном запуске.

Есть и более экстравагантные способы получения энергии. Например, энергия Земли, о которой я подробно рассказывал ранее. Есть даже станции, которые вырабатывают энергию из приливов. Тоже своеобразный, но иногда действенный способ.

Сочетание приведенных выше технологий позволяет поставить источник энергии почти в любой точке мира. Если что, то можно даже подогнать плавучую атомную станцию, которая обеспечит энергией небольшой город на 60-100 тысяч жителей.

Первая в мире плавучая атомная станция «Академик Ломоносов».

Это все хорошо, но есть и более проверенные способы получения энергии, которые требуют мало затрат, но им надо обеспечивать много топлива и они не очень-то экологичны. Для выработки электричества они используют ископаемое топливо, которое, кроме прочего, может и закончиться, но пока его хватает.

Основные принципы работы ТЭС

На рис.1 представлена типичная тепловая схема конденсационной установки на органическом топливе.

Рис.1 Принципиальная тепловая схема ТЭС

1 – паровой котёл; 2 – турбина; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатор; 5 – конденсатный насос; 6 – подогреватели низкого давления; 7 – деаэратор; 8 – питательный насос; 9 – подогреватели высокого давления; 10 – дренажный насос

Топливо и окислитель, которым обычно служит подогретый воздух, непрерывно поступают в топку котла (1).

В качестве топлива используется уголь, торф, газ, горючие сланцы или мазут.

Большинство ТЭС нашей страны используют в качестве топлива угольную пыль.

За счёт тепла, образующегося в результате сжигания топлива, вода в паровом котле нагревается, испаряется, а образовавшийся насыщенный пар поступает по паропроводу в паровую турбину (2), назначение которой — превращать тепловую энергию пара в механическую энергию.

Все движущиеся части турбины жёстко связаны с валом и вращаются вместе с ним. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору следующим образом. Пар высокого давления и температуры, имеющий большую внутреннюю энергию, из котла поступает в сопла (каналы) турбины. Струя пара с высокой скоростью, чаще выше звуковой, непрерывно вытекает из сопел и поступает на рабочие лопатки турбины, укрепленные на диске, жёстко связанном с валом. При этом механическая энергия потока пара превращается в механическую энергию ротора турбины, а точнее говоря, в механическую энергию ротора турбогенератора, так как валы турбины и электрического генератора (3) соединены между собой. В электрическом генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

После паровой турбины водяной пар, имея уже низкое давление и температуру, поступает в конденсатор (4). Здесь пар с помощью охлаждающей воды, прокачиваемой по расположенным внутри конденсатора трубкам, превращается в воду, которая конденсатным насосом (5) через регенеративные подогреватели (6) подаётся в деаэратор (7).

Деаэратор служит для удаления из воды растворённых в ней газов; одновременно в нём, так же как в регенеративных подогревателях, питательная вода подогревается паром, отбираемым для этого из отбора турбины. Деаэрация проводится для того, чтобы довести до допустимых значений содержание кислорода и углекислого газа в ней и тем самым понизить скорость коррозии в трактах воды и пара.

Деаэрированная вода питательным насосом (8) через подогреватели (9) подаётся в котельную установку. Конденсат греющего пара, образующийся в подогревателях (9), перепускается каскадно в деаэратор, а конденсат греющего пара подогревателей (6) подаётся дренажным насосом (10) в линию, по которой протекает конденсат из конденсатора (4).

Движение пара после ротора

После того как водяной пар проходит турбину, его давление и температура значительно опускаются, и он поступает в следующую часть станции — конденсатор. Внутри этого элемента происходит обратное превращение пара в жидкость. Для выполнения этой задачи внутри конденсатора имеется охлаждающая вода, которая поступает туда посредством труб, проходящих внутри стен устройства. После обратного преобразования пара в воду, она откачивается конденсатным насосом и поступает в следующий отсек — деаэратор

Также важно отметить, что откачиваемая вода, проходит сквозь регенеративные подогреватели

Основная задача деаэратора — это удаление газов из поступающей воды. Одновременно с операцией очистки, осуществляется и подогрев жидкости так же, как и в регенеративных подогревателях. Для этой цели используется тепло пара, которое отбирается из того, что следует в турбину. Основное предназначение операции деаэрации состоит в том, чтобы понизить содержание кислорода и углекислого газа в жидкости до допустимых значений. Это помогает снизить скорость влияние коррозии на тракты, по которым идет поставка воды и пара.

Принцип работы тепловой электростанции

Основной принцип работы тепловой электростанции заключается в производстве тепловой энергии из органического топлива, которая в дальнейшем используется для выработки электрического тока.

Понятия ТЭС и ТЭЦ существенно различаются между собой. Первые установки относятся к так называемым чистым электростанциям, вырабатывающим только электрический ток. Каждая из них известна еще и как конденсационная электростанция – КЭС. ТЭЦ расшифровывается как теплоэлектроцентраль и является разновидностью ТЭС. Данные установки не только генерируют электричество, но и являются тепловыми, то есть дают тепло в системы отопления и горячего водоснабжения. Такое комбинированное использование требует специальных паровых турбин с противодавлением или системой промежуточного отбора пара.

Несмотря на разнообразие конструкций, работа всех ТЭС осуществляется по общей схеме. В котел постоянно подается топливо в виде угля, газа, торфа, мазута или горючих сланцев. На многих электростанциях используется заранее приготовленная угольная пыль. Вместе с топливом поступает воздух в подогретом виде, выполняющий функцию окислителя.

В процессе горения топлива создается тепло, нагревающее воду в паровом котле. Происходит образование насыщенного пара, подаваемого в паровую турбину через паропровод. Далее тепловая энергия становится механической.

Вал и остальные движущиеся части турбины связаны между собой и представляют единое целое. Струя пара под высоким давлением и при высокой температуре выходит из сопел и воздействует на лопатки турбины. Закрепленные на диске, они начинают вращаться и приводят в движение вал, соединенный с генератором. В результате вращения происходит преобразование механической энергии в электрический ток.

Пройдя через паровую турбину, пар снижает свою температуру и давление. Далее он попадает в конденсатор и прокачивается по трубкам, охлаждаемым водой. Здесь пар окончательно превращается в воду и поступает в деаэратор для очистки от растворенных газов. Очищенная вода с помощью насоса подается в котельную установку через подогреватель.

Типы тепловых электростанций

Типы тепловых электростанций — важный вопрос. Ответ на него расскажет, каким образом появляется необходимая энергия. Сегодня постепенно вносятся серьезные изменения, где главным источником энергетики окажутся альтернативные виды, но пока их применение остается нецелесообразным.

  1. Конденсационные (КЭС);
  2. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ);
  3. Государственные районные электростанции (ГРЭС).

Электростанция ТЭС потребует подробного описания. Виды различны, поэтому только рассмотрение объяснит, почему осуществляется строительство такого масштаба.

Конденсационные (КЭС)

Виды тепловых электростанций начинаются с конденсационных. Такие ТЭЦ применяются исключительно для выработки электроэнергии. Чаще всего она аккумулируется, сразу не распространяясь. Конденсационный метод обеспечивает максимальный КПД, поэтому подобные принципы считаются оптимальными. Сегодня во всех странах выделяют отдельных объекты крупного масштаба, обеспечивающие обширные регионы.

Постепенно появляются атомные установки, заменяющие традиционное топливо. Только замена остается дорогостоящим и длительным процессом, так как работа на органическом топливе отличается от иных способов. Причем отключение ни одной станции невозможно, ведь в таких ситуациях целые области остаются без ценной электроэнергии.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ)

ТЭЦ используются сразу для нескольких целей. В первую очередь они используются для получения ценной электроэнергии, но сжигание топлива также остается полезным для выработки тепла. За счет этого теплофикационные электростанции продолжают применяться на практике.

Государственные районные электростанции

Общие сведения о современных тепловых электростанциях не отмечают ГРЭС. Постепенно они остаются на заднем плане, теряя свою актуальность. Хотя государственные районные электростанции остаются полезными с точки зрения объемов выработки энергии.

Разные виды тепловых электростанций дают поддержку обширным регионам, но все равно их мощность недостаточна. Во времена СССР осуществлялись крупномасштабные проекты, которые сейчас закрываются. Причиной стало нецелесообразное использование топлива. Хотя их замена остается проблематичной, так как преимущества и недостатки современных ТЭС в первую очередь отмечают большие объемы энергии.

Какие электростанции являются тепловыми? Их принцип построен на сжигании топлива. Они остаются незаменимыми, хотя активно ведутся подсчеты по равнозначной замене. Тепловые электростанции преимущества и недостатки продолжают подтверждать на практике. Из-за чего их работа остается необходимой.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Самые мощные ТЭС

В настоящее время лидером тепловой энергетики по праву считается тепловая электростанция Туокетуо, находящаяся в Китае в провинции Внутренняя Монголия. До недавних пор она являлась лишь третьей в мире, уступая по мощности ТЭС, расположенным в Тайчжуне и Сургуте. В результате проведенной реконструкции в 2017 году добавились два энергоблока по 660 Мвт каждый, после чего общая мощность станции достигла 6720 мегаватт. После этого Сургутская ГРЭС стала занимать 3-е место в мире и 1-е – в России.

В российской Энергосистеме доля тепловых электростанций составляет около 70%, а общее количество в натуральных цифрах – 358 единиц. Самые крупные ТЭС расположены возле крупных месторождений полезных ископаемых, используемых в качестве топлива. Установки, применяющие мазут, привязаны к крупным нефтеперерабатывающим предприятиям.

Крупнейшей российской ТЭС является Сургутская, производительность которой составляет 5600 МВт. На карте географическое положение объекта определяется на примерно одинаковом расстоянии от Нефтеюганска и Ханты-Мансийска.

Строительство объекта началось в 1979 году, а в 1985 году был введен в эксплуатацию 1-й энергоблок. Далее за 3 года в строй вступили все оставшиеся энергоблоки, производительностью 800 МВт. Работа станции осуществляется на попутном газе, образованном в местах разрабатываемых газовых месторождений. Такой газ должен утилизироваться, однако он превратился в энергетический ресурс. К настоящему времени построены еще 2 энергоблока по 400 МВт, что позволило вывести станцию на проектную мощность.

Следует отметить еще одну крупную российскую ГРЭС – Рефтинскую. Она работает на каменном угле, а производительность составляет 3800 мегаватт. Объект расположен примерно в 100 км от Екатеринбурга. Строительство велось с 1963 по 1980 годы, в течение всего периода энергоблоки вводились в строй поэтапно.

Газотурбинная электростанция (ГТЭС)

Геотермальные электростанции (ГТЭС)

Электростанции России (ТЭС, ГЭС, ГАЭС, АЭС)

Волновая электростанция (ВЭС)

Виды электростанций

Ветряные электростанции

Виды тепловых электростанций

Стандартная тепловая электростанция представляет собой целый комплекс, включающий в себя различные устройства и оборудование, преобразующие топливную энергию в электричество и тепло.

Подобные установки отличаются параметрами и техническими характеристиками, по которым и выполняется их классификация:

  • В соответствии с видами и назначением поставляемой электроэнергии, тепловые станции могут быть районными и промышленными. Районные установки известны как ГРЭС или КЭС и предназначены для обслуживания всех потребителей региона. Электростанции, вырабатывающие тепло, называются ТЭЦ. Мощность районных станций превышает 1 млн. кВт. Промышленные электростанции предназначены для электро- и теплоснабжения конкретных предприятий и производственных комплексов. Их мощность значительно меньше, чем у ГРЭС и устанавливается в соответствии с потребностями того или иного объекта.
  • Все типы тепловых электростанций работают на различных источниках энергии. Прежде всего, это обычные органические ресурсы, используемые большинством ТЭС и продукты нефтепереработки. Наибольшее распространение получили уголь, природный газ, мазут. Наиболее прогрессивные установки работают на ядерном топливе и называются атомными электростанциями – АЭС.
  • Силовые установки, преобразующие энергию тепла в электричество, бывают паротурбинными, газотурбинными и смешанной парогазовой конструкции.
  • Технологическая схема паропроводов ТЭС может быть разной. В блочных конструкциях тепловые электрические станции используют одинаковые энергетические установки или энергоблоки. В них пар от котла подается лишь к собственной турбине и после конденсации он вновь возвращается в свой котел. По данной схеме построено большинство ГРЭС (КЭС) и ТЭЦ. Другой вариант предполагает использование поперечных связей, когда пар от котлов подается к общему коллектору – паропроводу, обеспечивающему работу всей паровых турбин станции.
  • По параметрам начального давления ТЭС могут быть с критическим и сверхкритическим давлением. В первом случае российские стандарты для ТЭС-ТЭЦ составляют 8,8-12,8 Мпа или 90-130 атмосфер. Второй вариант имеет более высокие параметры, составляющие 23,5 Мпа или 240 атмосфер. В таких конструкциях используется промежуточный перегрев и блочная схема.

Первая электростанция в мире

Самая первая центральная электростанция, the Pearl Street, была сдана в эксплуатацию 4 сентября 1882 года в Нью-Йорке.

Станция была построена при поддержке Edison Illuminating Company, которую возглавлял Томас Эдисон.

На ней были установлены несколько генераторов Эдисона общей мощностью свыше 500 кВт.

Станция снабжала электроэнергией целый район Нью-Йорка площадью около 2,5 квадратных километров.

Станция сгорела дотла в 1890году, сохранилась только одна динамо-машина, которая сейчас находится в музее the Greenfield Village, Мичиган.

30 сентября 1882 года заработала первая гидроэлектростанция the Vulcan Street в штате Висконсин. Автором проекта был Г.Д. Роджерс, глава компании the Appleton Paper & Pulp.

На станции был установлен генератор с мощностью приблизительно 12.5 кВт. Электричества хватало на дом Роджерса и на две его бумажные фабрики.

Электростанция Gloucester Road. Брайтон был одним из первых городов в Великобритании с непрерывным электроснабжением.

В 1882 году Роберт Хаммонд основал компанию Hammond Electric Light , а 27 февраля 1882 года он открыл электростанцию Gloucester Road.

Станция состояла из динамо щетки, которая использовалась, чтобы привести в действие шестнадцать дуговых ламп.

В 1885 году электростанция Gloucester была куплена компанией Brighton Electric Light. Позже на этой территории была построена новая станция, состоящая из трех динамо щеток с 40 лампами.

Электростанция Зимнего дворца

В 1886 году в одном из внутренних дворов Нового Эрмитажа была построена электростанция.

Автором проекта выступил техник дворцового управления Василий Леонтьевич Пашков.

Электростанция была крупнейшей во всей Европе, не только на момент постройки, но и на протяжении последующих 15 лет.

Ранее для освещения Зимнего дворца использовались свечи, с 1861 года начали использовать газовые светильники. Так как электролампы имели большее преимущество, были начаты разработки по внедрению электроосвещения.

Прежде чем здание было полностью переведено на электричество, освещении при помощи ламп использовали для освещения дворцовых зал во время рождественских и новогодних праздников 1885 года.

9 ноября 1885 года, проект строительства «фабрики электричества» был одобрен императором Александром III. Проект включал электрификацию Зимнего дворца, зданий Эрмитажа, дворовой и прилегающей территории в течение трех лет до 1888 года.

Была необходимость исключить возможность вибрации здания от работы паровых машин, размещение электростанции предусмотрели в отдельном павильоне из стекла и металла. Его разместили во втором дворе Эрмитажа, с тех пор называемом «Электрическим».

Как выглядела станция

Здание станции занимало площадь 630 м², состояло из машинного отделения с 6 котлами, 4 паровыми машинами и 2 локомобилями и помещения с 36 электрическими динамо-машинами. Общая мощность достигала 445 л.с.

Было предложено три режима освещения:
  • полное (праздничное) включать пять раз в году (4888 ламп накаливания и 10 свечей Яблочкова);
  • рабочее – 230 ламп накаливания;
  • дежурное (ночное) – 304 лампы накаливания. Станция потребляла около 30 тыс. пудов (520 т) угля в год.

Классификация

Все электростанции делят на следующие группы:

  • Тепловые электростанции. Виды природного топлива, применяемого на них, позволяют делить их на теплофикационные и конденсационные станции.
  • Гидроаккумулирующие и гидравлические электростанции функционируют за счет энергии падающей воды.
  • Атомные станции используют энергию ядерных превращений.
  • Дизельные электростанции.
  • ТЭС с парогазовыми или газотурбинными установками.
  • Солнечные электростанции.
  • ГЕОТЭС (геотермальные электрические станции).
  • Приливные станции.

Эти виды электростанций используют для работы тепло- и электроэнергетику.

Самым удобным видом является электрическая энергия. Превращение первичной энергии в нее осуществляется на электрических станциях.

Другие виды топлива для ТЭС

Помимо традиционных видов топлива тепловые электростанции применяют в своей работе и другие источники энергии. Одним из таких энергоресурсов является мазут, который использовался на многих электростанциях во второй половине 20-го века.

В современных условиях цена продуктов нефтепереработки существенно увеличилась, поэтому мазут перестал быть основным топливом. Его частично используют угольные электростанции для растопки. Эксплуатационные качества мазута аналогичны с природным газом, однако при его сжигании в большом количестве выделяется оксид серы, загрязняющий окружающую среду.

В 20-м веке некоторые ТЭС работали на торфе. В настоящее время этот ресурс практически не используется из-за низкой эффективности по сравнению с газом и углем. Установки на дизельном топливе применяются на небольших объектах, где не требуются значительные объемы электроэнергии. В основном, они предназначены для удаленных районов, расположенных на значительном расстоянии от сетей централизованного электроснабжения.

Нетрадиционные источники электроэнергии

Нетрадиционные источники представлены геотермальными электростанциями (рис. 1), работающими на тепловой энергии, поступающей из земных недр. Чем глубже от поверхности земли, тем выше температура данного слоя. В России такие установки построены на Камчатке и на Курильских островах.

Существуют конструкции приливных электростанций (рис. 2), которые функционируют от энергии, создаваемой приливами и отливами в самом узком месте искусственного залива, отсеченного от моря. В качестве примера можно привести опытную Кислогубскую ПЭС, возведенную на Кольском полуострове.

Классификация электростанций включает в себя солнечные и ветровые альтернативные установки (рис. 3). Все виды таких систем обеспечивают электроэнергией небольшие предприятия и производства, используются в частном секторе для удовлетворения бытовых потребностей. В основном, это районы и места, где отсутствует централизованное электроснабжение и нет возможности подключиться к обычным ЛЭП.

Виды деятельности в электроэнергетике

Электрические компании занимаются бесперебойной доставкой электричества каждому потребителю. В энергетической сфере уровень занятости превышает этот показатель некоторых ведущих отраслей народного хозяйства государства.

Оперативно-диспетчерское управление

ОДУ играет важнейшую роль в перераспределении энергопотоков в обстановке изменяющегося уровня потребления. Диспетчерские службы направлены на то, чтобы передавать электрический ток от производителя потребителю в безаварийном режиме. В случае каких-либо аварий или сбоев в линиях электропередач ОДУ выполняют обязанности оперативного штаба по быстрому устранению этих недостатков.

Энергосбыт

В тарифах на оплату за потребление электричества включены расходы на прибыль энергокомпаний. За правильностью и своевременностью оплаты за потреблённые услуги следит служба – Энергосбыт. От неё зависит финансовое обеспечение всей энергосистемы страны. К неплательщикам применяются штрафные санкции, вплоть до отключения электроснабжения потребителя.

Энергосистема – кровеносная система единого организма государства. Производство электроэнергии является стратегической сферой безопасности существования и развития экономики страны.

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.

Чистое сжигание угля (Clean Coal)

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 СО2 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 SO2 – оксид серы. Далее происходит удаление СО2 с помощью специального жидкого абсорбента, после чего он утилизируется путем захоронения.

Топливо

На ТЭЦ используют твёрдое, жидкое или газообразное топливо. Вследствие большей близости ТЭЦ к населённым местам на них шире (по сравнению с ГРЭС) используют более ценное, меньше загрязняющее атмосферу твёрдыми выбросами топливо — мазут и газ. Для защиты воздушного бассейна от загрязнения твёрдыми частицами используют (как и на ГРЭС) золоуловители, для рассеивания в атмосфере твёрдых частиц, окислов серы и азота сооружают дымовые трубы высотой до 200—250 м. ТЭЦ, сооружаемые вблизи потребителей тепла, обычно отстоят от источников водоснабжения на значительном расстоянии. Поэтому на большинстве ТЭЦ применяют оборотную систему водоснабжения с искусственными охладителями — градирнями. Прямоточное водоснабжение на ТЭЦ встречается редко.

На газотурбинных ТЭЦ в качестве привода электрических генераторов используют газовые турбины. Теплоснабжение потребителей осуществляется за счёт тепла, отбираемого при охлаждении воздуха, сжимаемого компрессорами газотурбинной установки, и тепла газов, отработавших в турбине. В качестве ТЭЦ могут работать также парогазовые электростанции (оснащенные паротурбинными и газотурбинными агрегатами) и атомные электростанции.

ТЭЦ — основное производственное звено в системе централизованного теплоснабжения.