Тепловые электростанции представляют собой устройство, специализация которого основывается на вырабатывании электроэнергии. Электроэнергия производится путём преобразования и в ходе переработки тепловой энергии. теплота образуется при сгорании топливного ресурса, которым могут быть разновидности горючих ископаемых. Способность преобразовывать энергию природных ресурсов в электроэнергию делает ТЭС неотъемлемой частью жизни любого современного человека.
Маломощные тепловые электростанции широко используются в различных областях. Например, они могут обогревать и подавать электроэнергию в школы и бассейны, клиники и спортивные комплексы. Их можно использовать для создания нормальных рабочих условий во времянках и вагончиках при строительстве, в других областях народного хозяйства.
У данных электростанций масса плюсов и очень мало минусов. Мини теплоэлектростанции состоят из нескольких приборов и работа их полностью автоматизирована. Также ТЭС может работать на любом виде топлива , что позволяет использовать ее в любых условиях.
Самым основным плюсом в работе данной техники можно считать то, что оно позволяет не зависеть от роста цен на тепло и электроносители и иметь свою независимую мини теплоэлектростанцию. Это возможность экономить средства, выделяемые на это практически на 100%.
Возможности оборудования практически безграничны, ведь может обеспечивать, по сути, любое помещение по разряду не хуже централизованных сетей, а обойдется намного дешевле. Первоначальные затрат быстро окупятся и расходы будут минимальными лишь на топливо для ТЭЦ. Причем его тоже можно варьировать в зависимости от условий эксплуатации, выбирая более дешевый вариант.
Преимущества ТЭС
- Сравнительно низкий ценовой показатель теплового ресурса, использующегося в ходе работы ТЭС, в сравнении с ценовыми категориями аналогичного ресурса, применяемого на атомных электростанциях.
- Строительство ТЭС, а также доведение объекта до состояния активной эксплуатации задействует меньшее привлечение денежных средств.
- ТЭС может территориально быть расположена в любой географической точке. Организация работы станции данного типа не потребует привязывания местонахождения станционной установки в непосредственной близости с определёнными природными ресурсами. Топливо может доставляться к станции из любого места мира с помощью автомобильного или железнодорожного видов транспорта.
- Сравнительно небольшой масштаб ТЭС позволяет производить их установку в условиях стран, где земля является в силу малой территории ценным ресурсом, к тому же существенно снижается процент земельной площади, попавшей в зону отчуждения и вывода из нужд сельского хозяйства.
- Стоимость топлива, вырабатываемого ТЭС, по сравнении с аналогичным дизельным, будет дешевле .
- Вырабатываемая энергии не зависит от сезонного колебания мощности, что свойственно ГЭС.
- Обслуживание и эксплуатационный процесс ТЭС характеризуются простотой.
- Технологический процесс возведения ТЭС массово освоен, что даёт возможность для их быстрого строительства, существенно экономящего при этом временные ресурсы.
- При завершении срока службы ТЭС их достаточно легко подвергнуть утилизации. Инфраструктурное подразделение ТЭС более долговечно по сравнению с основным оборудованием, представленным котлами и турбинами. Системы водоснабжения и теплоснабжения способны ещё длительный период времени после окончания срока службы сохранять свои качественные и технологические характеристики, они могут функционировать дальше после замены турбин и котлов.
- В ходе работы происходит выделение воды и пара, что может быть задействовано для организации отопительного процесса или в иных технологических задачах.
- Являются производителями около 80-ти % всей электроэнергии страны .
- Одновременная выработка электроэнергии и осуществление тепловой подачи при длительном сроке эксплуатации делают ТЭС экономичными системами.
Недостатки ТЭС
- Нарушение экологического равновесия и загрязнение атмосферы в процессе выброса в неё дыма и копоти, сернистых и азотистых соединений в большом количестве. Деятельность ТЭС способна спровоцировать явление «парникового эффекта» и прохождение кислотных дождей. Кроме того, создание и передача электроэнергии приводят к электромагнитному загрязнению окружающей среды.
- В связи с добычей для эксплуатирования и функционирования ТЭС большого количества угля возникает нужда в шахтах, при создании которых происходит нарушение естественного природного рельефа.
- Нарушение теплового баланса водоёмов , который происходит в процессе сброса ТЭС охлаждающей воды, что приводит к повышению температурных показателей.
- Вместе с загрязняющими атмосферу газами ТЭС производит выброс некоторых веществ, принадлежащих к группе радиоактивных, содержание которых в большей или меньшей степени прослеживается в топливе.
- В ходе эксплуатации ТЭС используются те природные ресурсы, естественное возобновление которых невозможно, поэтому количество этих ресурсов постепенно уменьшается.
- Наличие сравнительно низкой экономичности.
- ТЭС сложно справляются с необходимостью принимать участие в покрытии переменной части суточного графика электрической нагрузки.
- Способность ТЭС работать на привозном топливе содержит в себе проблему, связанную с точной организацией процесса поставки топливных ресурсов.
- Работа ТЭС влечёт за собой более высокие расходы по их обслуживанию по сравнению с ГЭС.
В каких случаях выбирают данное оборудование
Когда затраты на передачу или производство электроэнергии высоки и бюджет организации или частного лица не может их осилить. Если централизованные системы по подаче тепла и электричества не могут осилить дополнительно возведенные или введенные в эксплуатацию площади.
Когда количества электричества просто недостаточно для бесперебойной работы современного оборудования и приборов. Либо оно имеет низкое качество. Также нельзя забывать про экологическую составляющую оборудования, которое позволяет выделять в атмосферу вредных веществ.
Универсальность и экономичность
Электростанции могут работать на дровах или угле, газе, дизельном топливе. Обычно дизельное топливо применяется редко в виду его дороговизны и вредных выделений. Есть несколько модификаций данных установок и различают:
- Турбины, работающие на пару.
- Газовые турбины.
- Газопоршневые генераторы.
Выбор ТЭС зависит от необходимой мощности для потребителя. Самыми популярными считаются газопоршневые, однако, их мощность всего 80 мВт .
Абсолютные выгоды на фоне кризиса
В целом плюсов значительно больше, чем минусов , и для некоторых предприятий и учреждений приобретение мини ТЭС отличный выход из положения, особенно, если город растет, а возможностей прокладывать тепло и электро сети, нет. Либо они загружены настолько, что в любом случае подачи тепла или света будет недостаточно. Также это может стать отличным решением в загородной зоне, где вообще нет централизованной подачи тепла и электроэнергии, но жилье, тем не менее, строится. Особенно оценят возможности таких установок и рабочие, которые ремонтируют трассы и дороги, буровики, нефтяники, которые передвигаются по стране, но у них нет возможности каждый раз подключаться к централизованной подаче света и тепла.
Возможно, ТЭС пригодится военным гарнизонам, которые несут службу далеко от городков, с полным обеспечением комфортных условий. Словом данное оборудование может стать незаменимым в областях, где особенно ценится возможность получить полноценное тепло, электричество и даже холодный воздух для кондиционеров при необходимости. Небольшое оборудование можно легко транспортировать специальным транспортом и использовать по мере необходимости.
Будут выгодны данные ТЭС и предпринимателям, которые занимают площади в гаражах, складах, и не подключены к централизованному теплу, а свет используют по высоким городским тарифам. Это поможет существенно сэкономить на материальных затратах при работе и позволить не зависеть от монополистов тепла и света.
Идеальные возможности мини версии ТЭС могут соперничать разве что с крупными образцами ТЭС или гидроэлектростанциями, однако мобильность и автоматизированность небольшого оборудования перевешивает в любом случае.
Выводы
В связи с тем, что проблема энергетики актуальны для современности, встаёт вопросы об организации обеспечения населения электроэнергией, не допуская при этом существенных финансовых и временных затрат при сохранении благоприятной экологической обстановки. Одним из вариантом решения поставленной задачи становится строительство и эксплуатация ТЭС.
Энергию, скрытую в органическом топливе - угле, нефти или природном газе, невозможно сразу получить в виде электричества. Топливо сначала сжигают. Выделившаяся теплота нагревает воду, превращает её в пар. Пар вращает турбину , а турбина - ротор генератора , который генерирует, т. е. вырабатывает, электрический ток.
Схема работы конденсационной электростанции.
Славянская ТЭС. Украина, Донецкая область.
Весь этот сложный, многоступенчатый процесс можно наблюдать на тепловой электрической станции (ТЭС), оборудованной энергетическими машинами, преобразующими энергию, скрытую в органическом топливе (горючих сланцах, угле, нефти и продуктах её переработки, природном газе), в электрическую энергию. Основные части ТЭС - котельная установка, паровая турбина и электрогенератор.
Котельная установка - комплекс устройств для получения водяного пара под давлением. Она состоит из топки, в которой сжигается органическое топливо, топочного пространства, по которому продукты горения проходят в дымовую трубу, и парового котла, в котором кипит вода. Часть котла, во время нагрева соприкасающаяся с пламенем, называется поверхностью нагрева.
Котлы бывают 3 типов: дымогарные, водотрубные и прямоточные. Внутри дымогарных котлов помещен ряд трубок, по которым продукты горения проходят в дымовую трубу. Многочисленные дымогарные трубки имеют огромную поверхность нагрева, вследствие чего в них хорошо используется энергия топлива. Вода в этих котлах находится между дымогарными трубками.
В водотрубных котлах - все наоборот: по трубкам пускают воду, а между трубками горячие газы. Основные части котла - топка, кипятильные трубки, паровой котел и пароперегреватель. В кипятильных трубках идет процесс парообразования. Образующийся в них пар поступает в паровой котел, где и собирается в верхней его части, над кипящей водой. Из парового котла пар проходит в пароперегреватель и там дополнительно нагревается. Топливо в этот котел забрасывают через дверцу, а воздух, необходимый для горения топлива, подают через другую дверцу в поддувало. Горячие газы поднимаются вверх и, огибая перегородки, проходят путь, указанный на схеме (см. рис.).
В прямоточных котлах воду нагревают в длинных трубах-змеевиках. Вода подается в эти трубы насосом . Проходя через змеевик, она полностью испаряется, а образовавшийся пар перегревается до требуемой температуры и затем выходит из змеевиков.
Котельные установки, работающие с промежуточным перегревом пара, являются составной частью установки, называемой энергоблоком «котел - турбина».
В перспективе, например, для использования угля Канско-Ачинского бассейна будут сооружены крупные тепловые электростанции мощностью до 6400 МВт с энергетическими блоками по 800 МВт, где котельные установки будут вырабатывать 2650 т пара в 1 ч с температурой до 565 °C и давлением 25 МПа.
Котельная установка вырабатывает пар высокого давления, который идет в паровую турбину - главный двигатель тепловой электростанции. В турбине пар расширяется, давление его падает, а скрытая энергия преобразуется в механическую. Паровая турбина приводит в движение ротор генератора, вырабатывающего электрический ток.
В крупных городах чаще всего строят теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), а в районах с дешевым топливом - конденсационные электростанции (КЭС).
ТЭЦ - это тепловая электростанция, вырабатывающая не только электрическую энергию, но и теплоту в виде горячей воды и пара. Пар, покидающий паровую турбину, содержит в себе еще много тепловой энергии. На ТЭЦ эту теплоту используют двояко: либо пар после турбины направляется потребителю и обратно на станцию не возвращается, либо он передает теплоту в теплообменнике воде, которая направляется потребителю, а пар возвращается обратно в систему. Поэтому ТЭЦ имеет высокий КПД, достигающий 50–60%.
Различают ТЭЦ отопительного и промышленного типов. Отопительные ТЭЦ обогревают жилые и общественные здания и снабжают их горячей водой, промышленные - снабжают теплотой промышенные предприятия. Передача пара от ТЭЦ осуществляется на расстояния до нескольких километров, а передача горячей воды - до 30 и более километров. Вследствие этого теплоэлектроцентрали строятся неподалеку от крупных городов.
Огромное количество тепловой энергии направляется на теплофикацию или централизованное отопление наших квартир, школ, учреждений. До Октябрьской революции централизованного теплоснабжения домов не было. Дома отапливались печами, в которых сжигалось много дров и угля. Теплофикаций в нашей стране началась в первые годы советской власти, когда по плану ГОЭЛРО (1920 г.) приступили к строительству крупных ТЭС. Суммарная мощность ТЭЦ в начале 1980‑х гг. превысила 50 млн кВт.
Но основная доля электроэнергии, которую вырабатывают тепловые электростанции, приходится на конденсационные электростанции (КЭС). У нас их чаще называют государственными районными электрическими станциями (ГРЭС). В отличие от ТЭЦ, где теплота отработанного в турбине пара используется для отопления жилых и производственных зданий, на КЭС отработанный в двигателях (паровых машинах, турбинах) пар превращается конденсаторами в воду (конденсат), направляемую обратно в котлы для повторного использования. КЭС сооружаются непосредственно у источников водоснабжения: у озера, реки, моря. Теплота, выводимая из электростанции с охлаждающей водой, безвозвратно теряется. КПД КЭС не превышает 35–42%.
На высокую эстакаду день и ночь по строгому графику подают вагоны с мелко раздробленным углем. Особый разгрузчик опрокидывает вагоны, и топливо ссыпается в бункер. Мельницы тщательно размалывают его в топливный порошок, и он вместе с воздухом влетает в топку парового котла. Языки пламени плотно охватывают пучки трубок, вода в которых закипает. Образуется водяной пар. По трубам - паропроводам - пар направляется к турбине и через сопла бьет в лопатки ротора турбины. Отдав энергию ротору, отработанный пар идет в конденсатор, охлаждается и превращается в воду. Насосы подают её обратно в котел. А энергия продолжает свое движение от ротора турбины к ротору генератора. В генераторе происходит её последнее превращение: она становится электричеством. На этом заканчивается энергетическая цепочка КЭС.
В отличие от ГЭС тепловые электростанции можно построить в любом месте, а тем самым приблизить источники получения электроэнергии к потребителю и расположить тепловые электростанции равномерно по территории экономических районов страны. Преимущество ТЭС состоит и в том, что они работают практически на всех видах органического топлива - углях, сланцах, жидком топливе, природном газе.
К крупнейшим конденсационным ТЭС в относятся Рефтинская (Свердловская область), Запорожская (Украина), Костромская, Углегорская (Донецкая область, Украина). Мощность каждой из них превышает 3000 МВт.
Наша страна - пионер строительства тепловых электростанций, энергию которым дает атомный реактор (см.
Теплофикационные станции (ТЭС). Назначение. Виды
ТЭС, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Среди ТЭС преобладают тепловые паротурбинные (ТПЭС), на которых тепловая энергия используется в парогенераторе для получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор паровой турбины, соединённый с ротором электрического генератора (обычно синхронного генератора). В качестве топлива на таких ТЭС используют уголь (преимущественно), мазут, природный газ, лигнит, торф, сланцы.
ТПЭС, имеющие в качестве привода электрогенераторов конденсационные турбины и не использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называются конденсационными электростанциями. На ГРЭС вырабатывается около электроэнергии, производимой на ТЭС. ТПЭС, оснащенные теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называемым теплоэлектроцентралями (ТЭЦ); ими вырабатывается около электроэнергии, производимой на ТЭС.
ТЭС с приводом электрогенератора от газовой турбины называются газотурбинными электростанциями (ГТЭС). В камере сгорания ГТЭС сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания с температурой 750-900 С поступают в газовую турбину, вращающую электрогенератор. Кпд таких ТЭС обычно составляет 26-28%, мощность - до нескольких сотен Мвт. ГТЭС обычно применяются для покрытия пиков электрической нагрузки.
ТЭС с парогазотурбинной установкой, состоящей из паротурбинного и газотурбинного агрегатов, называется парогазовой электростанцией (ПГЭС). кпд которой может достигать 42 - 43%. ГТЭС и ПГЭС также могут отпускать тепло внешним потребителям, то есть работать как ТЭЦ.
Тепловые электростанции используют широко распространенные топливные ресурсы, относительно свободно размещаются и способны вырабатывать электроэнергию без сезонных колебаний. Их строительство ведется быстро и связано с меньшими затратами труда и материальных средств. Но у ТЭС есть существенные недостатки. Они используют невозобновимые ресурсы, обладают низким КПД (30-35%), оказывают крайне негативное влияние на экологическую обстановку. ТЭС сего мира ежегодно выбрасывают в атмосферу 200-250 млн. т золы и около 60 млн. т ернистого ангидрида, а также поглощают огромное количество кислорода. Установлено, что уголь в микродозах почти всегда содержит U238, Th232 и радиоактивный изотоп углерода. Большинство ТЭС России не оснащены эффективными системами очистки уходящих газов от оксидов серы и азота. Хотя установки, работающие на природном газе экологически существенно чище угольных, сланцевых и мазутных, вред природе наносит прокладка газопроводов (особенно в северных районах).
Первостепенную роль среди тепловых установок играют конденсационные электростанции (КЭС). Они тяготеют и к источникам топлива, и к потребителям, и поэтому очень широко распространены.
Чем крупнее КЭС, тем дальше она может передавать электроэнергию, т.е. по мере увеличения мощности возрастает влияние топливно-энергетического фактора. Ориентация на топливные базы происходит при наличии ресурсов дешевого и нетранспортабельного топлива (бурые угли Канско-Ачинского бассейна) или в случае использования электростанциями торфа, сланцев и мазута (такие КЭС обычно связаны с центрами нефтепереработки).
ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) представляют собой установки по комбинированному производству электроэнергии и теплоты. Их КПД доходит до 70% против 30-35% на КЭС. ТЭЦ привязаны к потребителям, т.к. радиус передачи теплоты (пара, горячей воды) составляет 15-20 км. Максимальная мощность ТЭЦ меньше, чем КЭС.
В последнее время появились принципиально новые установки:
- газотурбинные (ГТ) установки, в которых вместо паровых применяются газовые турбины, что снимает проблему водоснабжения (на Краснодарской и Шатурской ГРЭС);
- парогазотурбинные (ПГУ), где тепло отработавших газов используется для подогрева воды и получения пара низкого давления (на Невинномысской и Кармановской ГРЭС);
- магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы), которые преобразуют тепло непосредственно в электрическую энергию (на ТЭЦ-21 Мосэнерго и Рязанской ГРЭС).
В России мощные (2 млн. кВт и более) построены в Центральном районе, в Поволжье, на Урале и в Восточной Сибири.
На базе Канско-Ачинского бассейна создается мощный топливно-энергетический комплекс (КАТЭК). В проекте предусмотрено строительство восьми ГРЭС мощностью по 6,4 млн. кВт. В 1989 г. был введен в строй первый агрегат Березовской ГРЭС-1 (0,8 млн. кВт).