Виды и типы современных тепловых электростанций (тэс)

Что такое ТЭС?

Наиболее традиционным и распространенным в мире видом электростанциЙ являются ТЭС. Тепловые электростанции (так расшифровывается данная аббревиатура) вырабатывают электроэнергию за счет сжигания углеводородного топлива – газа, угля, мазута.
Схема работы ТЭС выглядит следующим образом: при сгорании топлива образуется большое количество тепловой энергии, с помощью которой нагревается вода. Вода превращается в перегретый пар, который подается в турбогенератор. Вращаясь, турбины приводят в движение детали электрогенератора, образуется электрическая энергия.

На некоторых ТЭЦ фаза передачи тепла теплоносителю (воде) отсутствует. В них используются газотурбинные установки, в которых турбину вращают газы, полученные непосредственно при сжигании топлива.

Существенным преимуществом ТЭС считается доступность и относительная дешевизна топлива. Однако есть у тепловых станций и недостатки. Это, прежде всего, экологическая угроза окружающей среде. При сжигании топлива в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ. Чтобы сделать ТЭС более безопасными, применяется ряд методов, в том числе: обогащение топлива, установка специальных фильтров, задерживающих вредные соединения, использование рециркуляции дымовых газов и т.п.

Когда появилась первая тепловая электростанция

Энергию пара начали использовать уже давно. Одни паровозы и паровые котлы чего стоили. Кстати, в паровозах именно пар является основным элементом. По сути, это просто большая кастрюля, в которой кипит вода и вырабатывает пар для работы поршневого механизма.

Пар можно создать и дома, но на ТЭЦ он в тысячи раз мощнее.

Первая в мире тепловая электростанция была построена в 1882 году в Нью-Йорке. Место для нее нашли на Перл-Стрит (Манхэттен). Спустя год появилась первая в России подобная станция. Она была построена в Санкт-Петербурге.

Раз вы дочитали до этого места, то статья показалась вам интересной. Еще больше хороших статей вы сможете найти в нашем Telegram-канале.

С тех пор они росли, как грибы после дождя. При относительной простоте и экономичности такие сооружения вырабатывают много энергии. Пусть она не так экологична, как солнечная или ветровая, но именно ТЭЦ будут существовать до тех пор, пока не сгорит последняя тонна угля. Надеюсь, к этому времени уже появятся достойные альтернативы, но пока их не так много.

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.

Теплоэнергетика. Преимущества и недостатки

Теплоэнергетика является одной из основных составляющих энергетики и включает в себя процесс производства тепловой энергии, транспортировки, рассматривает основные условия производства энергии и побочные влияния отрасли на окружающую среду, организм человека и животных. теплоэнергетика человечество ядерный

Процесс производства тепловой энергии осуществляется на тепловых электрических станциях (ТЭС) и тепловых электрических централях(ТЭЦ). Эти два вида предприятий на данный момент являются основными поставщиками тепловой, а также электрической энергии, поскольку эти виды энергоресурсов очень тесно связаны. В настоящее время широкое применение находит способ поместная система снабжения тепловой энергией, которая применяется как на крупных промышленных предприятиях, так и для отопления жилых площадей.

В соответствии с установившейся терминологией, теплоэнергетика включает в себя получение, переработку, преобразование, хранение и использование энергоресурсов и энергоносителей всех типов.

Согласно определению, теплоэнергетика обладает развитыми внешними и внутренними связями и её развитие неотделимо от всех направлений жизнедеятельности человека, связанных с использованием энергии (в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, на транспорте и в быту).

Развитие теплоэнергетики характеризуется ускорением темпов роста, изменением всех количественных показателей и структуры топливно-энергетического баланса, глобальным охватом всех видов ресурсов органического топлива, вовлечением в сферу использованием ядерного горючего.

В общем случае различаются четыре основные стадии трансформации первичных тепловых ресурсов (от их природного состояния , находящегося в динамическом равновесии с окружающей средой, до конечного использования).

  • 1. Извлечение, добыча или прямое использование первичных природных ресурсов тепловой энергии.
  • 2. Переработка (облагораживание) первичных ресурсов до состояния, пригодного для преобразования или использования.
  • 3. Преобразование связанной энергии переработанных ресурсов в тепловую энергию на тепловых станциях (ТЭС), централях (ТЭЦ), на котельных.

Преимущества:

ь относительная дешевизна производства;

ь возможность быстрого сооружения станций;

ь достаточные, на сегодняшний день, запасы топлива;

Недостатки:

ь ограниченность ресурсов;

ь неэкологичность, большое количество отходов и вредных выбросов;

ь большие потери энергии топлива при её выработке;

ь необходимость транспортировки топлива;

ь ущерб природе и экологии при добыче топлива;

Плюсы приливных электростанций

Рассмотрев преимущества приливных электростанций, ученые, в первую очередь, отметили экологичность. Это одна из причин, почему сегодня происходит развитие альтернативных источников энергии в мире. Работа ПЭС не сопровождается вредными выбросами. Поэтому их проекты начинают постепенно заменять устаревшие ТЭЦ. К плюсам можно отнести и следующее:

  • довольно длительный срок службы;
  • возможность прогнозирования количества энергии, которая будет получена;
  • невысокая цена на вырабатываемую электроэнергию;
  • не требуется отчуждения земель под водохранилища;
  • независимость от водности года (количества воды, переносимой рекой с ее бассейна);
  • отсутствие угрозы катастрофы при аварийном разрушении плотины (здесь стоит вспомнить хотя бы Саяно-Шушенскую ГЭС);
  • исчезновение в бассейне торосов и предпосылок к их образованию (смягчение ледового режима);
  • отсутствие угрозы для морского транспорта, поскольку турбины расположены на дне;
  • постоянство приливно-отливной энергии вне зависимости от месяца;
  • затраты на строительство ПЭС сравнимы с себестоимостью гидроэлектростанций;
  • дополнительная защита берегов от шторма;
  • биологическая проницаемость (для прохождения рыбы практически нет препятствий).

Экологичность приливной электростанции проявляется еще в нескольких факторах. Так, для сравнения на ГЭС гибнет около 83-99% основной кормовой базы рыбного стада (планктона), а на ПЭС – 5-10%. Также за счет наплавного способа строительства не требуется сооружение временных стройбаз и перемычек, которые влияют на окружающую среду. ПЭС, наоборот, смягчает и выравнивает климатические условия в прилегающему к нему бассейну.

Все это значит, что все виды приливных электростанций никак не вредят человеку и природе. К примеру, соленость воды снижается всего на 0,05-0,07%, что практически неощутимо. Все изменения носят местный характер, причем большинство из них положительны. Так, на приливной плотине может быть проложена автомобильная или железная дорога.

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.

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.

Какие еще виды ТЭС существуют

Помимо паротурбинных ТЭЦ и КЭС (ГРЭС), на территории России работают станции:

  1. Газотурбинные (ГТЭС). В данном случае турбины вращаются не от пара, а на природном газу. Также в качестве топлива на таких станциях могут использоваться мазут или солярка. КПД таких станций, к сожалению, не слишком высок (27 — 29%). Поэтому используют их в основном только как резервные источники электроэнергии или же предназначенные для подачи напряжения в сеть небольших населенных пунктов.
  2. Парогазотурбинные (ПГЭС). КПД таких комбинированных станций составляет примерно 41 — 44%. Передают энергию на генератор в системах этого типа одновременно турбины и газовые, и паровые. Как и ТЭЦ, ПГЭС могут использоваться не только для собственно выработки электроэнергии, но и для отопления зданий или же обеспечения потребителей горячей водой.

Отходы ТЭЦ

От работы ТЭЦ остаются отходы — шлак и зола. Около 150 тысяч
тонн в год. Опасности они не представляют и могут использоваться в качестве
строительного материала. Например, часть золы продают производителям сухих строительных смесей.

Остальное смешивают с водой и отправляют на золоотвал —
технический водоем неподалеку от ТЭЦ. В нем вода отстаивается, очищаясь
естественным образом, а затем осветленная через протоку сбрасывается в реку.

В золоотвале ТЭЦ-3 весной тоже бывает бирюзовая вода, как на
знаменитых Сибирских Мальдивах возле ТЭЦ-5. А зола с кальцием напоминает
белоснежный песок. Но все же этот водоем — техническое сооружение, и купание
здесь небезопасно.

В будущем ТЭЦ планирует отказаться от сброса воды в Обь,
чтобы не вредить реке, а воду с золоотвала начать возвращать обратно на
станцию. Ее предполагается использовать в системе оборотной транспортировки
золы — в закрытом производственном цикле. Систему забора воды из золоотвала
построят к 2023 году.

Атомные электростанции

На третьем месте по количеству производимой электроэнергии находятся атомные электростанции. В России их доля в энергетике составляет чуть выше 10%. В США этот показатель равен 20%, в Германии – более 30%, во Франции – свыше 75%. Сокращение программ в области атомной энергетики произошло вследствие аварии на Чернобыльской АЭС.

Рассматривая виды электростанций в России, следует отметить, что наиболее известными АЭС считаются Ленинградская, Курская, Смоленская, Нововоронежская, Белоярская и другие. Новым направлением является создание АТЭЦ – атомных теплоэлектроцентралей, вырабатывающих электрическую и тепловую энергию. Подобный объект построен на Чукотке в поселке Билибино. Еще одно направление – строительство АСТ – атомных станций теплоснабжения, предназначенных для производства тепла. Такие установки успешно функционируют в Нижнем Новгороде и Воронеже.

Основные плюсы АЭС заключаются в следующем:

  • Возможность строительства в любых районах, без привязки к энергетическим ресурсам. Транспортировка атомного топлива не отнимает много средств, поскольку 1 кг урана эквивалентен 2500 т угля.
  • При отсутствии нарушений эксплуатации, АЭС являются самыми экологичными установками. Выбросы в атмосферу минимальны, кислород не поглощается, отсутствует парниковый эффект.

Рассматривая вопрос как работает АЭС, нужно в первую очередь остановиться на тяжелых последствиях в случае аварий. Кроме того, серьезные проблемы возникают с радиоактивными отходами в процессе их захоронения. Водоемы, используемые для технических целей АЭС, подвержены тепловому загрязнению.

Как работает

Исходные данные: в глубине земной коры есть тепло. Его нужно преобразовать в энергию, например, электрическую. Как это сделать? Принцип работы геотермальной электростанции достаточно прост. Под землю закачивается вода через специальную скважину, называемую входной или нагнетающей (по-английски injection, то есть «впрыск»). Для того чтобы определить подходящую глубину, требуется геологическое исследование. Вблизи нагретых магмой слоев, в конечном счете, должен образоваться подземный проточный бассейн, играющий роль теплообменника. Вода сильно нагревается и превращается в пар, который через другую скважину, (рабочую или эксплуатационную) подается на лопасти турбины, сопряженной с осью генератора. На первый взгляд, все выглядит очень просто, но на практике геотермальные электростанции устроены куда сложнее и имеют различные особенности конструкции, обусловленные эксплуатационными проблемами.

Газовые электростанции

Основные достоинства газовых электростанций:

  • моторесурс газовых электростанций на 25% выше чем у бензиновых и дизельных аналогов;
  • газовый генератор прост в обслуживании и установке, обладает высокой надежностью;
  • более дешевый по расходным материалам;
  • чистый, бездымный и менее вредный для здоровья выхлоп;
  • приемлемый уровень шума.

Главным же достоинством газового генератора является то, что можно одновременно вырабатывать электроэнергию и использовать тепло, которое получается в результате работы газовой электростанции. Такое тепло можно использовать, например, для обогрева зданий и прочих нужд.

Генераторы на газу подразделяются, в зависимости от устройства силовых агрегатов, приводящих в движение генератор. Это могут быть газопоршневые двигатели, или газовые турбины.

Перед приобретением электростанции рекомендуется четко оценить запланированную нагрузку на устройство — таковой будут являться все приборы, работающие с использованием электрического тока (расчет мощности). Важны их номинальную мощность и фазность подключения. Это два основных фактора, которые будут влиять на первичный подбор нужного Вам генератора.

Выбор электростанции зависит от нескольких факторов. В первую очередь, это конечно определение типа ее двигателя, непосредственно генератора и фазности, а затем последующий подбор модели по определенным характеристикам и показателям.

Расчеты

Основными параметрами, которые учитываются при любых расчетах, являются:

  • температура (глубина от 15-20 м и больше прогревается от 8 до 100 градусов в зависимости от создающихся условий);
  • значение извлекаемой мощности (средний показатель – 0,05 кВт на 1 м);
  • влияние климата, влажности и контакта с грунтовыми водами на теплоотдачу.

Интересное Утилизация отходов и мусора в москве и подмосковье, доступная стоимость утилизации бытового и строительного мусора, цена Что весьма интересно, полностью сухие породы отдают не более 25 Вт с 1 м, а если есть грунтовые воды, этот показатель вырастает до 100-110 Вт. Нельзя забывать, что стандартным временем работы теплового насоса является 1800 часов за год. Если превысить этот показатель, система не станет более эффективной, зато износ ее стремительно вырастет. Что гораздо хуже, чрезмерная эксплуатация теплового ресурса недр приводит к их остыванию и даже к промерзанию пород на рабочей глубине. Вслед за этим может проседать грунт, иногда повреждаются рабочие трубы и надземные сооружения.

Примеры станций

Итак, достаточно производительным и в какой-то мере даже универсальным объектом может считаться любая ТЭС, электростанция. Примеры таких комплексов представляем в списке ниже.

  1. Белгородская ТЭЦ. Мощность этой станции составляет 60 МВт. Турбины ее работают на природном газе.
  2. Мичуринская ТЭЦ (60 МВт). Этот объект также расположен в Белгородской области и работает на природном газе.
  3. Череповецкая ГРЭС. Комплекс находится в Волгоградской области и может работать как на газу, так и на угле. Мощность этой станции равна целых 1051 МВт.
  4. Липецкая ТЭЦ -2 (515 МВТ). Работает на природном газе.
  5. ТЭЦ-26 «Мосэнерго» (1800 МВт).
  6. Черепетская ГРЭС (1735 Мвт). Источником топлива для турбин этого комплекса служит уголь.

Экономичность ТЭС.

Так уж сложилось, что тепловые электростанции получают электроэнергию путем преобразования теплоты. Теплота получается при сгорании топлива. Но, к сожалению, теплота у нас на электростанциях не может быть использована полностью из-за особенности рабочего цикла, по которому работает ТЭС. Используется лишь та часть, которая имеет высокий потенциал, т.е. часть, которая имеет высокую температуру.

Последним местом, где теплота отдает свою энергию на электростанции — это последние ступени турбины, будь то паровая турбина или газовая. Затем, низкопотенциальная теплота просто удаляется в атмосферу через градирни, сбросной канал или дымовую трубу от газовой турбины.

Использование низкопотенциального тепла очень затруднительно, но все же возможно. Низкопотенциальное тепло можно использовать в цикле теплового насоса. Такое решение применила у себя одна из ТЭС в Китае .

Также, кроме того, что часть тепла вообще не используется, а выбрасывается, на электростанции существуют еще и потери высокопотенциального тепла. Эти потери происходят по всей цепочки преобразования энергии. Существуют потери в котле, турбине, генераторе.

Камчатка

Россия богата всеми видами природных ресурсов, но это не означает, что в бережном отношении к ним нет нужды. Геотермальные электростанции в России строят, причем в последние десятилетия все более активно. Они частично обеспечивают потребность энергообеспечения отдаленных районов Камчатки и Курил. Помимо уже упомянутой Паужетской ГТЭС, на Камчатке в эксплуатацию введена 12-мегаваттная Верхне-Мутновская ГТЭС (1999). Намного мощней ее Мутновская геотермальная электростанция (80 МВт), расположенная возле того же вулкана. Вместе они обеспечивают более трети объема энергии, потребляемой регионом.

Преимущества ТЭС

ТЭС — это, таким образом, станция, основным типом оборудования на которой являются турбины и генераторы. К плюсам таких комплексов относят в первую очередь:

  • дешевизну возведения в сравнении с большинством других видов электростанций;
  • дешевизну используемого топлива;
  • невысокую стоимость выработки электроэнергии.

Также большим плюсом таких станций считается то, что построены они могут быть в любом нужном месте, вне зависимости от наличия топлива. Уголь, мазут и т. д. могут транспортироваться на станцию автомобильным или железнодорожным транспортом.

Еще одним преимуществом ТЭС является то, что они занимают очень малую площадь в сравнении с другими типами станций.

Перспективы и преимущества геотермальной энергии

Схема строительства будущей ГеоТЭС, преобразующей энергию геотермальных вод Земли в электричество, зависит от источника, на котором станция будет возведена. Иногда инженерная задумка сводится к простому бурению скважины, а иногда требуется дополнительное оборудование и технологии для очищения пара от вредных выхлопов или твердых частиц. Принцип добычи электричества из источников прост: пар поднимается вверх по скважине, приводя турбины в движение, а после возвращается обратно в обсадную.

Геотермальные станции активно используются в промышленных масштабах, сельскохозяйственной деятельности, ЖКХ. С их помощью обогреваются и поливаются оранжереи, теплицы, различные аква-установки. Подземные источники служат для полива полей или поддержания необходимого уровня влажности для выращивания сельскохозяйственных культур. ГеоТЭС успешно задействуются в ЖКХ, заменяя собой традиционные электростанции. Крупнейшая ГеоТЭС построена в Кении. Она подает достаточно электричества, чтобы содержать город.

КПД тепловой электростанции

Основным показателем любой тепловой электростанции является ее коэффициент полезного действия. Например, для угольных ТЭС существует термический КПД, определяемый количеством угля, необходимого для выработки 1 кВт*ч электроэнергии. Если в начале 20-х годов прошлого века этот показатель составлял 15,4 кг, то в 60-е годы он снизился до 3,95 кг. В дальнейшем расход угля вновь незначительно поднялся до 4,6 кг.

Причиной такого подъема стали газоочистители, уловители пыли и золы, из-за которых угольная электростанция снизила выходную мощность на 10%. Многие станции пользуются более чистым в экологическом плане углем, что также привело к увеличению потребления топлива.

Процентное выражение термического КПД тепловой электростанции составляет не более 36%, что связано с высокими тепловыми потерями, вызываемыми отходящими газами при горении. У атомных электростанций, отличающимися низкими температурами и давлением термический КПД еще ниже – 32%. Самый высокий показатель у газотурбинных установок, оборудованных котлами-утилизаторами и дополнительными паровыми турбинами. КПД электростанций с таким оборудованием превышает 40%. Этот показатель полностью зависит от величины рабочих температур и давления пара.

Современные паротурбинные электростанции используют промежуточный перегрев пара. После того как он частично отработает в турбине, происходит его отбор в промежуточной точке для последующего повторного нагрева до первоначальной температуры. Система промежуточного перегрева может состоять из двух ступеней и более, что способствует значительному увеличению термического КПД.