Теплоэлектростанция: как это устроено

Основной закон природы – закон сохранения энергии утверждает: энергия из ничего не возникает и никуда не исчезает, она преобразовывается из одной формы в другую. Поэтому для получения электрической энергии – энергии всё более и более нужной нашему обществу – необходимо строить электрические станции, наиболее распространёнными среди которых являются тепловые электростанции.

Что такое ТЭС?

Тепловая электростанция (ТЭС), называемая также теплоэлектростанцией или тепловой электрической станцией, – это комплекс сооружений. В состав, которого входят устройства и оборудование, предназначенные для преобразования внутренней химической энергии топлива в электричество и тепло (пар и горячая вода, вырабатываемая для системы отопления и хозяйственно-бытовых нужд).

Почему тепловая?

Станция называется тепловой не по причине поставок тепла хозяйствующим субъектам, – она вполне может функционировать и без этого, – а потому что в основе её работы лежит выработка и последующее использование тепловой энергии.

Последовательность полного цикла преобразования одного вида энергии в другой – реализация на практике основного закона природы – выглядит здесь так:

• Внутренний химический потенциал топлива трансформируется → в энергию тепловую.
• Тепловая → в механическую.
• Механическая → в электрическую.

Теоретически всё выглядит достаточно ясно, кратко и просто, но в реальности устроено значительно сложнее.

Объясняется это тем, что прежде чем начать осуществление процессов, все компоненты и само технологическое оборудования надо тщательно подготовить. В первую очередь – топливо, в качестве которого выступают:

• полезные горючие ископаемые: бурый и каменный уголь, газ природный, попутный и сланцевый газ, горючие сланцы, нефть, торф;
• технологически производимые материалы: биогаз, водород, спирт;
• продукты нефтепереработки: бензин, керосин, мазут, дизельное топливо;
• дрова, древесные отходы.

А также вода, которую, необходимо не считаясь с расходами полностью очистить и отфильтровать от примесей.

Вот почему в состав современной ТЭС входят:

• Цех химической водоочистки;
• Газовое, мазутное или аналогичное хозяйство (и не одно!);
• Котло-турбинный цех;
• Система оборотного водоснабжения, в составе которой – постоянно парящие градирни;
• Система удаления дымовых газов, представленная возвышающейся над местностью на несколько сотен метров дымовой трубой;
• Отводящее в систему электроснабжения электрооборудование в виде повышающих трансформаторов и линий электропередач;
• Ряд вспомогательных подразделений.

К сведению

Самая высокая дымовая труба в мире, достигающая 420 метров высоты – это 2-я дымовая труба Экибастузской ГРЭС-2, что находится в одноимённом городе Павлодарской области Казахстана.

Но и это далеко не всё, ведь тепловые электрические станции подчас многофункциональны.

Недопустимо, чтобы столь важные в хозяйственном отношении объекты, как тепловые электростанции большой мощности (типа ТЭС, ГРЭС, ТЭЦ) работали лишь на одном виде топлива (для чего специально создаётся резервный вариант эксплуатации на основе другого топлива). Ведь оно может в любой момент иссякнуть, как это сейчас происходит в ряде стран Европы.

Чем ТЭС отличается от ТЭЦ

Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) – это та же теплоэлектростанция (ТЭС), которая обеспечивает подачу тепла в близлежащие сооружения. Почему «близлежащие» и «централь»? Централизованное теплоснабжение (бывает и локальное, и индивидуальное) не может поставлять теплоноситель на значительные расстояния, вследствие остывания последнего. А организация промежуточного подогрева – дело сложное и экономически неэффективное.

Потребность в строительстве ТЭЦ наибольшая в регионах с холодными зимами. Здесь теплостанция может заменить собой повсеместно разбросанные и плохо организованные котельные. Вот почему нередко приходится наблюдать картину модернизации ТЭС в ТЭЦ посредством монтажа дополнительных блоков и сооружения необходимой инфраструктуры теплоснабжения.

Когда появилась первая тепловая электростанция

Первая частная теплоэлектростанция, работающая на угле, созданная инженером из Германии Зигмундом Шуккертом, дала ток в 1878 году. Предназначалась она для освещения грота Венеры в саду замка Линденхорф, принадлежавшего Людовику Второму Баварскому.

Первая общественная угольная тепловая электростанция – осветительная станция Томаса Эдисона, начала свою работу в Лондоне 12 января 1882 года.

Первая коммерческая центральная тепловая электростанция, сооружённая компанией Edison Illuminating Company (основанной Томасом Эдисоном), что находилась в тот момент под руководством Фрэнсиса Аптона, заработала 4 сентября 1882 года. Расположена она была в деловом (финансовом) районе Манхэттена города Нью-Йорк, на улице Перл-Стрит 255-257.

Станция работала на угле. Первый этаж здания занимали паровые котлы, второй – паровые и динамо-машины, третий и четвёртый – приборы измерения и контроля.

Выдающиеся инженерные и организаторские способности Т. Эдисона, помноженные на прагматическую расчётливость сказались и здесь. Теплоэлектростанция не только обеспечивала работу 400 осветительных ламп у 80 клиентов, но и отапливала ближние здания на Манхэттене. Впервые в истории реализуя принцип когенерации (совместного производства двух видов энергии – электричества и тепла) и, создавая предпосылку для будущего возникновения ТЭЦ.

Виды тепловых электростанций

Классификация тепловых электростанций построена на ряде признаков.

В зависимости от теплосиловых установок различают такие типы ТЭС:

• котлотурбинные (паротурбинные), что включают в себя следующие виды ТЭС: конденсационные станции (КЭС) и теплоэлектроцентрали (теплофикационные станций или ТЭЦ);
• газотурбинные станции;
• парогазовые установки;
• станции на поршневых двигателях (дизели), процесс воспламенения внутри которых основан на сжатии или на образовании искры.

Тепловые станции также классифицируют по назначению и характеру использования тепловой и электрической энергии: конденсационные (КЭС), значительная часть которых по историческим причинам получила название ГРЭС, что означало государственную районную электростанцию (современные реалии трактуют этот термин как мощные тепловые электростанции) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ, теплоэнергостанции или теплофикационные станции).

Кроме того, существующие технологические схемы паропроводов определяют: блочные ТЭС, состоящие из отдельных изолированных друг от друга энергоблоков и оснащённые поперечными связями станции, работающие на единый коллектор.

Принцип работы тепловой электростанции

Ответ на стандартный вопрос о том, как работает тепловая электростанция, лежит на поверхности обычной кухонной газовой плиты. Да, именно там, зажигая газ и ставя на конфорку чайник, можно увидеть стремительно выходящий из его носика пар. Подключив немного воображения, можно представить себе, как мощный нагретый поток пара вращает крыльчатку, на ось которой насажен электрический генератор, вырабатывающий электрический ток.

Так и работает теплоэлектростанция – самое распространённое в мире техническое средство для производства электроэнергии, чей принцип работы включает все названые процессы, но уже в большем масштабе.

Одновременно в топку котла поступает топливо и предварительно нагретый воздух. Во время сгорания смеси вода превращается в пар, который давит на лопасти турбины. Турбина соосна с ротором генератором (они размещаются на одном валу), потому её вращение приводит к выработке электрической энергии. Параллельно с этим утративший свою энергию пар конденсируется и охлаждается в прудах-охладителях, градирнях, водохранилищах, превращаясь в воду, которую нагревают и возвращают с помощью насос в котёл.

А в этом и заключается термодинамическая фишка, которая говорит, что одним из лучших способов повышения термического КПД паротурбинной установки служит понижение температуры и давления пара после турбины. Ну а подавать воду в парогенератор лучше всего в нагретом состоянии (и вновь свой жёсткий вердикт выносят законы термодинамики!)

Как работает ТЭЦ? Технология производтва энергии

ТЭС на угле

По данным Международного энергетического агентства на долю угля в общемировом производстве электрической энергии пришлось 36,7% за период 2019 года. Угольные тепловые электрические станции в количестве 2,5 тыс. штук (79 из них в России) удовлетворяли насущные потребности жителей планеты в 2021 году.

И это закономерно, так как каменный и бурый уголь широко распространены и подчас легкодоступны за счёт открытого способа добычи. А хранение и доставка этого твёрдого вида топлива не создают особых проблем. Совмещая измельчение угля за счёт дробилок и мельниц с подачей его сжатым воздухом внутрь топки, удаётся добиться режима наибольшей теплоотдачи.

И, несмотря на очевидные достоинства, обусловленные низкой ценой угля и возможностью накопления его в непосредственной близости от ТЭС, такой тип повсюду распространённых тепловых электростанций не лишен ряда существенных недостатков. К ним относятся:

• ряд экологических проблем;
• ограниченная энергетическая манёвренность, обусловленная накоплением шлака;
• пониженный КПД отпуска электрической энергии;
• высокие эксплуатационные затраты.

Результатом чего стало распространение альтернативных методов сжигания угля с использованием инновационных технологий.

Новые технологии сжигания угля

Необходимо сразу оговориться, что такие технологии рождаются беспрерывным потоком, сменяя одна другую. Газификация угля, получение термококса в соответствии с международными стандартами на основании технологии «zero emission», изобретение российскими учёными эффективнейшей методики сжигания смеси угля с солями металлов – новым способам и техникам нет конца.

Метод «oxyfuel capture»

Суть метода заключена в использовании кислорода, служащего окислителем. Поэтому процесс сгорания сопровождается получением пара, передающего свою энергию турбине.

Под воздействием электромагнитных фильтров из уходящих газов изымается зола, а за счёт подачи водяной струи смешанной с известняком оттуда же убирается оксид серы. Путём охлаждения из оставшейся смеси конденсируется вода, а углекислый газ подвергается сжатию под воздействием давления в 70 атмосфер и утилизации посредством захоронения в землю.

Ценность метода «oxyfuel capture» заключена в попытке доказать практику нейтрализации всего набора вредных веществ, выделяемых в атмосферу при сжигании угля!

Метод «pre-combustion»

Здесь уголь смешивается с воздухом. Но в отличие от предыдущего способа, топливо предварительно греют.

Затем выполняют череду химических преобразований, приводящих к появлению водорода, что сгорает в газовой турбине и углекислого газа. После изъятия золы и оксида серы, CO₂ усваивается жидким абсорбентом, а затем удаляется и утилизируется.

Газовые ТЭС

Важное пояснение: здесь газовые ТЭС подразумевают все возможные типы ныне действующих тепловых электростанций, а не только газотурбинные электростанции, но работающие именно на газе.

Следующим шагом на пути к совершенствованию тепловых станций стало использование природного газа, что вполне закономерно. Хотя сам принцип работы газовой тепловой электростанции практически ничем не отличается от работы угольной ТЭС. Зато технико-экономические особенности-преимущества применения голубого топлива по сравнению с углём очевидны:

• значительно меньшее в сравнении с углём загрязнение окружающей среды,
• отсутствие продуктов сгорания в виде золы и шлака,
• предварительно готовить топливо не нужно,
• повышенная возможность манёвра при увеличении или уменьшении нагрузки.

Кроме того, при работе теплоэлектростанций на парогазовых агрегатах значительно повышается КПД и эффективность работы ТЭС, так как процесс горения топлива организован непосредственно в самой газовой турбине.

Другие виды топлива для ТЭС

Помимо традиционных видов топлива – газа и каменного угля, на чём работают нынешние ТЭС, ранее использовали мазут и торф. Но это скорее в прошлом, так как они обладают рядом существенных недостатков.

Для транспортировки мазута требуются железнодорожные составы с цистернами. Его необходимо хранить и перед употреблением разогревать, так поступает топливо в виде густой массы. Но самое неприятное – это выделение в атмосферу оксида серы. Вещества, приводящего к образованию в воздухе серной кислоты, оказывающей разъедающее и разрушающее воздействие. Но в качестве резервного топлива и растопочного материала, мазут он вполне подходит.

Применять торфа не рентабельно, вследствие его низкой энергетической эффективности, а также проблем с доставкой и складированием. Использование иных видов топлива, носящее достаточно редкий характер, оправдано лишь в исключительных случаях низкого локального уровня потребления электроэнергии или избытка горючего материала.

Биогаз

В связи с растущей популярностью альтернативных видов топлива, в качестве одного из таких материалов всё больше выступает биомасса, биотопливо или производимый на их основе биогаз.

КПД тепловой электростанции

Хотя с началом III тысячелетия количество тепловых электростанций, задействованных в общемировой генерации энергии, несколько увеличилось за счёт развивающихся стран, однако это не избавило сами ТЭС от малой эффективности процесса энергетических преобразований.

Отсюда КПД большинства современных теплоэлектростанций в 2013 году составляло 34%, доходя до 46% у наиболее эффективных угольных станций, и достигая 61% у лучших газовых станций. Да, использование когенерации (одновременной выработки двух видов энергии – электричества и тепла – на одной установке) увеличивает расчётный КПД, но незначительно. По причине уноса тепла уходящими газами термический КПД тепловых электрических станций не превышает 36%.

К сведению:

Оснащённые котлами-утилизаторами и дополнительными турбинами газотурбинные установки доводят этот показатель до величины, превышающей 40%.

Поиском путей повышения КПД теплоэлектростанций заняты многие учёные и исследователи. Одним из результатов их деятельности уже стал промежуточный перегрев пара, существенным образом повышающий термический КПД. Наиболее перспективные разработки обещают освоение суперсверхкритических параметров пара, что сулит увеличение КПД угольных ТЭС до 55%, а также совмещение газового и парового цикла в рамках высокоманевренного агрегата, позволяющее довести этот показатель до 60%.

Тепловая электростанция: плюсы и минусы

Электростанции, что обеспечивают 60% мирового производства энергии, обладают в сравнении с ГЭС и АЭС, рядом достоинств, к числу которых можно причислить:

• большую свободу размещения, объясняемую возможностью использования разнообразных видов топлива;
• меньшую занимаемую площадь отчуждения;
• быстроту возведения;
• низкую удельную стоимость, соотнесённую с единицей установленной мощности;
• значительно более низкий уровень воздействия на окружающую местность и проживающее там населения при возникновении масштабных аварий и катастроф, если не принимать во внимание прекращение процессов электро- и теплоснабжения;
• все сезонность и универсальность, дающие возможность обеспечения абонентов тепловой энергии, что необходима во время холодов.

Параллельно ТЭС обладают и рядом существенных недостатков:

• для стабильной работы тепловых станций нужен непрерывный поток поставок топливных ресурсов;
• непосредственное обслуживание топливного цикла требует участия значительного количества персонала;
• частые смены режимов работы агрегатов станции увеличивают расход топлива и сокращают срок службы оборудования;
• технико-экономические особенности тепловых станций определяют их сравнительно низкий КПД;
• работа ТЭС самым негативным образом влияет на окружающую среду.

Самые мощные ТЭС

Наибольшие генерирующие мощности стараются располагать как можно ближе к источникам топлива или к потребителям электрической энергии. Возможно, поэтому первое место в мире по уровню мощности среди тепловых станций удерживает китайская ТЭС.

Название	Страна	Установленная мощность  (МВт)	Топливо
Тогто	КНР	6600 (выходная 6720)	уголь
Тайчжунская	Тайвань	5780	уголь
Сургутская ГРЭС-2	РФ	5675,1	попутный и природный газ
Белхатувская	ПНР	5420	уголь
Фуццу	Япония	5040	попутный и природный газ

В Российской Федерации лидерство принадлежат:

• Сургутской ГРЭС-2 (5,6 ГВт), что была выстроена в Ханты-Мансийском АО.
• Рефтинской ГРЭС (3,8 ГВт) в Свердловской области.
• Костромской ГРЭС (3,6 ГВт) в одноимённой области.
• Сургутской ГРЭС-1 (3,3 ГВт) в Ханты-Мансийском АО,
• Рязанской ГРЭС (3,3 ГВт) в Рязанской области.

Математические модели и методы, используемые в задачах управления ТЭС

С целью формирования оптимальных параметров работы и определения наилучших критериев управления, технологические процессы, протекающие внутри ТЭС, описывают математическими моделями в виде уравнений или систем уравнений.

За основу обычно принимается стандартный энергоблок, хотя возможно использование математических методов и для исследования ряда процессов, протекающих вне его, вплоть до анализа финансово-экономических показателей.

При этом сам блок для удобства моделирования включает в себя парогенератор (котёл) и турбогенератор, что является следствием двух этапов преобразования энергии. В обязательном порядке учитываются такие факторы, как схема компоновки станции (блочная или с поперечными связями) и необходимость постоянного отпуска энергии, не подлежащей хранению.

Входными переменными величинами для энергоблока выступают расходы воды, воздуха, топлива и множество других параметров, а выходными воздействиями служат: количество выработанной электрической и тепловой энергии, их потери в системах охлаждения и удаления дымовых газов, производительность котла, физические параметры выходных энергоносителей. Также могут учитываться и собственные нужды электростанции.

В качестве математических методов абстрагирования находят применение:

• уравнения балансов – материального или энергетического;
• дифференциальные уравнения на основе передаточных функций, комплексных частотных функций и иных зависимостей одних величин от других.

При их составлении необходимо выявить все каналы и сам характер управляющих, регулирующих и возмущающих воздействий.

Что в итоге и даст возможность представить ТЭС или некоторые составляющие её элементы в виде готовых к употреблению математических моделей, готовых выявлять наиболее эффективные алгоритмы работы.

Экологические аспекты работы тепловой станции

Почти 90% электрической энергии производится тепловыми электрическими станциями. Но в отличие от других способов генерации, теплоэнергетические установки наносят больший вред окружающей среде. На всех этапах: от добычи – до ликвидации отходов, ТЭС негативно влияют на атмосферу, водные ресурсы, земную поверхность.

Возникающие проблемы:

• истощение запасов органического топлива, сама процедура добычи которых с последующей доставкой к месту употребления наносит весьма ощутимый вред;
• значительные расходы воды, сопровождаемые затем вредными стоками;
• ежегодное насыщение атмосферы загрязняющими веществами (порядка 250 млн т золы и почти 60 млн т сернистого ангидрида, не считая множества других веществ и химических элементов), которое провоцирует кислотные дожди и постепенное исчезновение озонового слоя планеты;
• тепловое воздействие на окружающую природу, вызывающее изменение климата и разрушение сложившейся биосферы;
• загрязнение близлежащей местности отходами в виде шлака и золы, что практически не утилизируются;
• шумовое, электромагнитное, а в случае работы угольных теплоэлектростанций, – и радиоактивное загрязнение.

Нельзя сказать, что работа по минимизации экологического ущерба, оказываемого тепловыми станциями, не ведётся. Она организована самым широким образом, даже в ущерб технологической и экономической эффективности. Но результат пока ещё далёк от желаемого. А значит, научно-исследовательскую деятельность в этом направлении необходимо продолжать. Ведь альтернативы тепловым электростанциям в ближайшем будущем пока что не предвидится.