1.2. Типи теплових електростанцій та принцип їх роботи

Електроенергію виробляють на електростанціях за рахунок використання енергії, схованої в різних природних ресурсах. Як видно із табл. 1.2, це відбувається в основному на теплових (ТЕС) і атомних електростанціях (АЕС), працюючих по тепловому циклу.

Типи теплових електростанцій

За видом генерованої і відпускної енергії теплові електростанції поділяють на два основних типи: конденсаційні (КЕС), призначені тільки для виробництва електроенергії, і теплофікаційні, або теплоелектроцентралі (ТЕЦ). Конденсаційні електричні станції,що працюють на органічному паливі, будують поблизу місць його добування, а теплоелектроцентралі розміщують поблизу споживачів тепла – промислових підприємств і житлових масивів. ТЕЦ також працюють на органічному паливі, але на відміну від КЕС виробляють як електричну, так і теплову енергію у вигляді гарячої води і пари для виробничих і теплофікаційних цілей. До основних видів палива цих електростанцій відносяться: тверде – кам’яне вугілля, антрацит, напівантрацит, буре вугілля, торф, сланці; рідке – мазут і газоподібне – природний, коксовий, доменний і т.п. газ.

Атомні електростанції переважно конденсаційного типу використовують енергію ядерного палива.

Запорізька ТЕС (3600 МВт) – одна із найпотужніших ТЕС України (ділить 1–2-е місця з Вуглегірською ТЕС)

Таблиця 1.2. Виробіток електроенергії у світі

Показник	1990 р.	2000 р.	2010 р. (прогноз)
Частка загального виробітку по електростанціях, % АЕС ТЕС на газі ТЕС на мазуті ТЕС на вугіллі та інших видах палива ГЕС і ЕС на інших, відновлювальних, видах палива	17 14 12 38     19	16 19 10 37     18	14 23 9 36     18
Виробіток електроенергії по регіонах, % Західна Європа Східна Європа Азія і Австралія Америка Середній Схід і Африка	20 18 21 36 5	19 13 28 34 6	18 12 34 30 6
Встановлена потужність електростанцій в світі (всього), ГВт У тому числі, % АЕС ТЕС на газі ТЕС на мазуті ТЕС на вугіллі та інших видах палива ГЕС і ЕС на інших, відновлювальних, видах палива	2830   12 17 15 33  23	3580   11 20 14 32  23	4450   10 22 13 32  23
Виробіток електроенергії (сумарний), млрд. кВт·год	11900	15100	19500

У залежності від типу теплосилової установки для приводу електрогенератора електростанції поділяються на паротурбінні (ПТУ), газотурбінні (ГТУ), парогазові (ПГУ) і електростанції з двигунами внутрішнього згорання (ДЕС).

У залежності від тривалості роботи ТЕС впродовж року при покритті графіків енергетичних навантажень, які характеризуються числом годин використання встановленої потужності ?уст, електростанції прийнято класифікувати на: базові (τуст > 6000 год/рік); напівпікові (τуст = 2000–5000 год/рік); пікові (τуст < 2000 год/рік).

Базовими називають електростанції, які несуть максимально можливе постійне навантаження впродовж більшої частини року. У світовій енергетиці як базові використовують АЕС, високоекономічні КЕС, а також ТЕЦ при роботі по тепловому графіку.

Пікові навантаження покривають ГЕС, ГАЕС, ГТУ, що володіють маневреністю і мобільністю, тобто швидкими пуском і зупинкою. Пікові електростанції включаються в години, коли потрібно покрити пікову частину добового графіка електричного навантаження. Напівпікові електростанції при зменшенні загального електричного навантаження або переводяться на знижену потужність, або виводяться в резерв.

По технологічній структурі теплові електростанції поділяються на блочні й неблочні. При блочній схемі основне і допоміжне обладнання паротурбінної установки не мають технологічних зв’язків з обладнанням іншої установки електростанції. Для електростанцій на органічному паливі при цьому до кожної турбіни пара підводиться від одного або двох з’єднаних з нею котлів. При неблочній схемі ТЕС пара від всіх котлів надходить в загальну магістраль і звідти розподіляється по окремих турбінах.

Вуглегірська ТЕС потужністю 3600 МВт

 Південно-Українська АЕС потужністю 3000 МВт

На конденсаційних електростанціях, які входять у великі енергосистеми, застосовуються тільки блочні системи з проміжним перегрівом пари. Неблочні схеми з поперечними зв’язками по парі та воді застосовуються без проміжного перегріву.

Принцип роботи й основні енергетичні характеристики теплових електростанцій

Електроенергію на електростанціях виробляють за рахунок використання енергії, схованої в різних природних ресурсах (вугілля, мазут, уран та ін.), за достатньо простим принципом, реалізуючи технологію перетворення енергії. Загальна схема ТЕС (див. мал.1.1) відображає послідовність такого перетворення одних видів енергії в інші та використання робочого тіла (вода, пара) в циклі теплової електростанції. Паливо (в даному випадку вугілля) згоряє в котлі, нагріває воду і перетворює її в пару. Пара подається в турбіни, які перетворюють теплову енергію пари в механічну енергію і приводять в дію генератори, виробляючи електроенергію (див. розділ 4.1).

Сучасна теплова електростанція – це складне підприємство, яке включає велику кількість різноманітного обладнання. Склад обладнання електростанції залежить від вибраної теплової схеми, виду використовуваного палива і типу системи водопостачання.

Основне обладнання електростанції включає: котельні й турбінні агрегати з електричним генератором і конденсатором. Ці агрегати стандартизовані по потужності, параметрах пари, продуктивності, напрузі та силі струму і т.д. Тип і кількість основного обладнання теплової електростанції відповідають заданій потужності й передбаченому режиму її роботи. Існує і допоміжне обладнання, яке служить для відпуску теплоти споживачам і використання пари турбіни для підігріву живильної води котлів і забезпечення власних потреб електростанції. До нього відноситься обладнання систем паливопостачання, деаераційно-живильної установки, конденсаційної установки, теплофікаційної установки (для ТЕЦ), систем технічного водопостачання, маслопостачання, регенеративного підігріву живильної води, хімводопідготовки, розподілу і передачі електроенергії (див. розділ 4).

Мал.1.5. Добові графіки електричного навантаження: а – промисловий; б – освітлювально-побутовий; в – сумарний
(––зима, ------ – літо)

На всіх паротурбінних установках застосовується регенеративний підігрів живильної води, який суттєво підвищує теплову і загальну економічність електростанції, оскільки в схемах з регенеративним підігрівом потоки пари, що відводяться із турбіни в регенеративні підігрівачі, здійснюють роботу без втрат в холодному джерелі (конденсаторі). При цьому для одної і тої ж електричної потужності турбогенератора витрата пари в конденсаторі знижується і в результаті к.к.д. установки росте.

Тип застосовуваного парового котла (див. розділ 2) залежить від виду палива, яке використовується на електростанції. Для найбільш розповсюджених палив (копалини: вугілля, газ, мазут, фрезторф) застосовуються котли з П-, Т-подібною і баштовою компоновкою і топковою камерою, розробленою відповідно до того чи іншого виду палива. Для палив з легкоплавкою золою використовуються котли з рідким шлаковидаленням. При цьому досягається високе (до 90%) вловлювання золи в топці й знижується абразивне зношення поверхонь нагріву. Із цих же міркувань для високозольних палив, таких як сланці та відходи вуглезбагачення, застосовуються парові котли з чотирьохходовою компоновкою. На теплових електростанціях використовуються, як правило, котли барабанної або прямоточної конструкції.

Турбіни і електрогенератори узгоджуються по шкалі потужності. Кожній турбіні відповідає певний тип генератора. Для блочних теплових конденсаційних електростанцій потужність турбін відповідає потужності блоків, а число блоків визначається заданою потужністю електростанції. У сучасних блоках використовуються конденсаційні турбіни потужністю 150, 200, 300, 500, 800 і 1200 МВт з проміжним перегрівом пари.

На ТЕЦ застосовуються турбіни (див. підрозділ 4.2) з протитиском (типу Р), з конденсацією і виробничим відбором пари (типу П), з конденсацією і одним або двома теплофікаційними відборами (типу Т), а також з конденсацією,промисловим і теплофікаційними відборами (типу ПТ). Турбіни типу ПТ також можуть мати один або два теплофікаційних відбори. Вибір типу турбіни залежить від величини і співвідношення теплових навантажень. Якщо переважає опалювальне навантаження, то в додаток до турбін ПТ можуть бути встановлені турбіни типу Т з теплофікаційними відборами, а при перевазі промислового навантаження – турбіни типів ПР і Р з промисловим відбором і протитиском.

У даний час на ТЕЦ найбільше розповсюдження мають установки електричною потужністю 100 і 50 МВт, що працюють на початкових параметрах 12,7 МПа, 540–560°С. Для ТЕЦ великих міст створені установки електричною потужністю 175–185 МВт і 250 МВт (з турбіною Т-250-240). Установки з турбінами Т-250-240 є блочними і працюють при надкритичних початкових параметрах (23,5 МПа, 540/540°С).

Особливістю роботи електричних станцій в мережі є те, що загальна кількість електричної енергії, вироблюваної ними в кожний момент часу, повинна повністю відповідати споживаній енергії. Основна частина електричних станцій працює паралельно в об’єднаній енергетичній системі, покриваючи загальне електричне навантаження системи, а ТЕЦ одночасно і теплове навантаження свого району. Є електростанції місцевого значення, призначені для обслуговування району і не підключені до загальної енергосистеми.

Графічне зображення залежності електроспоживання в часі називають графіком електричного навантаження. Добові графіки електричного навантаження (мал. 1.5) змінюються в залежності від часу року, дня тижня і характеризуються зазвичай мінімальним навантаженням в нічний період і максимальним навантаженням в години пік (пікова частина графіка). Поряд із добовими графіками велике значення мають річні графіки електричного навантаження (мал. 1.6), які будуються за даними добових графіків.

Мал. 1.6. Графік річного електричного навантаження за тривалістю: I – базове навантаження; II – проміжне навантаження; III – пікове навантаження

Графіки електричних навантажень використовуються при плануванні електричних навантажень електростанцій і систем, розподілі навантажень між окремими електростанціями і агрегатами, в розрахунках по вибору складу робочого і резервного обладнання, визначенні потрібної встановленої потужності і необхідного резерву, числа і одиничної потужності агрегатів, при розробці планів ремонту обладнання і визначенні ремонтного резерву та ін.

При роботі з повним навантаженням обладнання електростанції розвиває номінальну або максимально тривалу потужність (продуктивність), яка є основною паспортною характеристикою агрегату. На цій найбільшій потужності (продуктивності) агрегат повинен довго працювати при номінальних значеннях основних параметрів. Однією з основних характеристик електростанції є її встановлена потужність, яка визначається як сума номінальних потужностей всіх електрогенераторів і теплофікаційного обладнання з врахуванням резерву.

Робота електростанції характеризується також числом годин використання встановленої потужності, яке залежить від того, в якому режимі працює електростанція. Для електростанцій, які несуть базове навантаження, число годин використання встановленої потужності складає 6000–7500 год/рік, а для працюючих в режимі покриття пікових навантажень – менше 2000–3000 год/рік.

Мал. 1.7. Графік добового теплового навантаження підприємств:
(– зима, ----- літо)

Навантаження, за якого агрегат працює з найбільшим к.к.д., називають економічним навантаженням. Номінальне тривале навантаження може дорівнювати економічному. Інколи можлива короткочасна робота обладнання з навантаженням на 10–20% вищим номінального при більш низькому к.к.д. Якщо обладнання електростанції стійко працює з розрахунковим навантаженням при номінальних значеннях основних параметрів або при зміні їх в допустимих межах, то такий режим називається стаціонарним.

Режими роботи з установленими навантаженнями, які відрізняються від розрахункових, або з неустановленими навантаженнями називають нестаціонарними або змінними режимами. При змінних режимах одні параметри залишаються незмінними і мають номінальні значення, інші – змінюються у визначених допустимих межах. Так, при частковому навантаженні блоку тиск і температура пари перед турбіною можуть залишатись номінальними, в той час як вакуум в конденсаторі й параметри пари у відборах змінюються пропорційно навантаженню. Можливі також нестаціонарні режими, коли змінюються всі основні параметри. Такі режими мають місце, наприклад, при пуску і зупинці обладнання, скиданні та накиді навантаження на турбогенераторі, при роботі на змінних параметрах і називаються нестаціонарними.Мал. 1.8. Сумарний річний графік теплового навантаження по тривалості: I – опалювальний період; II – літній період

Теплове навантаження електростанції використовується для технологічних процесів і промислових установок, для опалення і вентиляції виробничих, житлових і громадських будівель, кондиціювання повітря і побутових потреб. Для виробничих цілей зазвичай потрібна пара тиском від 0,15 до 1,6 МПа. Проте, щоб зменшити втрати при транспортуванні й уникнути необхідності безперервного дренування води із комунікацій, з електростанції пару відпускають дещо перегрітою. На опалення, вентиляцію і побутові потреби ТЕЦ подає зазвичай гарячу воду з температурою від 70 до 180°С.

Теплове навантаження, що визначається витратою тепла на виробничі процеси і побутові потреби (гаряче водопостачання), залежить від зовнішньої температури повітря. В умовах України влітку це навантаження (як і електричне) менше зимового. Промислове і побутове теплові навантаження змінюються впродовж діб, крім того, середньодобове теплове навантаження електростанції, що витрачається на побутові потреби, змінюється в робочі та вихідні дні. Типові графіки змін добового теплового навантаження промислових підприємств й гарячого водопостачання житлового району показані на мал. 1.7 і 1.8.

Ефективність роботи ТЕС характеризується різними техніко-економічними показниками, одні з яких оцінюють досконалість теплових процесів (к.к.д., витрати теплоти і палива), а інші характеризують умови, в яких працює ТЕС. Наприклад, на мал. 1.9 (а, б) наведено приблизні теплові баланси ТЕЦ і КЕС.

Мал. 1.9. Тепловий баланс: а – теплоелектроцентралі ТЕЦ; б – конденсаційної електростанції КЕС

Як видно із малюнків, комбінований виробіток електричної і теплової енергії забезпечує значне підвищення теплової економічності електростанцій завдяки зменшенню втрати теплоти в конденсаторах турбін.

Найбільш важливими і повними показниками роботи ТЕС є собівартості електроенергії і теплоти.

Теплові електростанції мають як переваги, так і недоліки в порівнянні з іншими типами електростанцій. Можна вказати наступні переваги ТЕС:

• відносно вільне територіальне розміщення, пов’язане з широким розповсюдженням паливних ресурсів;

• здатність (на відміну від ГЕС) виробляти енергію без сезонних коливань потужності;

• території відчуження і виведені із господарського обороту землі під спорудження і експлуатацію ТЕС, як правило, значно менші, ніж це необхідно для АЕС і ГЕС;

• ТЕС споруджуються значно швидше, ніж ГЕС або АЕС, а їх питома вартість на одиницю установленої потужності нижча в порівнянні з АЕС.

У той же час ТЕС володіють великими недоліками:

• для експлуатації ТЕС зазвичай потрібно набагато більше персоналу, ніж для ГЕС, що пов’язано з обслуговуванням досить масштабного за об’ємом паливного циклу;

• робота ТЕС залежить від поставок паливних ресурсів (вугілля, мазут, газ, торф, горючі сланці);

• змінність режимів роботи ТЕС знижує ефективність, підвищує витрату палива і призводить до підвищеного зношення обладнання;

• існуючі ТЕС характеризуються відносно низьким к.к.д. (в основному до 40%);

• ТЕС чинять прямий і неблагополучний вплив на навколишнє середовище і не є екологічно «чистими» джерелами електроенергії.

Найбільшу шкоду екології навколишніх регіонів завдають електростанції, які працюють на вугіллі, особливо високозольному. Серед ТЕС найбільш «чистими» є станції, що використовують в своєму технологічному процесі природний газ.

За оцінками експертів, ТЕС всього світу викидають в атмосферу щорічно близько 200–250 млн. тонн золи, більше 60 млн. тонн сульфідного ангідриду, велику кількість оксидів азоту і вуглекислого газу (який викликає так званий парниковий ефект і призводить до довготермінових глобальних кліматичних змін), поглинаючи велику кількість кисню. Крім того, на даний час встановлено, що надлишковий радіаційний фон навколо теплових електростанцій, які працюють на вугіллі, в середньому у світі в 100 разів вищий, ніж поблизу АЕС такої ж потужності (вугілля в якості мікродомішок майже завжди містить уран, торій і радіоактивний ізотоп вуглецю). Тим не менше, добре відпрацьовані технології будівництва, обладнання і експлуатації ТЕС, а також менша вартість їх спорудження приводять до того, що на ТЕС припадає основна частина світового виробництва електроенергії. З цієї причини удосконаленню технологій ТЕС і зниженню негативного впливу їх на навколишнє середовище у всьому світі приділяється велика увага (див. розділ 6).

Луганська ТЕС