1.2. Типы тепловых электростанций и принцип их работы

Электроэнергию производят на электростанциях за счет использования энергии, скрытой в различных природных ресурсах. Как видно из табл. 1.2 это происходит в основном на тепловых (ТЭС) и атомных электростанциях (АЭС), работающих по тепловому циклу.

Типы тепловых электростанций

По виду генерируемой и отпускаемой энергии тепловые электростанции разделяют на два основных типа: конденсационные (КЭС), предназначенные только для производства электроэнергии, и теплофикационные, или теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Конденсационные электрические станции, работающие на органическом топливе, строят вблизи мест его добычи, а теплоэлектроцентрали размещают вблизи потребителей тепла – промышленных предприятий и жилых массивов. ТЭЦ также работают на органическом топливе, но в отличие от КЭС вырабатывают как электрическую, так и тепловую энергию в виде горячей воды и пара для производственных и теплофикационных целей. К основным видам топлива этих электростанций относятся: твердое – каменные угли, антрацит, полуантрацит, бурые угли, торф, сланцы; жидкое – мазут и газообразное – природный, коксовый, доменный и т.п. газ.

Запорожская ТЭС (3600 МВт) – одна из самых мощных ТЭС Украины (делит 1–2-е места с Углегорской ТЭС)

Таблица 1.2. Выработка электроэнергии в мире

Показатель	1990 г.	2000 г.	2010 г. (прогноз)
Доля общей выработки по электростанциям, % АЭС ТЭС на газе ТЭС на мазуте ТЭС на угле и прочих видах топлива ГЭС и ЭС на других, возобновляемых, видах топлива	17 14 12 38 19	16 19 10 37 18	14 23 9 36 18
Выработка электроэнергии по регионам, %      Западная Европа Восточная Европа Азия и Австралия Америка Средний Восток и Африка	20 18 21 36 5	19 13 28 34 6	18 12 34 30 6
Установленная мощность электростанций в мире (всего), ГВт В том числе, % АЭС ТЭС на газе ТЭС на мазуте ТЭС на угле и прочих видах топлива ГЭС и ЭС на других, возобновляемых, видах топлива	2830 12 17 15 33 23	3580 11 20 14 32 23	4450 10 22 13 32 23
Выработка электроэнергии (суммарная), млрд. кВт·ч	11900	15100	19500

Атомные электростанции преимущественно конденсационного типа используют энергию ядерного топлива.

В зависимости от типа теплосиловой установки для привода электрогенератора электростанции подразделяются на паротурбинные (ПТУ), газотурбинные (ГТУ), парогазовые (ПГУ) и электростанции с двигателями внутреннего сгорания (ДЭС).

В зависимости от длительности работы ТЭС в течение года по покрытию графиков энергетических нагрузок, характеризующихся числом часов использования установленной мощностиτуст, электростанции принято классифицировать на: базовые (τуст> 6000 ч/год); полупиковые (τуст= 2000 – 5000 ч/год); пиковые (τуст< 2000 ч/год).

Базовыми называют электростанции, несущие максимально возможную постоянную нагрузку в течение большей части года. В мировой энергетике в качестве базовых используют АЭС, высокоэкономические КЭС, а также ТЭЦ при работе по тепловому графику. Пиковые нагрузки покрывают ГЭС, ГАЭС, ГТУ, обладающие маневренностью и мобильностью, т.е. быстрым пуском и остановкой. Пиковые электростанции включаются в часы, когда требуется покрыть пиковую часть суточного графика электрической нагрузки. Полупиковые электростанции при уменьшении общей электрической нагрузки либо переводятся на пониженную мощность, либо выводятся в резерв.

По технологической структуре тепловые электростанции подразделяются на блочные и неблочные. При блочной схеме основное и вспомогательное оборудование паротурбинной установки не имеет технологических связей с оборудованием другой установки электростанции. Для электростанций на органическом топливе при этом к каждой турбине пар подводится от одного или двух соединенных с ней котлов. При неблочной схеме ТЭС пар от всех котлов поступает в общую магистраль и оттуда распределяется по отдельным турбинам.

Углегорская ТЭС мощностью 3600 МВт

Южно-Украинская АЭС мощностью 3000 МВт

На конденсационных электростанциях, входящих в крупные энергосистемы, применяются только блочные системы с промежуточным перегревом пара. Неблочные схемы с поперечными связями по пару и воде применяются без промежуточного перегрева.

Принцип работы и основные энергетические характеристики тепловых электростанций

Электроэнергию на электростанциях производят за счет использования энергии, скрытой в различных природных ресурсах (уголь, газ, нефть, мазут, уран и др.), по достаточно простому принципу, реализовывая технологию преобразования энергии. Общая схема ТЭС (см. рис. 1.1) отражает последовательность такого преобразования одних видов энергии в другие и использования рабочего тела (вода, пар) в цикле тепловой электростанции. Топливо (в данном случае уголь) сгорает в котле, нагревает воду и превращает ее в пар. Пар подается в турбины, преобразующие тепловую энергию пара в механическую энергию и приводящие в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию (см. раздел 4.1).

Современная тепловая электростанция – это сложное предприятие, включающее большое количество различного оборудования. Состав оборудования электростанции зависит от выбранной тепловой схемы, вида используемого топлива и типа системы водоснабжения.

Рис. 1.5. Суточные графики электрической нагрузки: а – промышленный; б – осветительно-бытовой; в – суммарный (– зима, - - - лето)

Основное оборудование электростанции включает: котельные и турбинные агрегаты с электрическим генератором и конденсатором. Эти агрегаты стандартизованы по мощности, параметрам пара, производительности, напряжению и силе тока и т.д. Тип и количество основного оборудования тепловой электростанции соответствуют заданной мощности и предусмотренному режиму её работы. Существует и вспомогательное оборудование, служащее для отпуска теплоты потребителям и использования пара турбины для подогрева питательной воды котлов и обеспечения собственных нужд электростанции. К нему относится оборудование систем топливоснабжения, деаэрационно-питательной установки, конденсационной установки, теплофикационной установки (для ТЭЦ), систем технического водоснабжения, маслоснабжения, регенеративного подогрева питательной воды, химводоподготовки, распределения и передачи электроэнергии (см. раздел 4).

На всех паротурбинных установках применяется регенеративный подогрев питательной воды, существенно повышающий тепловую и общую экономичность электростанции, поскольку в схемах с регенеративным подогревом потоки пара, отводимые из турбины в регенеративные подогреватели, совершают работу без потерь в холодном источнике (конденсаторе). При этом для одной и той же электрической мощности турбогенератора расход пара в конденсаторе снижается и в результате к.п.д. установки растет.

Тип применяемого парового котла (см. раздел 2) зависит от вида топлива, используемого на электростанции. Для наиболее распространённых топлив (ископаемые угли, газ, мазут, фрезторф) применяются котлы с П-, Т-образной и башенной компоновкой и топочной камерой, разработанной применительно к тому или иному виду топлива. Для топлив с легкоплавкой золой используются котлы с жидким шлакоудалением. При этом достигается высокое (до 90%) улавливание золы в топке и снижается абразивный износ поверхностей нагрева. Из этих же соображений для высокозольных топлив, таких как сланцы и отходы углеобогащения, применяются паровые котлы с четырехходовой компоновкой. На тепловых электростанциях используются, как правило, котлы барабанной или прямоточной конструкции.

Турбины и электрогенераторы согласуются по шкале мощности. Каждой турбине соответствует определенный тип генератора. Для блочных тепловых конденсационных электростанций мощность турбин соответствует мощности блоков, а число блоков определяется заданной мощностью электростанции. В современных блоках используются конденсационные турбины мощностью 150, 200, 300, 500, 800 и 1200 МВт с промежуточным перегревом пара.

На ТЭЦ применяются турбины (см. подраздел 4.2) с противодавлением (типа Р), с конденсацией и производственным отбором пара (типа П), с конденсацией и одним или двумя теплофикационными отборами (типа Т), а также с конденсацией, промышленным и теплофикационными отборами пара (типа ПТ). Турбины типа ПТ также могут иметь один или два теплофикационных отбора. Выбор типа турбины зависит от величины и соотношения тепловых нагрузок. Если преобладает отопительная нагрузка, то в дополнение к турбинам ПТ могут быть установлены турбины типа Т с теплофикационными отборами, а при преобладании промышленной нагрузки – турбины типов ПР и Р с промышленным отбором и противодавлением.

В настоящее время на ТЭЦ наибольшее распространение имеют установки электрической мощностью 100 и 50 МВт, работающие на начальных параметрах 12,7 МПа, 540–560°С. Для ТЭЦ крупных городов созданы установки электрической мощностью 175–185 МВт и 250 МВт (с турбиной Т-250-240). Установки с турбинами Т-250-240 являются блочными и работают при сверхкритических начальных параметрах (23,5 МПа, 540/540°С).

Особенностью работы электрических станций в сети является то, что общее количество электрической энергии, вырабатываемой ими в каждый момент времени, должно полностью соответствовать потребляемой энергии. Основная часть электрических станций работает параллельно в объединенной энергетической системе, покрывая общую электрическую нагрузку системы, а ТЭЦ одновременно и тепловую нагрузку своего района. Есть электростанции местного значения, предназначенные для обслуживания района и не подсоединенные к общей энергосистеме.

Рис. 1.6. График годовой электрической нагрузки по продолжительности: І – базовая нагрузка; ІІ – промежуточная нагрузка; ІІІ – пиковая нагрузка

Графическое изображение зависимости электропотребления во времени называютграфиком электрической нагрузки. Суточные графики электрической нагрузки (рис.1.5) меняются в зависимости от времени года, дня недели и характеризуются обычно минимальной нагрузкой в ночной период и максимальной нагрузкой в часы пик (пиковая часть графика). Наряду с суточными графиками большое значение имеют годовые графики электрической нагрузки (рис. 1.6), которые строятся по данным суточных графиков.

Графики электрических нагрузок используются при планировании электрических нагрузок электростанций и систем, распределении нагрузок между отдельными электростанциями и агрегатами, в расчетах по выбору состава рабочего и резервного оборудования, определении требуемой установленной мощности и необходимого резерва, числа и единичной мощности агрегатов, при разработке планов ремонта оборудования и определении ремонтного резерва и др.

При работе с полной нагрузкой оборудование электростанции развивает номинальную или максимально длительную мощность (производительность), которая является основной паспортной характеристикой агрегата. На этой наибольшей мощности (производительности) агрегат должен длительно работать при номинальных значениях основных параметров. Одной из основных характеристик электростанции является ее установленная мощность, которая определяется как сумма номинальных мощностей всех электрогенераторов и теплофикационного оборудования с учетом резерва.

Рис. 1.7. График суточной тепловой нагрузки предприятий (– зима, - - - - лето)

Работа электростанции характеризуется также числом часов использования установленной мощности, которое зависит от того, в каком режиме работает электростанция. Для электростанций, несущих базовую нагрузку, число часов использования установленной мощности составляет 6000–7500 ч/год, а для работающих в режиме покрытия пиковых нагрузок – менее 2000–3000 ч/год.

Нагрузку, при которой агрегат работает с наибольшим к.п.д., называют экономической нагрузкой. Номинальная длительная нагрузка может быть равна экономической. Иногда возможна кратковременная работа оборудования с нагрузкой на 10–20% выше номинальной при более низком к.п.д. Если оборудование электростанции устойчиво работает с расчетной нагрузкой при номинальных значениях основных параметров или при изменении их в допустимых пределах, то такой режим называется стационарным.

Рис. 1.8. Суммарный годовой график тепловой нагрузки по продолжительности: І – отопительный период; ІІ – летний период

Режимы работы с установившимися нагрузками, но отличающимися от расчетных, или с неустановившимися нагрузками называют нестационарными или переменными режимами. При переменных режимах одни параметры остаются неизменными и имеют номинальные значения, другие – изменяются в определенных допустимых пределах. Так, при частичной нагрузке блока давление и температура пара перед турбиной могут оставаться номинальными, в то время как вакуум в конденсаторе и параметры пара в отборах изменятся пропорционально нагрузке. Возможны также нестационарные режимы, когда изменяются все основные параметры. Такие режимы имеют место, например, при пуске и остановке оборудования, сбросе и набросе нагрузки на турбогенераторе, при работе на скользящих параметрах и называются нестационарными.

Тепловая нагрузка электростанции используется для технологических процессов и промышленных установок, для отопления и вентиляции производственных, жилых и общественных зданий, кондиционирования воздуха и бытовых нужд. Для производственных целей обычно требуется пар давлением от 0,15 до 1,6 МПа. Однако, чтобы уменьшить потери при транспортировке и избежать необходимости непрерывного дренирования воды из коммуникаций, с электростанции пар отпускают несколько перегретым. На отопление, вентиляцию и бытовые нужды ТЭЦ подает обычно горячую воду с температурой от 70 до 180°С.

Тепловая нагрузка, определяемая расходом тепла на производственные процессы и бытовые нужды (горячее водоснабжение), зависит от наружной температуры воздуха. В условиях Украины летом эта нагрузка (так же как и электрическая) меньше зимней. Промышленная и бытовая тепловые нагрузки изменяются в течение суток, кроме того, среднесуточная тепловая нагрузка электростанции, расходуемая на бытовые нужды, меняется в рабочие и выходные дни. Типичные графики изменения суточной тепловой нагрузки промышленных предприятий и горячего водоснабжения жилого района приведены на рис 1.7 и 1.8.

Рис. 1.9. Тепловой баланс: а) – теплоэлектроцентрали ТЭЦ; б) – конденсационной электростанции КЭС

Эффективность работы ТЭС характеризуется различными технико-экономическими показателями, одни из которых оценивают совершенство тепловых процессов (к.п.д., расходы теплоты и топлива), а другие характеризуют условия, в которых работает ТЭС. Например, на рис. 1.9 (а,б) приведены примерные тепловые балансы ТЭЦ и КЭС.

Как видно из рисунков, комбинированная выработка электрической и тепловой энергии обеспечивает значительное повышение тепловой экономичности электростанций благодаря уменьшению потерь теплоты в конденсаторах турбин.

Наиболее важными и полными показателями работы ТЭС являются себестоимости электроэнергии и теплоты.

Тепловые электростанции имеют как преимущества, так и недостатки в сравнении с другими типами электростанций. Можно указать следующие достоинства ТЭС:

• относительно свободное территориальное размещение, связанное с широким распространением топливных ресурсов;
• способность (в отличие от ГЭС) вырабатывать энергию без сезонных колебаний мощности;
• площади отчуждения и вывода из хозяйственного оборота земли под сооружение и эксплуатацию ТЭС, как правило, значительно меньше, чем это необходимо для АЭС и ГЭС;
• ТЭС сооружаются гораздо быстрее, чем ГЭС или АЭС, а их удельная стоимость на единицу установленной мощности ниже по сравнению с АЭС.
• В то же время ТЭС обладают крупными недостатками:
• для эксплуатации ТЭС обычно требуется гораздо больше персонала, чем для ГЭС, что связано с обслуживанием весьма масштабного по объему топливного цикла;
• работа ТЭС зависит от поставок топливных ресурсов (уголь, мазут, газ, торф, горючие сланцы);
• переменность режимов работы ТЭС снижают эффективность, повышают расход топлива и приводят к повышенному износу оборудования;
• существующие ТЭС характеризуются относительно низким к.п.д. (в основном до 40%);
• ТЭС оказывают прямое и неблагоприятное воздействие на окружающую среду и не являются эколигически «чистыми» источниками электроэнергии.
• Наибольший ущерб экологии окружающих регионов приносят электростанции, работающие на угле, особенно высокозольном. Среди ТЭС наиболее «чистыми» являются станции, использующие в своем технологическом процессе природный газ.

По оценкам экспертов, ТЭС всего мира выбрасывают в атмосферу ежегодно около 200–250 млн. тонн золы, более 60 млн. тонн сернистого ангидрида, большое количество оксидов азота и углекислого газа (вызывающего так называемый парниковый эффект и приводящего к долгосрочным глобальным климатическим изменениям), поглощая большое количество кислорода. Кроме того, к настоящему времени установлено, что избыточный радиационный фон вокруг тепловых электростанций, работающих на угле, в среднем в мире в 100 раз выше, чем вблизи АЭС такой же мощности (уголь в качестве микропримесей почти всегда содержит уран, торий и радиоактивный изотоп углерода). Тем не менее, хорошо отработанные технологии строительства, оборудования и эксплуатации ТЭС, а также меньшая стоимость их сооружения приводят к тому, что на ТЭС приходится основная часть мирового производства электроэнергии. По этой причине совершенствованию технологий ТЭС и снижению отрицательного влияния их на окружающую среду во всем мире уделяется большое внимание (см. раздел 6).

Луганская ТЭС