Электрическая станция представляет собой энергетическую установку, преобразующую какой-либо вид энергии в электрическую и иногда – тепловую. Тип станции зависит от того, какой тип энергоносителя на ней установлен. Тепловые электростанции (ТЭС) наиболее распространены, так как для их работы необходима тепловая энергия, получаемая при сжигании органического топлива. На них производится около 75% мировой электроэнергии. Тепловой электростанцией является электростанция, преобразующая энергию углеводородного ископаемого топлива в электрическую и тепловую энергию.
Что такое тепловая электрическая станция (ТЭС)
Тепловые электростанции (ТЭС) наиболее распространены среди других типов электростанций. Органическая энергия образуется при сжигании органического, не возобновляемого топлива. Это и плюс, и минус. Органического топлива по-прежнему много, но одним из основных недостатков является то, что продукты сгорания этого органического топлива значительно наносят вред окружающей среде.
ТЭС функционирует следующим образом: при сгорании топлива выделяется колоссальное количество тепловой энергии, которая, в свою очередь, нагревает воду. Затем из этой воды образуется пар, который подается в турбогенератор. Турбины начинают вращаться, приводя в движение части электрического генератора. Таким образом, мы получаем электрическую энергию.
Тепловые электростанции могут иметь как паровые, так и газовые турбины. Наиболее распространенными являются электростанции с паровыми турбинами. Они делятся на следующие типы:
- Тепловые электроцентрали (ТЭЦ)
- Конденсационные электрические станции (КЭС)
Тепловые электроцентрали (ТЭЦ)
Тепловые электростанции (ТЭЦ) по сути являются теми же тепловыми электростанциями, но основное различие заключается в том, что помимо электрической энергии они также могут генерировать тепловую энергию, которая затем поступает в систему центрального отопления, а оттуда в жилые здания или промышленные предприятия. Этот процесс доступен благодаря теплофикационным турбинам и турбинам с отбором пара. Поэтому ТЭЦ имеет довольно высокий коэффициент полезного действия (КПД) — до 75%.
ТЭЦ особенно актуальны для России, где центральное отопление активно используется для обеспечения теплом жилых и промышленных зданий из-за холодного климата.
ТЭЦ по принципу работы аналогичны конденсационным электростанциям (КЭС). Однако они различаются долей производства тепловых и электрических носителей, а также по конструкции паровой турбины.
Схема работы теплоэлектроцентрали
Рассмотрим принципиальную схему работы теплоэлектроцентрали. Топливо постоянно подается в топку котла вместе с окислителем, за который обычно принимается подогретый воздух. Кроме того, тепло, выделяемое при сжигании органического топлива, нагревает воду в паровом котле. В результате этого процесса мы получаем превращение жидкости в пар, поступающий в паровую турбину. Основная задача этого устройства на станции заключается в преобразовании энергии поступающего пара в механическую.
Все элементы турбины тесно связаны с валом, что заставляет их вращаться как единый механизм. Чтобы привести этот вал во вращение, необходимо передать кинетическую энергию пара на ротор, этот процесс происходит в паровой турбине. Однако пар, выходящий из турбины, имеет высокую температуру и давление. Из-за этого возникает высокая внутренняя энергия пара, которая затем поступает в сопла турбины.
Пар, непрерывным потоком с огромной скоростью проходит через сопло и таким образом происходит воздействие на лопатки турбины, закрепленные на диске, который в свою очередь непосредственно связан с валом. Пар заставляет лопатки вращаться при этом происходим известный нам процесс преобразования механической энергии в электрическую.
После того, как пар проходит через турбину, давление и температура резко падают, и часть пара попадает в следующую часть станции – конденсатор, в котором пар переходит в жидкое состояние. Для выполнения этой задачи в конденсаторе находится охлаждающая вода. В конденсаторе поддерживается постоянный вакуум с помощью эжектора. Оставшийся пар используется для нагрева очищенной воды в подогревателях сетевой воды для отопления, а конденсат подается в парогенераторы через деаэратор при помощи насосов.
После обратного превращения пара в воду он попадает в деаэратор путем откачки с помощью конденсатного насоса. Основная задача деаэратора — удалить газ из поступающей воды, чтобы снизить содержание углекислого газа и кислорода до приемлемых значений. Это позволяет уменьшить коррозию на путях, по которым идет подача воды и пара. Одновременно с процессом очистки жидкость нагревается теплом отобранного пара.
Конденсационные электростанции (КЭС)
Конденсационная электростанция (КЭС) является тепловой электростанцией, которая может генерировать только электрическую энергию. Его название напрямую связано с его принципом работы, на КЭС используются конденсатор. Помимо КЭС, по этому принципу работает и атомная электростанция, различия существуют только в используемом топливе.
Обратите внимание:
Исторически в СССР, КЭС включенные в единую энергосистему СССР получили наименование «ГРЭС» — государственная районная электростанция. Название происходит от государственной принадлежности и от использования местного энергоресурса (торф, бурый уголь и т.д.) и расчёта для преимущественного электроснабжения конкретного энергетического района.
В число особенностей конденсационных электростанций входит максимальное преобразование пара в механическую энергию, которая вращает ротор турбогенератора, а затем и в электрическую энергию.
Читайте также: Электростанции на возобновляемых источниках энергии.
В последнее время новые или недавно введенные в эксплуатацию электростанции устанавливают энергоблоки ПГУ вместо обычных электростанций с конденсационными турбинами. Они состоят из газовых турбин. Такие агрегаты с газовыми комбинированными установками являются более экономичным вариантом, чем тот же энергоблок с конденсационной турбиной.
Действительно, пар можно брать из таких энергоблоков ПГУ для обогрева жилых зданий и близлежащих предприятий, но в большинстве случаев эти агрегаты предназначены для покрытия пиковых электрических нагрузок из-за их высокой маневренности. Однако для высвобождения тепловой энергии требуется постоянная нагрузка в течение длительного времени. Таким образом, энергоблоки ПГУ в основном производят только электроэнергию.
Тепловая схема конденсационной электростанции
Ниже приведена схема работы конденсационной установки на органическом топливе.
Электростанции с конденсационной системой (КЭС) играют значительную роль среди тепловых электростанций. Их принцип работы строится следующим образом:
- В паровой котел, с циркулирующей очищенной (питательной) водой, поступает топливо и нагревается с образованием пара при температуре 400-650°С.
- Далее этот пар по паропроводу под высоким давлением попадает в паровую турбину, а затем этот пар используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе и в итоге поступает в конденсатор.
- Конденсат из конденсатора подается в парогенераторы через деаэратор при помощи насосов.
Этот тип электростанций имеет низкий КПД (30-40%), так как большая часть энергии теряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора.
Газопоршневые электростанции
Газопоршневая электростанция (ГПЭС) — станция, которая работает на основе поршневого двигателя внутреннего сгорания и генератора переменного тока, вырабатывающая тепловую и электрическую энергию.
При условиях когда невозможно подключить удаленные объекты к централизованным сетям электро и теплоснабжения, как правило используют газопоршневые электрогенераторные установки, они более автономны.
Газопоршневая электростанция может вырабатывать не только электрическую и тепловую энергии, но и холод. В первом случае такая технология называется когенерацией, а во втором — тригенерацией. Холод используется для вентиляции, охлаждения складов, а также для промышленного холодоснабжения, то есть для охлаждения систем.
В качестве топлива в основном используется природный газ, но также допускается использование других видов газа, например: попутный нефтяной газ, жидкий газ (СПГ), очистной газ. Перед использованием альтернативного вида топлива проводится тщательный анализ этого газа, чтобы он соответствовал определенным требованиям.
Недостаток данной станции представляет собой большой выброс вредных веществ в окружающую среду, за счет выхлопа при сгорании моторного масла. Чтобы уменьшить вредное воздействие на окружающую среду устанавливают дорогостоящие катализаторы, а также строят высокие дымовые трубы.
А к достоинствам можно отнести то, что станция может полноценно работать как на сжиженном газе, так и на сжатом, для станции требуется только чтобы она была подключена к баллону с сжиженным газом.
Принцип работы газопоршневой электростанции
Рассмотрим принцип работы газопоршневой электростанции. На газопоршневые двигатели по топливопроводу подается топливо в виде горючего газа. Пока газ сжигается образуется механическая энергия, которая передается на генератор, где вырабатывается электроэнергия.
Все газопоршневые электростанции в обязательном порядке должны иметь у себя жидкостную систему охлаждения, которая снабжена охлаждающим радиатором.
Во время работы электростанции вырабатывается огромное количество тепла, которое превосходит объемы вырабатываемой электроэнергии. Поэтому точно также как теплоэлектроцентрали они обеспечивают подачу тепла и электроэнергии на предприятия.
Внутреннее устройство парового котла
Внутри котла находится большое количество изогнутых труб, по которым течет нагретая вода. Эта конструкция труб позволяет увеличить количество тепла, передаваемого воде, тем самым создавая больше пара.
В данный момент в паровых котлах используется метод факельного сжигания топлива в топке. Топка собой представляет вертикальную шахту, топливо попадая в нее вместе с воздухом непрерывно продолжает движение по камерной топке. Котел содержит в себе определенное устройства, например — горелка, с помощью нее в топку попадает топливо и воздух. В топке есть система труб, которая служит как поверхность нагрева. Поверхности нагрева можно разделить на три вида, в зависимости от способа передачи тепла:
- радиационные (экранные трубы),
- радиационно-конвективные (фестон, ширмовый пароперегреватель)
- конвективные (конвективный пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель).
К радиационным поверхностям нагрева относят топочные экраны, они представляют собой плоские трубные системы. У данной поверхности тип передачи тепла — излучение.
Конвективные поверхности — это поверхность нагрева, которая за счет конвекции получает тепло. К ним относят пароперегреватели и водяные экономайзеры.
Радиационно-конвективная поверхность совмещает в себе две предыдущих поверхности, то есть она воспринимает теплоту как в процессе излучения, так и в процессе конвекции. К ней обычно относят ширмовую поверхность нагрева котла.
Типы тепловых электростанций
Тепловые электростанции очень разнообразны и могут быть разделены по различным характеристикам.
Классификация ТЭС по назначению
В зависимости от типа и назначения отпускаемой энергии тепловые электростанции делятся на:
- Районные электростанции — это независимые электростанции, обслуживающие потребителей района (жилые здания, промышленные предприятия и т.д.). Районные электростанции могут вырабатывать как электрическую энергию (та же ГРЭС), так и тепловую энергию (ТЭЦ).
- Промышленные электростанции. Этот тип электростанций обслуживает производственные предприятия, которые к ним присоединены тепловой и электрической энергией. Мощность промышленных электростанций напрямую зависит от потребностей предприятий. В принципе, эта мощность намного меньше, чем у районных электростанций.
Классификация ТЭС по типу теплосиловых установок
Тепловые электростанции в зависимости от типа теплосиловых установок делятся на:
- Паротурбинные электростанции. Основой их работы, как следует из их названия, являются паротурбинные установки (ПТУ) с паровой турбиной.
- Газотурбинные электростанции. Они основаны на газотурбинных установках (ГТУ).
- Парогазовые электростанции. К ним относятся парогазовые установки (ПГУ), которые представляют собой комбинацию газотурбинных и паротурбинных установок, которые обеспечивают высокую эффективность.
Классификация ТЭС по технологической схеме
По технологической схеме паропроводов тепловые электростанции подразделяются на блочные и с поперечными связями.
- Блочные тепловые электростанции. Принцип их работы прост, они состоят из отдельных агрегатов, в которых находится котел, каждый котел имеет свою турбину, в которую он подает пар. Если выйдет из строя только один котел или турбина, это приведет к отключению всей установки. Блочные схемы очень экономичны, так как длина трубопроводов сокращается. По этой схеме часто строятся все мощные ГРЭС и ТЭЦ.
- Тепловые электростанции с поперечными связями. Разница между этими тепловыми электростанциями заключается в том, что котлы могут подавать пар абсолютно в любой коллектор. Они оснащены переключающими клапанами для предотвращения несчастных случаев и повышения надежности станции. По схеме с поперечными соединениями строится КЭС без промежуточного перегрева.
Классификация ТЭС по начальным параметрам
В соответствии с начальным уровнем давления тепловые электростанции делятся на:
- докритического давления — до 22,1 МПа.
- низкого — 3,4 МПа
- среднего — 8,8 МПа
- высокого — 12,8 МПа
- сверхкритического давления — свыше 23,5 МПа.
- суперсверхкритического давления — 30 МПа, с температурой пара 600 — 620 °С.
Преимущества и недостатки тепловых электростанций
Ниже в таблице приведены основные преимущества и недостатки тепловых электростанций перед другими видами объектов электрогенерации
| Преимущества | Недостатки |
| По сравнению с другими электростанциями дешевые и быстрее строятся | Теряется много тепла, что снижает ее КПД |
| Могут вырабатывать электрическую энергию круглый год | Их довольно сложно регулировать: чтобы остановить ТЭС или запустить ее на полную мощность может потребоваться несколько дней |
| Их можно строить как вблизи городов, так и вблизи месторождений органических ресурсов | В больших масштабах используют различные виды органического не возобновляемого топлива: уголь, газ, сланцы, торф |
| Выбрасывают в атмосферу большие объемы отходов, что приводит к загрязнению окружающей среды |
Эффективность ТЭЦ
На разных этапах работы электростанции теряется большое количество тепла, в то время как большая часть теряется в конденсаторе. Вот почему их эффективность так низка.
Тепловая эффективность — это безразмерная мера мощности устройства, использующего тепловую энергию, или иным образом отношение тепла, преобразованного в цикле в работу к теплу, подведенному в цикле к рабочему телу. Чем выше этот показатель, тем лучше цикл. На современных тепловых электростанциях тепловой КПД составляет 30%.
- At — тепло, преобразованное в цикле в работу
- Q1 — тепло, подведенное в цикле к рабочему телу
- Q2 — тепло, отданное в цикле рабочим телом в окружающую среду
На большинстве тепловых электростанций в электроэнергию превращаются только 40% теплоты, которая выделяется в результате сгорания топлива, все остальное выбрасывается в окружающую среду. Однако на некоторых электростанциях это остаточное тепло используется для обогрева близлежащих домов и предприятий. С помощью такой системы вы можете увеличить отдачу на 80%.
Заключение
В этой статье были изучены виды и типы тепловых электростанций. Мы рассмотрели принципы работы конденсационных станций и теплоэлектроцентралей, установили их особенности и основные параметры. Рекомендуем также ознакомиться статьей про геотермальные тепловые электростанции.
