Электростанции

В то же время достаточно спорным является вопрос о влиянии гидроэнергетики  на окружающую среду. С одной стороны, эксплуатация гидроэлектростанций  не приводит к загрязнению природы  вредными веществами.

Но, в то же время, образование водохранилищ требует затопления значительных территорий, зачастую плодородных, а это становится причиной негативных изменений в природе. Например, плотины часто перекрывают рыбам путь к нерестилищам, но в то жнее время благодаря этому обстоятельству значительно увеличивается количество рыбы в водохранилищах и развивается рыболовство.

11. Экологические аспекты использования гидроэнергетики

Вне всяких сомнений, гидроэнергетика в  перспективе должна не оказывать  негативное воздействие на окружающую среду или свести его к минимуму. При этом необходимо добиться максимального  использования гидроресурсов.

Это понимают многие специалисты и поэтому  проблема сохранения природной среды  при активном гидротехническом строительстве  актуальна как никогда. В настоящее  время особенно важен точный прогноз  возможных последствий строительства  гидротехнических объектов. Он должен дать ответ на многие вопросы, касающиеся возможности смягчения и преодоления  нежелательных экологических ситуаций, которые могут возникнуть при  строительстве. Кроме того, необходима сравнительная оценка экологической  эффективности будущих гидроузлов. Правда, до реализации таких планов ещё далеко.

Сегодня разработка методов определения  экологического энергопотенциала не производится. А это означает, что развитие гидроэнергетики  пока приостановлено, поскольку отсутствие экологических экспертиз может  нарушить энергетическую безопасность, которая и без того находится  под угрозой.

2. ГРЭС (КЭС)

1. Общие сведения

ГРЭС, государственная районная электростанция, тепловая конденсационная электростанция, производящая только электрическую энергию. В 1912-14 по инициативе русского инженера Р. Э. Классона под Москвой была сооружена первая в мире районная электростанция на местном топливе (торфе) мощностью 15 МВт – «Электропередача», ныне ГРЭС им. Р. Э. Классона, предназначавшаяся для удовлетворения растущей потребности в электрификации московского района. Планом ГОЭЛРО (1920) предусматривалось сооружение нескольких тепловых электростанций, среди которых наиболее известна Шатурская ГРЭС. Постепенно термин «ГРЭС» по существу почти потерял свой первоначальный смысл («районная») и в современном понимании означает конденсационную электростанцию (КЭС) весьма большой мощности (тыс.и МВт), работающую в объединённой энергосистеме наряду с другими крупными электростанциями. В начале 60-х гг. в СССР разработаны проекты типовых ГРЭС мощностью 1000-1200 МВт и 2400 МВт с агрегатами 150, 200, 300 и 500 МВт. В 1966 вступили в строй последние турбоагрегаты Приднепровской ГРЭС (2400 МВт) – крупнейшей в СССР и одной из самых мощных в мире, к 1970 были построены Конаковская ГРЭС (2400 МВт) и Змиёвская ГРЭС (2400 МВт); в 1970 сооружена Криворожская ГРЭС № 2 (2400 МВт); проектируется (1971) первенец Западно-сибирского топливно-энергетического комплекса Итатская ГРЭС-1 мощностью 4000 МВт.

Первостепенную  роль среди тепловых установок играют конденсационные электростанции (КЭС). Они тяготеют и к источникам топлива, и к потребителям, и поэтому очень широко распространены.

Чем крупнее КЭС, тем дальше она может  передавать электроэнергию, т.е. по мере увеличения мощности возрастает влияние  топливно-энергетического фактора. Ориентация на топливные базы происходит при наличии ресурсов дешевого и  нетранспортабельного топлива (бурые  угли Канско-Ачинского бассейна) или  в случае использования электростанциями торфа, сланцев и мазута (такие  КЭС обычно связаны с центрами нефтепереработки).

В последнее время появились принципиально  новые установки:

• газотурбинные (ГТ) установки, в которых вместо паровых применяются газовые турбины, что снимает проблему водоснабжения (на Краснодарской и Шатурской ГРЭС);
• парогазотурбинные (ПГУ), где тепло отработавших газов используется для подогрева воды и получения пара низкого давления (на Невинномысской и Кармановской ГРЭС);
• магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы), которые преобразуют тепло непосредственно в электрическую энергию (на ТЭЦ-21 Мосэнерго и Рязанской ГРЭС).

В России мощные (2 млн. кВт и более) построены в Центральном районе, в Поволжье, на Урале и в Восточной Сибири.

  На базе Канско-Ачинского бассейна  создается мощный топливно-энергетический  комплекс (КАТЭК). В проекте предусмотрено  строительство восьми ГРЭС мощностью  по 6,4 млн. кВт. В 1989 г. был введен в строй первый агрегат Березовской ГРЭС-1 (0,8 млн. кВт).

2. Технологическая схема КЭС. Назначение каждого элемента схемы. Основные особенности КЭС

Конденсационные электрические станции КЭС –  это тепловые паротурбинные электростанции, в которых теплота, выделяющаяся при сжигании органического топлива, превращается сначала в механическую энергию, а затем в электрическую.

Характерный признак КЭС – отработанный в  турбине пар не используется для  нестанционных нужд, а подвергается охлаждению (конденсации) в специальных  устройствах – конденсаторах, после  чего направляется обратно в котёл. Для работы КЭС требуется большое  количество воды. Поэтому строят их вблизи водоёмов. В качестве топлива  на конденсационных электрических  станциях используется уголь, нефть  или природный газ.

Твёрдое топливо (уголь) сначала дробится специальными дробилками, затем подсушивается  и размельчается до пылевидного  состояния специальными мельницами. Угольная пыль вместе с воздушным  потоком подаётся в топку котла  дутьевым вентилятором для лучшего сгорания топлива.

Продукты  сгорания топлива (дымовые газы), пройдя золоуловители с помощью дымососа, выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

Теплота, получаемая при сжигании топлива, используется для получения пара. Пар из котла (парогенератора) подаётся в пароперегреватель, где его параметры (температура  и давление) доводятся до необходимых  величин, а затем по паропроводу  поступает на рабочие лопатки  паровой турбины.

Если  между рабочими лопатками турбины  не происходит расширения пара, то есть давление пара не меняется, то такая  турбина называется активной.

У реактивной турбины происходит расширение пара, проходящего через каналы рабочих лопаток. В зависимости от показателей расширения пара, турбины характеризуются степенями реактивности. Сейчас турбины выполняют многоступенчатыми, причём в одной турбине могут быть как активные, так и реактивные (с разной степенью реактивности) ступени.

В турбине энергия пара преобразуется  в механическую энергию вращения ротора генератора, вырабатывающего  электрическую энергию.

Отработавший  в турбине пар после своего расширения от начального давления на входе турбины – 30 МПа до конечного на выходе 0,0035 МПа поступает в конденсатор турбины, где превращается в воду – конденсат, который конденсатным насосом откачивается и проходит через деаэратор. Там из воды удаляются газы, и к ней добавляется химически очищенная вода, чтобы восполнить потери. После чего вода вновь подаётся в котёл, и затем цикл превращения воды повторяется.

Система технического водоснабжения КЭС  включает в себя источник водоснабжения, циркуляционные насосы, которыми охлаждающая вода из водоёма подаётся в конденсатор, а также подводящие и отводящие водоводы.

Основные  особенности КЭС:

• строится по возможности ближе к месторождениям топлива;
• работает по свободному графику выработки электроэнергии (график

выработки не зависит от теплового потребления);

• низкоманёвренные – разворот турбин и набор нагрузки из холодного

состояния требует 3–10 часов);

• выработанная электроэнергия отдаётся в электрические сети

повышенных  напряжений 110 – 750 кВ;

• имеют сравнительно низкий КПД: 30 – 40 %, максимум 42 %.

рис. № 1. Схема КЭС на угле: 1 – градирня; 2 – циркуляционный насос; 3 – линия электропередачи; 4 – повышающий трансформатор; 5 – турбогенератор; 6 – цилиндр низкого давления паровой турбины; 7 – конденсатный насос; 8 – поверхностный конденсатор; 9 – цилиндр среднего давления паровой турбины; 10 – стопорный клапан; 11 – цилиндр высокого давления паровой турбины; 12 – деаэратор; 13 – регенеративный подогреватель; 14 – транспортёр топливоподачи; 15 – бункер угля; 16 – мельница угля; 17 – барабан котла; 18 – система шлакоудаления; 19 – пароперегреватель; 20 – дутьевой вентилятор; 21 – промежуточный пароперегреватель; 22 – воздухозаборник; 23 – экономайзер; 24 – регенеративный воздухоподогреватель; 25 – фильтр; 26 – дымосос; 27 – дымовая труба.

3. ТЭС

Основным  типом электростанций в России являются тепловые (ТЭС(рис. № 2)). Эти установки  вырабатывают примерно 67% электроэнергии России.

рис. № 2

На  их размещение влияют топливный и  потребительский факторы. Наиболее мощные электростанции располагаются  в местах добычи топлива. ТЭС, использующие калорийное, транспортабельное топливо, ориентированы на потребителей. Тепловая электростанция – электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. На сегодняшний день большая часть электроэнергии производиться на ТЭС. Первые ТЭС появились в конце 19 в. (в 1882 – в Нью-Йорке, 1883 – в Петербурге, 1884 – в Берлине) и получили преимущественное распространение. В середине 70-х гг. XX в. ТЭС – основной вид электрических станций. Доля вырабатываемой ими электроэнергии составляла: в СССР и США св. 80% (1975), в мире около 76% (1973). Среди ТЭС преобладают тепловые паротурбинные электростанции (ТПЭС), на которых тепловая энергия используется в котлоагрегате для получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор паровой турбины, соединённый с ротором электрического генератора. Главным элементом ТПЭС является котлоагрегат. Котлоагрегат – котельный агрегат, конструктивно объединённый в единое целое комплекс устройств для получения под давлением пара или горячей воды за счёт сжигания топлива. Главной частью котлоагрегата являются топочная камера и газоходы, в которых размещены поверхности нагрева, воспринимающие тепло продуктов сгорания топлива. Элементы котлоагрегата опираются на каркас и защищены от потерь тепла обмуровкой и изоляцией. Котлоагрегаты применяются на тепловых электростанциях для снабжения паром турбин; в промышленных и отопительных котельных для выработки пара и горячей воды на технологические и отопительные нужды; в судовых котельных установках. Конструкция котлоагрегата зависит от его назначения, вида применяемого топлива и способа сжигания, единичной паропроизводительности, а также от давления и температуры вырабатываемого пара.

В топочной камере котлоагрегата происходят сгорание топлива и частичное  охлаждение продуктов сгорания в  результате лучистого теплообмена  между нагретыми газами и покрывающими стены топочной камеры трубами, по которым  циркулирует охлаждающая их среда (вода или пар). Система этих труб называется топочными экранами. На выходе из топки газы имеют температуру  порядка 1000°С. Для дальнейшего охлаждения газов на их пути устанавливают трубчатые  поверхности нагрева – пароперегреватели, выполняемые обычно в виде ширм – трубчатых змеевиков, собранных в плоские пакеты. Теплообмен в ширмовых поверхностях осуществляется излучением и конвекцией, поэтому часто такие поверхности называют полурадиационными. Пройдя ширмовый пароперегреватель, газы с температурой 800–900°С поступают в конвективные пароперегреватели высокого и низкого давления, представляющие собой пакеты труб. Теплообмен в этих и последующих поверхностях нагрева осуществляется в основном конвекцией, и они называются конвективными. После пароперегревателя на пути газов, имеющих температуру 600–700°С, устанавливается водяной экономайзер, а далее воздухоподогреватель, в котором газы охлаждаются до 130–170°С. Экономайзер – элемент котлоагрегата, теплообменник, в котором вода перед подачей в котёл подогревается уходящими из котла газами. Дальнейшему снижению температуры уходящих из котлоагрегата газов путём полезного использования их тепла для нагрева рабочей среды препятствует конденсация на поверхностях нагрева паров воды и серной кислоты, образующейся при сжигании сернистых топлив, что приводит к интенсивному загрязнению поверхностей нагрева золовыми частицами и к коррозии металла. Охлажденные газы, пройдя устройства очистки от золы и в некоторых случаях от серы, выбрасываются дымовой трубой в атмосферу. Твёрдые продукты сгорания топлива, уловленные в котлоагрегате, периодически или непрерывно удаляются через системы золоудаления и шлакоудаления. Для поддержания поверхностей нагрева в чистоте в котлоагрегате предусматривается комплекс периодически включаемых обдувочных и обмывочных аппаратов и дробеочистительных устройств.

По  характеру движения рабочей среды  котлоагрегаты бывают с многократной естественной или принудительной циркуляцией  и прямоточные. В котлоагрегатах с многократной циркуляцией рабочая  среда непрерывно движется по замкнутому контуру, частично испаряясь в обогреваемой части контура. Образовавшийся пар  отделяется от воды в барабане, а  испарённая часть котловой воды возмещается  питательной водой, подаваемой питательным  насосом в водяной экономайзер  и далее в барабан. Движение рабочей  среды по циркуляционному контуру  в котлоагрегате с естественной циркуляцией осуществляется вследствие разности плотностей пароводяной смеси  в обогреваемой части контура  и воды в необогреваемой или слабо  обогреваемой его части. В котлоагрегате  с принудительной циркуляцией рабочая  среда по контуру перемещается под  действием циркуляционного насоса. Непрерывное упаривание котловой воды в котлоагрегате с многократной естественной или принудительной циркуляцией  приводит к возрастанию концентрации растворённых и взвешенных в ней  примесей: солей, окислов, гидратов окислов, которые могут, отлагаясь на внутренней поверхности обогреваемых труб, ухудшать условия их охлаждения и стать  причиной перегрева металла и  аварийной остановки котлоагрегата  из-за разрыва труб. Кроме того, чрезмерное повышение концентрации примесей в  котловой воде недопустимо из-за уноса  их паром из барабана с капельками воды или в виде парового раствора в пароперегреватель, а также  в турбину, где примеси оседают  на лопатках турбомашины, уменьшая её КПД. Во избежание возрастания концентрации примесей в котловой воде производятся непрерывные и периодические  продувки котла. Предельно допустимая концентрация примесей определяется конструкцией и параметрами котлоагрегата, составом питательной воды и тепловыми  напряжениями экранных поверхностей нагрева. В прямоточном котлоагрегате  нагрев, испарение воды и перегрев пара осуществляются за один проход среды  по тракту. При такой организации  процесса генерации пара примеси, содержащиеся в воде, не могут быть выведены из котлоагрегата продувкой части  котловой воды, как это имеет место  в котлоагрегате с естественной или принудительной многократной циркуляцией. В прямоточном котлоагрегате часть примесей осаждается на внутреннюю поверхности труб, а часть поступает в турбину, где отлагается на лопатках. Поэтому к воде прямоточных котлоагрегатах предъявляются более жёсткие требования в отношении её качества. Вода, поступающая в такие котлоагрегаты, предварительно обрабатывается в системе водоподготовки.

Котлоагрегат  для энергоблока мощностью 300 МВт представляет собой сооружение высотой более 50 м, в плане занимает площадь порядка 1 тыс. м². На сооружение такого котлоагрегата расходуется около 4,5 тыс. т металла, примерно 1/3 этого количества приходится на трубные системы, работающие под давлением свыше 25 МН/м². КПД котлоагрегата превышает 90%. Турбоагрегат и снабжающий его паром парогенератор с их вспомогательным оборудованием и трубопроводами пара и воды образуют энергоблок ТПЭС. Питательные и конденсатные насосы, регенеративные подогреватели, деаэраторы относятся к вспомогательному оборудованию турбинной установки. Вспомогательное оборудование котлоагрегата, работающей на твёрдом топливе, составляют пылеприготовительное оборудование и золоуловители, дутьевые вентиляторы, подающие воздух в топочную камеру парогенератора, и дымососы, отсасывающие продукты сгорания топлива: дымовые газы удаляются в атмосферу через дымовые трубы высотой 150–360 м. В котлоагрегатах на газомазутном топливе, работающих с избыточным давлением в топочной камере и в газоходах, вместо дутьевых вентиляторов используют воздуходувки с повышенным напором; дымососы при этом не требуются. Общие вспомогательные производственные установки и сооружения ТПЭС – установки и сооружения технического водоснабжения, топливного и зольного хозяйства. Основное назначение технического водоснабжения – обеспечение турбоагрегатов водой, необходимой для охлаждения отработавшего пара (на конденсационных электростанциях расход воды составляет свыше 30 м³/сек в расчёте на турбину мощностью около 1 ГВт). Источником водоснабжения могут быть река, озеро, море. Большей частью применяют оборотное водоснабжение, с сооружением охлаждающих прудов (на конденсационных электростанциях), реже – прямоточное водоснабжение, с однократным пропусканием охлаждающей воды через конденсаторы турбин. Топливное хозяйство ТПЭС, использующей твёрдое топливо – уголь, включает разгрузочные устройства, систему ленточных конвейеров, подающих топливо в бункеры парогенераторов, топливный склад с необходимыми механизмами и транспортными устройствами, дробильное оборудование