На тепловых электростанциях (ТЭС) источником энергии является органическое топливо, прежде всего уголь, а также горючие сланцы, нефтяной мазут, газ. Система технологий теплоэнергетики состоит из следующих звеньев (при работе на угле).
1. Добыча угля (подземным или открытым способом).
2. Обогащение и подготовка к сжиганию.
3. Сжигание угля и получение пара высокого давления.
4. Конверсия тепловой энергии пара последовательно в механическую энергию турбоэлектрогенератора и электрическую (в одном блоке турбоэлектрогенератора).
Основное оборудование паротурбинных ТЭС:
1. Котлоагрегат (паровой котел, пароперегреватель).
2. Турбогенератор (паровая турбина, соединенная с электрогенератором).
Тепловые электоростанции, на которых в качестве привода электрогенераторов применяют так называемые конденсационные турбины, называют конденсационными электростанциями (КЭС).
Паротурбинные электростанции, вырабатывающие и отпускающие потребителям одновременно 2 вида энергии: электирическую энергию и теплоту (получаемую в результате частичного использования отрабатываемого пара) называют теплоэлектроцентралью (ТЭЦ).
На рис. 3.1 изображена упрощенная иллюстрационная система ТЭС. Реальные агрегаты конструктивно значительно сложнее.
Рис. 3.1. Технологическая схема конденсационной ТЭС
1 – котлоагрегат, 2 – турбина, 3 – электрогенератор, 4 – конденсатор,
5 – циркуляционный насос, 6 – градирня, 7 – насос градирни,
8 – конденсационный насос 1 ступени, 9 – обессоливающая установка; 10 – конденсационный насос 2 ступени, 11 – подогреватель низкого давления;12 – деаэратор; 13 – бустерный питательный насос; 14 – питательный насос; 15 – подогреватель высокого давления.
При сжигании топлива в топке котлоагрегата 1 поступающая в него по трубам вода превращается в пар. Под высоким давлением пар подается в турбину 2, где он, воздействуя на лопасти ротора турбины, приводит его во вращающееся движение. Ротор турбины механически связан с ротором электрогенератора 3, в трехфазной статорной обмотке которого при вращении ротора образуется эдс., т.е. вырабатывается электроенергия.
Отработавший в турбине пар подается по трубопроводу в конденсатор 4, являющейся частью турбоагрегата. Конденсатор представляет собой теплообменник для осуществления перехода воды из парообразного состояния в жидкое. Конденсация пара происходит в результате попадания пара в паропровод теплообменника с более низкой температурой, чем температура насыщения пара при данном давлении. Конденсация пара сопровождается выделением теплоты,которая отводится от горячего паропровода при помощи охлажденной воды, циркулирующей с помощью циркуляционного насоса 5 через теплообменник 4 и градирню 6.
Градирня представляет собой пустотелое сооружение в форме усеченного конуса для охлаждения воды атмостферным воздухом. Насос 7 подает воду внутрь градирни, где она распыляется в виде фонтана. Охлаждение происходит в основном за счет испарения воды сквозным воздушным потоком, движущимся снизу вверх.
Превращению пара в воду, помимо охлаждения, способствует вакуум, создаваемый в паропроводе теплообменника конденсационными нососами 1 и 2 ступеней 8 и 10. Далее вода через обессоливающую установку 9, подогреватели низкого и высокого давлений 11, 15 и деаэратор 12 с помощью бустерного 13 и питательного 14 насосов направляется в котлоагрегат для повторного использования.
Деаэратор представляет собой аппарат для удаления из воды растворенных в ней кислорода и диоксида углерода, вызывающих коррозию труб и другого оборудования. По принципу действия деаэраторы бывают термические, химические и др.
Бустерный насос -это вакуумный насос, установленный между конденсационными насосами с целью приведения в соответсвие разных уровней их выпускного давления.
Таким образом, получается замкнутый пароводяной тракт: котлоагрегат – паровая турбина-конденсатор-котлоагрегат.
Повышение давления и температуры пара перед турбинами и снижение конечной температуры и давления отработанного пара увеличивает КПД конденсационной электростанции. При работе КЭС практически вся энергия, сообщенная пару при сжигании топлива, преобразуется в электрическую. Часть выработанной электроенергии расходуется на обеспечение собственных нужд электростанции (работа вспомагательного оборудования, освещение, вентиляция и пр.). Общий КПД современных КЭС достигает 35-42%. Обычно КЭС работают на местных твердых топливах, мазуте и природном газе.
Конденсационные электростанции являются основным типом мощных тепловых электростанций.
Тепловые конденсационные электростанции чаще всего называют ГРЭС, т.е. государственные районные электростанции. Это название устарело и не соотвествует действительности. Раньше, когда не было энергосистем, каждая ТЭС обеспечивала потребителей в пределах того района, где сама распологалась. В настоящее время при наличии единых энергосистем страны слово “районная” потеряло смысл.
ТЭЦ оборудуют преимущественно теплофикационными турбинами, т.е. турбинами без конденсатора. В таких турбинах давление на выходе последней ступени выше атмосферного. Отработавший в турбине пар либо отводится в теплофикационную сеть, либо направляется в специальные водонагреватели, где пар отдает тепло воде, которая идет на отопление жилищ, обеспечение коммунально-бытовых потребностей в горячей воде и технологических нужд промышленных предприятий.
Комбинированное производство электороэнергии и тепла способствует более эффективному использованию топлива по сравнению с раздельной выработкой электроэнерги на КЭС и тепла в местных котельных. Кроме того, местные котельные не всегда рационально используют отпускаемое им топливо, загрязняют атмосферу выбросами продуктов сгорания и тем самым ухудшают окружающую среду населенных пунктов. Такие города как Киев и Харьков для тепло – и электроснабжения используют по нескольку ТЭЦ.
Пример. Чтобы уяснить экологическую проблему ТЭС, следует проанализировать количественные характеристики отходов в цепи потока энергии от добычи угля до получения электроэнергии.
Но расчеты удобнее производить, задаваясь мощностью электрогенератора и по очереди переходить до предыдущей стадии конверсии.
Поэтому, если мощность достаточно большого турбогенератора составляет 1000МВт, коэффициент полезного действия конверсии механической энергии паровой турбины в электрическую – 0,95, а энергии пара в механическую – 0,37, то коэффициент конверсии химической энергии угля в тепловую энергию пара и далее в электрическую будет равнятся произведению:
η = 0,95 х 0,37 = 0,36
Если удельная теплота сгорания качественного каменного угля составляет около 28 МДж/кг, то ежесекундно нужно сжигать
1000 МДж
———————————— = 100 кг
0,36 х 28 МДж х кг-1
То есть 100 кг угля, которые сжигаются за 1с,эквивалентны 1000 МДж, то есть мощности в 1000 МВт.
Рассмотрим материальные потоки при реализации конверсии химической энергии 100 кг угля в электрическую. Состав разных видов каменного угля колеблется в довольно широких пределах. Так, содержание углерда составляет 75…97%, водорода 2…15%, серы 1… 4%, азота до 1,5%. Кроме приведенных химических элементов уголь содержит много металлов и неметаллов, которые, сгорая, образуют до 6% золы и легкие соединения, многие из которых ядовиты. Исдходя из средних значений приведенных данных состава угля, выполним расчеты (на 100кг угля).
Выход диоксида углерода (СО2) и расход кислорода для полного сгорания согласно стехиометрическим уравнениям: С+О2 = СО2
Молярные массы кг/моль: С=12; О2 = 32; СО2= 44
Масса полученного СО2 из 100 кг угля со средним содержанием 86% углерода составит:
44 х 86
СО2= —————————— = 315 кг
12
315 кг
Количество вещества СО2 = ——————————- = 7,15 моль
44 кг х моль -1
Масса расходуемого кислорода на сжигание 100 кг угля составляет
32 х 86
О2= ———————— = 229,3 кг
12
229,3 кг
Количество вещества О2 = ——————————- = 7,16 моль
32 кг х моль-1
Выход диоксида серы из 100 кг угля определим исходя из среднего содержания серы в угле 2,5% согласно уравнению: S+ O2= SO2
Молярные массы, кг/моль: S=32; O2 =32; SO2= 64
64 х 2,5 кг
Масса SO2 = —————————- = 5 кг
32
5 кг
Количество вещества SO2 = ————————— = 0,08 моль
64 кг х моль-1
3,3
Выход оксидов азота в пересчете на NO2 = ———- = 0,07 моль
46
Расход суммарного количества вещества кислорода на окисление серы и азота определим исходя из того, что согласно уравнению на один моль SO2и NO2 расходуется по одному молю О2, поэтому на получение 0,08 моль SO2 и 0,07 NO2 будет израсходовано 0,08 + 0,07 = 0,15 моль О2 или 0,15 х 32 = 4,8 кг. Вместе с расходами на окисление углерода 7,31, или 7,31 х 32 = 233,9 кг.
Объем воздуха (при нормальных условиях содержания О2 =2,3%), который забирается из окружающей среды и выбрасывается в виде дыма в измененном химическом составе через трубу просто в небо:
VВ= 1015 : 1,29 = 775 м3 ( Ѕвозд = 1,29 кг/м3)
С воздухом поступает азот соответственно содержанию (76% массы) 1015 х 0,76 =771 кг. Состав дыма (без учета излишков воздуха и влаги) можно определить исходя из того, что количество израсходованного кислорода (7,3 моля) эквимолекулярно будет заменено диоксидами СО2, SO2, NO2.
Таким образом, если на входе в топку с воздухом на каждые 100 кг угля за секунду поступает 7,4 моля кислорода и 771 : 28 = 27 молей азота, т.е. 7,31 + 27 = 34,31 моля, то на выходе получим более 34,3 моля газа. Суммарное количество вещества соответственно вышеприведенным вычислениям
27 N2+7,15 СО2+0,08 SO2 + 0,01 NO2= 34,3 моля
Состав дымовых газов в объемных процентах будет соответствовать процентному соотношению молей каждого из них.
21 х 100 7,16 х 100
Так % N2 = ————- = 79%; % СО2= —————— = 21%
34,3 34,3
0,08 х 100 0,07 х 100
% SO2 = —————— = 0,24%; % NO2= ——————– = 0,2%
34,3 34,3
Откуда % (масс): N2 = 10; СО2 =29; SO2 =0,5; NO2 = 0,3
В реальном дымовом газе соотношение компонентов будет отличаться, кроме СО2, а также других оксидов азота и других газов. Вычисленные результаты относятся к сжиганию 100 кг угля соответственно мощности 1000 МВт, то есть на каждые 1000 Дж за секунду (280 кВтч). Для большей наглядности рассмотрим ситуацию, сложившуюся около мощной современной электростанции с установленной мощностью 3000 МВт.
За сутки, т.е. за 86400 с, выбросы составляют:
по СО2 3 х 315 х 8,04 х 104 = 8127 х 104кг (81270 т);
по SO2 3 x 5 x 8,04 x 104 = 129 x 104 кг (1290 т);
по NO2 3x 33 x 8,04 x 104 = 86 x 104 кг (860 т) и поглощение О2
3 х 233 х 6 х 8,04 х 104 = 6027 х 104 кг (60270 т)
При этом на станцию необходимо доставить угля 3 х 100 х 86400 = 24120000 кг (24120т) и вывезти шлака 3х 5,2 х 86400 = 2340000 кг (2340 т)
Под отвалы шлака и золы ( высотой до 10м) необходимо ежегодно отводить площадь до 3га. Ежесуточно такая станция вырабатывает электроэнергию 3000 х 106 = 8,04 х 104 = 25,8 х 103 Дж, или 25,8 х 1013 х 2,8 х 10 -7 = 7224 х 106 кВтч
Соответственно на тепловых электростанциях Украины при их нормальной загрузке выброс составляет 281,5 х 109 х 1,12 = 315 х 109 кг (315 млн. т), где 281,5 х 109 максимальное годовое количество электроэнергии, вырабатываемой в Украине, кВт·ч.
В атмосфере оксиды серы и азота образуют с парами воды соответствующие кислоты, которые губительно действуют на растительность и фауну водоемов. Обычная дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара в атмосфере, имела бы нейтральную реакцию (рН), но даже в чистом воздухе из-за наличия СО2, она приобретает значение РН-5,6…5,7.
Сегодня в промышленных регионах, где в атмосфере в значительной степени содержаться оксиды серы и азота, дождевая вода обычно имеет рН от 3 до 4. Уменьшение pН на единицу означает увеличение кислотности в 10 раз, на два – в 100 раз. Известны случаи выпадения дождей с рН около 2,5, т.е. кислотность равнялась уксусу. Озера и водоемы, содержащие воду с такой кислотностью, мертвы.
Ниже приведены уровни рН дождевой воды в сравнении с известными веществами.
Вещество Уровень рН
Лимонный сок 2
Уксус 3
Томатный сок 4
Дождевая вода 5,6
Морская вода 8