Устройство и принцип работы тэц

Превращение природных энергетических ресурсов в электричество осуществляется с помощью специальных установок, функционирующих на различных принципах. Среди них наиболее широкое распространение получили тепловые электростанции, применяющие для работы жидкое, твердое и газообразное органическое топливо. Они вырабатывают более 70% всей мировой электроэнергии и располагаются поблизости от месторождений природных ресурсов. Многие ТЭС производят не только электричество, но и тепловую энергию.

Виды тепловых электростанций

Стандартная тепловая электростанция представляет собой целый комплекс, включающий в себя различные устройства и оборудование, преобразующие топливную энергию в электричество и тепло.

Устройство и принцип работы тэц

Подобные установки отличаются параметрами и техническими характеристиками, по которым и выполняется их классификация:

  • В соответствии с видами и назначением поставляемой электроэнергии, тепловые станции могут быть районными и промышленными. Районные установки известны как ГРЭС или КЭС и предназначены для обслуживания всех потребителей региона. Электростанции, вырабатывающие тепло, называются ТЭЦ. Мощность районных станций превышает 1 млн. кВт. Промышленные электростанции предназначены для электро- и теплоснабжения конкретных предприятий и производственных комплексов. Их мощность значительно меньше, чем у ГРЭС и устанавливается в соответствии с потребностями того или иного объекта.
  • Все типы тепловых электростанций работают на различных источниках энергии. Прежде всего, это обычные органические ресурсы, используемые большинством ТЭС и продукты нефтепереработки. Наибольшее распространение получили уголь, природный газ, мазут. Наиболее прогрессивные установки работают на ядерном топливе и называются атомными электростанциями – АЭС.
  • Силовые установки, преобразующие энергию тепла в электричество, бывают паротурбинными, газотурбинными и смешанной парогазовой конструкции.
  • Технологическая схема паропроводов ТЭС может быть разной. В блочных конструкциях тепловые электрические станции используют одинаковые энергетические установки или энергоблоки. В них пар от котла подается лишь к собственной турбине и после конденсации он вновь возвращается в свой котел. По данной схеме построено большинство ГРЭС (КЭС) и ТЭЦ. Другой вариант предполагает использование поперечных связей, когда пар от котлов подается к общему коллектору – паропроводу, обеспечивающему работу всей паровых турбин станции.
  • По параметрам начального давления ТЭС могут быть с критическим и сверхкритическим давлением. В первом случае российские стандарты для ТЭС-ТЭЦ составляют 8,8-12,8 Мпа или 90-130 атмосфер. Второй вариант имеет более высокие параметры, составляющие 23,5 Мпа или 240 атмосфер. В таких конструкциях используется промежуточный перегрев и блочная схема.

Принцип работы тепловой электростанции

Основной принцип работы тепловой электростанции заключается в производстве тепловой энергии из органического топлива, которая в дальнейшем используется для выработки электрического тока.

Устройство и принцип работы тэц

Понятия ТЭС и ТЭЦ существенно различаются между собой. Первые установки относятся к так называемым чистым электростанциям, вырабатывающим только электрический ток. Каждая из них известна еще и как конденсационная электростанция – КЭС. ТЭЦ расшифровывается как теплоэлектроцентраль и является разновидностью ТЭС. Данные установки не только генерируют электричество, но и являются тепловыми, то есть дают тепло в системы отопления и горячего водоснабжения. Такое комбинированное использование требует специальных паровых турбин с противодавлением или системой промежуточного отбора пара.

Несмотря на разнообразие конструкций, работа всех ТЭС осуществляется по общей схеме. В котел постоянно подается топливо в виде угля, газа, торфа, мазута или горючих сланцев. На многих электростанциях используется заранее приготовленная угольная пыль. Вместе с топливом поступает воздух в подогретом виде, выполняющий функцию окислителя.

В процессе горения топлива создается тепло, нагревающее воду в паровом котле. Происходит образование насыщенного пара, подаваемого в паровую турбину через паропровод. Далее тепловая энергия становится механической.

Устройство и принцип работы тэц

Вал и остальные движущиеся части турбины связаны между собой и представляют единое целое. Струя пара под высоким давлением и при высокой температуре выходит из сопел и воздействует на лопатки турбины. Закрепленные на диске, они начинают вращаться и приводят в движение вал, соединенный с генератором. В результате вращения происходит преобразование механической энергии в электрический ток.

Пройдя через паровую турбину, пар снижает свою температуру и давление. Далее он попадает в конденсатор и прокачивается по трубкам, охлаждаемым водой. Здесь пар окончательно превращается в воду и поступает в деаэратор для очистки от растворенных газов. Очищенная вода с помощью насоса подается в котельную установку через подогреватель.

ТЭС на угле

Уголь уже давно стал одним из основных источников энергии в повседневной жизни и производственной деятельности людей. Широкое распространение данного вида топлива стало возможным благодаря его доступности. Во многих месторождениях он расположен в нескольких метрах от поверхности земли и может добываться более дешевым открытым способом. Кроме того, уголь не требует каких-то особых условий хранения и складируется в обычные кучи неподалеку от объекта.

Читайте также:  Факторы размещения энергетического машиностроения таблица

Устройство и принцип работы тэц

Промышленное использование угля началось в конце 18-го века. В дальнейшем, когда появился железнодорожный транспорт, уголь стал источником движущей силы для паровозов. Позднее он стал применяться на первых тепловых электростанциях, построенных в конце 19-го века. Многие ТЭС и в настоящее время работают на угле.

На самых первых электростанциях сжигание угля осуществлялось путем его укладки на колосниковые решетки. Загрузка топлива и удаление шлака выполнялось вручную. Постепенно эти процессы были механизированы и уголь попадал на решетки из верхнего бункера. Решетка приводилась в движение и отработанный шлак ссыпался в специальный приемник.

Современные тепловые электростанции уже давно не пользуются кусковым углем. Вместо него в котлы загружается угольная пыль, получаемая в дробилках или мельницах. Подача топлива к горелкам производится сжатым воздухом. Попадая в топку, угольная пыль вперемешку с воздухом начинает гореть, выделяя большое количество тепла.

Газовые ТЭС

Вторым после угля по своей значимости является природный газ, используемый многими ТЭС. Данный вид топлива обладает несомненными преимуществами. Вредные выбросы, отравляющие атмосферу, значительно ниже, чем при сжигании угля. После сжигания не остается побочных продуктов в виде шлака или золы.

Устройство и принцип работы тэц

Эксплуатация ТЭС на газе становится значительно проще, поскольку в этом случае не требуется приготовление угольной пыли. Газу не требуется какая-либо специальная подготовка, и он сразу готов к использованию. Газовые тепловые электростанции считаются более маневренными, что немаловажно в ситуациях с изменяющимися нагрузками.

Эффективность и коэффициент полезного действия газовых ТЭС значительно увеличились при переходе в рабочий режим с циклом парогазовых установок. Сжигание топлива производится не в котле, а в газовой турбине. Такие установки предназначены только для газа и не могут работать на угольной пыли.

Другие виды топлива для ТЭС

Помимо традиционных видов топлива тепловые электростанции применяют в своей работе и другие источники энергии. Одним из таких энергоресурсов является мазут, который использовался на многих электростанциях во второй половине 20-го века.

Устройство и принцип работы тэц

В современных условиях цена продуктов нефтепереработки существенно увеличилась, поэтому мазут перестал быть основным топливом. Его частично используют угольные электростанции для растопки. Эксплуатационные качества мазута аналогичны с природным газом, однако при его сжигании в большом количестве выделяется оксид серы, загрязняющий окружающую среду.

В 20-м веке некоторые ТЭС работали на торфе. В настоящее время этот ресурс практически не используется из-за низкой эффективности по сравнению с газом и углем. Установки на дизельном топливе применяются на небольших объектах, где не требуются значительные объемы электроэнергии. В основном, они предназначены для удаленных районов, расположенных на значительном расстоянии от сетей централизованного электроснабжения.

КПД тепловой электростанции

Основным показателем любой тепловой электростанции является ее коэффициент полезного действия. Например, для угольных ТЭС существует термический КПД, определяемый количеством угля, необходимого для выработки 1 кВт*ч электроэнергии. Если в начале 20-х годов прошлого века этот показатель составлял 15,4 кг, то в 60-е годы он снизился до 3,95 кг. В дальнейшем расход угля вновь незначительно поднялся до 4,6 кг.

Причиной такого подъема стали газоочистители, уловители пыли и золы, из-за которых угольная электростанция снизила выходную мощность на 10%. Многие станции пользуются более чистым в экологическом плане углем, что также привело к увеличению потребления топлива.

Устройство и принцип работы тэц

Процентное выражение термического КПД тепловой электростанции составляет не более 36%, что связано с высокими тепловыми потерями, вызываемыми отходящими газами при горении. У атомных электростанций, отличающимися низкими температурами и давлением термический КПД еще ниже – 32%. Самый высокий показатель у газотурбинных установок, оборудованных котлами-утилизаторами и дополнительными паровыми турбинами. КПД электростанций с таким оборудованием превышает 40%. Этот показатель полностью зависит от величины рабочих температур и давления пара.

Современные паротурбинные электростанции используют промежуточный перегрев пара. После того как он частично отработает в турбине, происходит его отбор в промежуточной точке для последующего повторного нагрева до первоначальной температуры. Система промежуточного перегрева может состоять из двух ступеней и более, что способствует значительному увеличению термического КПД.

Самые мощные ТЭС

В настоящее время лидером тепловой энергетики по праву считается тепловая электростанция Туокетуо, находящаяся в Китае в провинции Внутренняя Монголия. До недавних пор она являлась лишь третьей в мире, уступая по мощности ТЭС, расположенным в Тайчжуне и Сургуте. В результате проведенной реконструкции в 2017 году добавились два энергоблока по 660 Мвт каждый, после чего общая мощность станции достигла 6720 мегаватт. После этого Сургутская ГРЭС стала занимать 3-е место в мире и 1-е – в России.

Читайте также:  Маленький балкон фото идеи дизайна

Устройство и принцип работы тэц

В российской Энергосистеме доля тепловых электростанций составляет около 70%, а общее количество в натуральных цифрах – 358 единиц. Самые крупные ТЭС расположены возле крупных месторождений полезных ископаемых, используемых в качестве топлива. Установки, применяющие мазут, привязаны к крупным нефтеперерабатывающим предприятиям.

Крупнейшей российской ТЭС является Сургутская, производительность которой составляет 5600 МВт. На карте географическое положение объекта определяется на примерно одинаковом расстоянии от Нефтеюганска и Ханты-Мансийска.

Устройство и принцип работы тэц

Строительство объекта началось в 1979 году, а в 1985 году был введен в эксплуатацию 1-й энергоблок. Далее за 3 года в строй вступили все оставшиеся энергоблоки, производительностью 800 МВт. Работа станции осуществляется на попутном газе, образованном в местах разрабатываемых газовых месторождений. Такой газ должен утилизироваться, однако он превратился в энергетический ресурс. К настоящему времени построены еще 2 энергоблока по 400 МВт, что позволило вывести станцию на проектную мощность.

Следует отметить еще одну крупную российскую ГРЭС – Рефтинскую. Она работает на каменном угле, а производительность составляет 3800 мегаватт. Объект расположен примерно в 100 км от Екатеринбурга. Строительство велось с 1963 по 1980 годы, в течение всего периода энергоблоки вводились в строй поэтапно.

Устройство и принцип работы тэц

Принцип работы теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) основан на уникальном свойстве водяного пара – быть теплоносителем. В разогретом состоянии, находясь под давлением, он превращается в мощный источник энергии, приводящий в движение турбины теплоэлектростанций (ТЭС) — наследие такой уже далекой эпохи пара.

Первая тепловая электростанция была построена в Нью-Йорке на Перл-Стрит (Манхэттен) в 1882 году. Родиной первой российской тепловой станции, спустя год, стал Санкт-Петербург. Как это ни странно, но даже в наш век высоких технологий ТЭС так и не нашлось полноценной замены: их доля в мировой энергетике составляет более 60 %.

И этому есть простое объяснение, в котором заключены достоинства и недостатки тепловой энергетики. Ее «кровь» — органическое топливо – уголь, мазут, горючие сланцы, торф и природный газ по-прежнему относительно доступны, а их запасы достаточно велики.

Большим минусом является то, что продукты сжигания топлива причиняют серьезный вред окружающей среде. Да и природная кладовая однажды окончательно истощится, и тысячи ТЭС превратятся в ржавеющие «памятники» нашей цивилизации.

Принцип работы

Для начала стоит определиться с терминами «ТЭЦ» и «ТЭС». Говоря понятным языком – они родные сестры. «Чистая» теплоэлектростанция – ТЭС рассчитана исключительно на производство электроэнергии. Ее другое название «конденсационная электростанция» – КЭС.

Устройство и принцип работы тэц

Теплоэлектроцентраль – ТЭЦ — разновидность ТЭС. Она, помимо генерации электроэнергии, осуществляет подачу горячей воды в центральную систему отопления и для бытовых нужд.

Схема работы ТЭЦ достаточно проста. В топку одновременно поступают топливо и разогретый воздух — окислитель. Наиболее распространенное топливо на российских ТЭЦ – измельченный уголь. Тепло от сгорания угольной пыли превращает воду, поступающую в котел в пар, который затем под давлением подается на паровую турбину. Мощный поток пара заставляет ее вращаться, приводя в движение ротор генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую.

Устройство и принцип работы тэц

Далее пар, уже значительно утративший свои первоначальные показатели – температуру и давление – попадает в конденсатор, где после холодного «водяного душа» он опять становится водой. Затем конденсатный насос перекачивает ее в регенеративные нагреватели и далее — в деаэратор. Там вода освобождается от газов – кислорода и СО2, которые могут вызвать коррозию. После этого вода вновь подогревается от пара и подается обратно в котел.

Теплоснабжение

Вторая, не менее важная функция ТЭЦ – обеспечение горячей водой (паром), предназначенной для систем центрального отопления близлежащих населенных пунктов и бытового использования. В специальных подогревателях холодная вода нагревается до 70 градусов летом и 120 градусов зимой, после чего сетевыми насосами подается в общую камеру смешивания и далее по системе тепломагистралей поступает к потребителям. Запасы воды на ТЭЦ постоянно пополняются.

Как работают ТЭС на газе

Устройство и принцип работы тэц

По сравнению с угольными ТЭЦ, ТЭС, где установлены газотурбинные установки, намного более компактны и экологичны. Достаточно сказать, что такой станции не нужен паровой котел. Газотурбинная установка – это по сути тот же турбореактивный авиадвигатель, где, в отличие от него, реактивная струя не выбрасывается в атмосферу, а вращает ротор генератора. При этом выбросы продуктов сгорания минимальны.

Читайте также:  Лазерный уровень скил 0515 цена

Новые технологии сжигания угля

КПД современных ТЭЦ ограничен 34 %. Абсолютное большинство тепловых электростанций до сих пор работают на угле, что объясняется весьма просто — запасы угля на Земле по-прежнему громадны, поэтому доля ТЭС в общем объеме выработанной электроэнергии составляет около 25 %.

Процесс сжигания угля многие десятилетия остается практически неизменным. Однако и сюда пришли новые технологии.

Чистое сжигание угля (Clean Coal)

Устройство и принцип работы тэц

Особенность данного метода состоит в том, что вместо воздуха в качестве окислителя при сжигании угольной пыли используется выделенный из воздуха чистый кислород. В результате, из дымовых газов удаляется вредная примесь – NОx. Остальные вредные примеси отфильтровываются в процессе нескольких ступеней очистки. Оставшийся на выходе СО2 закачивается в емкости под большим давлением и подлежит захоронению на глубине до 1 км.

Метод «oxyfuel capture»

Устройство и принцип работы тэц

Здесь также при сжигании угля в качестве окислителя используется чистый кислород. Только в отличие от предыдущего метода в момент сгорания образуется пар, приводящий турбину во вращение. Затем из дымовых газов удаляются зола и оксиды серы, производится охлаждение и конденсация. Оставшийся углекислый газ под давлением 70 атмосфер переводится в жидкое состояние и помещается под землю.

Метод «pre-combustion»

Уголь сжигается в «обычном» режиме – в котле в смеси с воздухом. После этого удаляется зола и SO2 – оксид серы. Далее происходит удаление СО2 с помощью специального жидкого абсорбента, после чего он утилизируется путем захоронения.

Пятерка самых мощных теплоэлектростанций мира

Устройство и принцип работы тэц

Первенство принадлежит китайской ТЭС Tuoketuo мощностью 6600 МВт (5 эн/бл. х 1200 МВт), занимающей площадь 2,5 кв. км. За ней следует ее «соотечественница» — Тайчжунская ТЭС мощностью 5824 МВт. Тройку лидеров замыкает крупнейшая в России Сургутская ГРЭС-2 – 5597,1 МВт. На четвертом месте польская Белхатувская ТЭС – 5354 МВт, и пятая – Futtsu CCGT Power Plant (Япония) – газовая ТЭС мощностью 5040 МВт.

Интерактивное приложение «Как работает ТЭЦ»

На картинке слева — электростанция « Мосэнерго » , где вырабатывается электроэнергия и тепло для Москвы и области. В качестве топлива используется самое экологически чистое топливо — природный газ. На ТЭЦ газ поступает по газопроводу в паровой котел. В котле газ сгорает и нагревает воду.

Чтобы газ лучше горел, в котлах установлены тягодутьевые механизмы. В котел подается воздух, который служит окислителем в процессе сгорания газа. Для снижения уровня шума механизмы снабжены шумоглушителями. Образовавшиеся при горении топлива дымовые газы отводятся в дымовую трубу и рассеиваются в атмосфере.

Раскаленный газ устремляется по газоходу и нагревает воду, проходящую по специальным трубкам котла. При нагревании вода превращается в перегретый пар, который поступает в паровую турбину. Пар поступает внутрь турбины и начинает вращать лопатки турбины, которые связаны с ротором генератора. Энергия пара превращается в механическую энергию. В генераторе механическая энергия переходит в электрическую, ротор продолжает вращаться, создавая в обмотках статора переменный электрический ток.

Через повышающий трансформатор и понижающую трансформаторную подстанцию электроэнергия по линиям электропередач поступает потребителям. Отработавший в турбине пар направляется в конденсатор, где превращается в воду и возвращается в котел. На ТЭЦ вода движется по кругу. Градирни предназначены для охлаждения воды. На ТЭЦ используются вентиляторные и башенные градирни. Вода в градирнях охлаждается атмосферным воздухом. В результате выделяется пар, который мы и видим над градирней в виде облаков. Вода в градирнях под напором поднимается вверх и водопадом падает вниз в аванкамеру, откуда поступает обратно на ТЭЦ. Для снижения капельного уноса градирни оснащены водоуловителями.

Водоснабжение осуществляется от Москвы-реки. В здании химводоочистки вода очищается от механических примесей и поступает на группы фильтров. На одних она подготавливается до уровня очищенной воды для подпитки теплосети, на других — до уровня обессоленной воды и идет на подпитку энергоблоков.

Цикл, используемый для горячего водоснабжения и теплофикации, также замкнутый. Часть пара из паровой турбины направляется в водонагреватели. Далее горячая вода направляется в тепловые пункты, где происходит теплообмен с водой, поступающей из домов.

Высококлассные специалисты « Мосэнерго » круглосуточно поддерживают процесс производства, обеспечивая огромный мегаполис электроэнергией и теплом.

Как работает парогазовый энергоблок