Современный мир требует огромного количества энергии (электрической и тепловой), которая производится на электростанциях различного типа.

Человек научился добывать энергию из нескольких источников (углеводородное топливо, ядерные ресурсы, падающая вода, ветер и т.д.) Однако и по сей день наиболее востребованными и эффективными остаются тепловые и атомные электростанции, о которых и пойдет речь.

Что такое АЭС?

Атомная электростанция (АЭС) – это объект, на котором для производства энергии используется реакция распада ядерного топлива.

Попытки использования управляемой (то есть контролируемой, прогнозируемой) ядерной реакции для выработки электроэнергии были предприняты советскими и американскими учеными одновременно – в 40-х годах прошлого века. В 50-х годах «мирный атом» стал реальностью, и во многих странах мира стали строить АЭС.

Центральным узлом любой АЭС является ядерная установка, в которой происходит реакция. При распаде радиоактивных веществ происходит выделение огромного количества тепла. Выделяемая тепловая энергия используется для нагрева теплоносителя (как правило, воды), который, в свою очередь, нагревает воду второго контура до перехода ее в пар. Горячий пар вращает турбины, благодаря чему происходит образование электроэнергии.

В мире не утихают споры о целесообразности использования атомной энергии для выработки электричества. Сторонники АЭС говорят об их высокой продуктивности, безопасности реакторов последнего поколения, а также о том, что такие электростанции не загрязняют окружающую среду. Противники утверждают, что АЭС потенциально чрезвычайно опасны, а их эксплуатация и, особенно, утилизация отработанного топлива сопряжены с огромными расходами.

Что такое ТЭС?

Наиболее традиционным и распространенным в мире видом электростанциЙ являются ТЭС. Тепловые электростанции (так расшифровывается данная аббревиатура) вырабатывают электроэнергию за счет сжигания углеводородного топлива – газа, угля, мазута.


Схема работы ТЭС выглядит следующим образом: при сгорании топлива образуется большое количество тепловой энергии, с помощью которой нагревается вода. Вода превращается в перегретый пар, который подается в турбогенератор. Вращаясь, турбины приводят в движение детали электрогенератора, образуется электрическая энергия.

На некоторых ТЭЦ фаза передачи тепла теплоносителю (воде) отсутствует. В них используются газотурбинные установки, в которых турбину вращают газы, полученные непосредственно при сжигании топлива.

Существенным преимуществом ТЭС считается доступность и относительная дешевизна топлива. Однако есть у тепловых станций и недостатки. Это, прежде всего, экологическая угроза окружающей среде. При сжигании топлива в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ. Чтобы сделать ТЭС более безопасными, применяется ряд методов, в том числе: обогащение топлива, установка специальных фильтров, задерживающих вредные соединения, использование рециркуляции дымовых газов и т.п.

Что такое ТЭЦ?

Само название данного объекта напоминает предыдущее, и на самом деле, ТЭЦ, как и тепловые электростанции преобразуют тепловую энергию сжигаемого топлива. Но помимо электроэнергии теплоэлектроцентрали (так расшифровывается ТЭЦ) поставляют потребителям тепло. ТЭЦ особенно актуальны в холодных климатических зонах, где нужно обеспечить жилые дома и производственные здания теплом. Именно поэтому ТЭЦ так много в России, где традиционно используется центральное отопление и водоснабжение городов.

По принципу работы ТЭЦ относятся к конденсационным электростанциям, но в отличие от них, на теплоэлектроцентралях часть выработанной тепловой энергии идет на производство электричества, а другая часть – на нагрев теплоносителя, который и поступает к потребителю.


ТЭЦ более эффективна по сравнению с обычными ТЭС, поскольку позволяет использовать полученную энергию по максимуму. Ведь после вращения электрогенератора пар остается горячим, и эту энергию можно использовать для отопления.

Помимо тепловых, существуют атомные ТЭЦ, которые в перспективе должны сыграть ведущую роль в электро- и теплоснабжении северных городов.

Согласно общепринятому определению, тепловые электростанции – это электростанции, вырабатывающие электроэнергию посредством преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала электрогенератора.

Первые ТЭС появились еще в конце XIX века в Нью-Йорке (1882 год), а в 1883 году первая тепловая электростанция была построена в России (С.Петербург). С момента своего появление, именно ТЭС получили наибольшее распространение, учитывая все увеличивающуюся энергетическую потребность наступившего техногенного века. Вплоть до середины 70-х годов прошлого века, именно эксплуатация ТЭС являлась доминирующим способом получения электроэнергии. К примеру, в США и СССР доля ТЭС среди всей получаемой электроэнергии составляла 80%, а во всем мире – порядка 73-75%.

Данное выше определение хоть и емкое, но не всегда понятное. Попытаемся своими словами объяснить общий принцип работы тепловых электростанций любого типа.

Выработка электричества в ТЭС происходить при участии множества последовательных этапов, но общий принцип её работы очень прост. Вначале топливо сжигается в специальной камере сгорания (паровом котле), при этом выделяется большое количество тепла, которое превращает воду, циркулирующую по специальным системам труб расположенным внутри котла, в пар. Постоянно нарастающее давление пара вращает ротор турбины, которая передает энергию вращения на вал генератора, и в результате вырабатывается электрический ток.

Система пар/вода замкнута. Пар, после прохождения через турбину, конденсируется и вновь превращается в воду, которая дополнительно проходит через систему подогревателей и вновь попадает в паровой котел.

Существует несколько типов тепловых электростанций. В настоящее время, среди ТЭС больше всего тепловых паротурбинных электростанций (ТПЭС) . В электростанциях такого типа, тепловая энергия сжигаемого топлива используется в парогенераторе, где достигается очень высокое давление водяного пара, приводящего в движение ротор турбины и, соответственно, генератор. В качестве топлива, на таких теплоэлектростанциях используется мазут или дизель, а также природный газ, уголь, торф, сланцы, иными словами все виды топлива. КПД ТПЭС составляет около 40 %, а их мощность может достигать 3-6 ГВт.

ГРЭС (государственная районная электрическая станция) – довольно известное и привычное название. Это не что иное, как тепловая паротурбинная электростанция, оборудованная специальными конденсационными турбинами, которые не утилизируют энергию отработанных газов и не превращают её в тепло, например, для обогрева зданий. Такие электростанции еще называют конденсационными электростанциями.

В том же случае, если ТПЭС оснащены специальными теплофикационными турбинами, преобразующих вторичную энергию отработанного пара в тепловую энергию, используемую для нужд коммунальных или промышленных служб, то это уже теплоэлектроцентрали или ТЭЦ. К примеру, в СССР на долю ГРЭС приходилось около 65% вырабатываемой паротурбинными электростанциями электроэнергии, и, соответственно, 35% - на долю ТЭЦ.

Существуют также иные виды тепловых электростанций. В газотурбинных электростанциях, или ГТЭС, генератор вращается посредством газовой турбины. В качестве топлива на таких ТЭС применяют природный газ или жидкое топливо (дизель, мазут). Однако КПД таких электростанций не очень высок, около 27-29%, так что их используют в основном как резервные источники электроэнергии для покрытия пиков нагрузки на электрическую сеть, или для снабжения электричеством небольших населенных пунктов.

Тепловые электростанции с парогазотурбинной установкой (ПГЭС) . Это электростанции комбинированного типа. Они оборудованы паротурбинными и газотурбинными механизмами, и их КПД достигает 41-44%. Эти электростанции также позволяют утилизировать тепло и превращать его в тепловую энергию, идущую на отопление зданий.

Главным недостатком всех тепловых электростанций является тип используемого топлива. Все виды топлива, которые применяют на ТЭС, являются невосполнимыми природными ресурсами, которые медленно, но неуклонно заканчиваются. Именно поэтому в настоящее время, наряду с использованием атомных электростанций, ведутся разработки механизма выработки электроэнергии при помощи восполняемых или других альтернативных источников энергии.

Для полноценного функционирования промышленных предприятий, для обеспечения бытовых нужд и остальных потребностей современного человека всем нам необходима электрическая энергия. Мощным источником электроэнергии были и остаются тепловые электростанции.

Из-за негативного экологического влияния ТЭС на окружающую среду, а также, из-за угрозы исчерпания полезных ископаемых, используемых в качестве топлива при работе ТЭС, человечество пытается переориентировать энергетику на другие – возобновляемые источники тепла. Однако процесс этот сложный и не такой быстрый, как хотелось бы. Поэтому тепловые энергетические установки по-прежнему поставляют большую часть электричества, необходимого человечеству.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Для генерации электричества ТЭС необходимо органическое топливо, примером которого могут служить нефть, природный газ, уголь. Чтобы добыть скрытую в этих природных ресурсах энергию, их сжигают. В процессе этого сжигания выделяется тепло, которое используется для нагрева воды до состояния пара. Этот пар воздействует на турбину, вызывая её вращение, а та, в свою очередь, приводит в действие электрогенератор, благодаря которому вырабатывается электрический ток.

ВИДЫ ТЭС

По назначению тепловые электрические станции могут быть такими, которые предназначены преимущественно для производства электричества (их принято называть КЭС – конденсационными электрическими станциями), и такими, которые могут в большом объёме отпускать теплоту для промышленных или отопительных целей к объектам, расположенным на сравнительно небольшом расстоянии (ТЭЦ – теплоэлектроцентрали). Те же теплоэлектростанции, на которых пар получается за счёт энергии расщепления ядерного топлива, называются атомными (АЭС)

ТЭС и ЭКОЛОГИЯ

Когда теплоэлектростанции только начали создаваться и строиться, мало кого волновал тот вред, который они наносят окружающей среде в процессе своей работы. Однако со временем экологический фактор приобрёл важнейшее значение в развитии теплоэнергетических установок. Ведь сейчас мировые организации, контролирующие состояние окружающей среды, предъявляют жёсткие и обоснованные требования к экологической безопасности тепловых электростанций. И поэтому перед инженерами и учёными, занимающимися теплоэнергетическими исследованиями, возникло множество задач по усовершенствованию теплоэнергетического оборудования.

Прежде всего, необходимо оснащать ТЭС специальными фильтрами, поскольку при работе теплоэлектростанций выделяется огромное количество загрязняющих веществ.

Это и диоксид серы, который становится причиной кислотных дождей. И оксиды азота – виновники смога и «составляющие» кислотных дождей, которые в повышенных дозах могут оказывать пагубное воздействие на здоровье людей.

Также, в результате работы ТЭС в окружающую среду попадают бензопирен, сероводород и тяжёлые металлы, которые крайне опасны в дозах, превышающих пдк, и для человека, и для других живых организмов.

Кроме того, работа данных энергоустановок сопровождается образованием большого количества золы, которая, попадая в атмосферу, может вызывать заболевания дыхательных органов у людей.

Поэтому очень важно устанавливать качественные фильтры на теплоэнергетических установках, чтобы минимизировать выбросы вредных веществ в воздух, а также, применять ряд других мер по обеспечению экологической безопасности данных предприятий.

БУДУЩЕЕ ТЭС

Для того чтобы у ТЭС было будущее нужен достаточный запас топлива, необходимого для их функционирования. По приблизительным оценкам специалистов топлива органического происхождения должно хватить на 100-150 лет, но при этом добывать его будет становиться всё сложнее из-за того, что надо будет достигать глубоко расположенных залежей.

Ограниченность запасов топлива является движущим фактором для применения в тепловой энергетике энергосберегающих технологий, позволяющих экономить ресурсы.

Также, ТЭС будущего должны быть максимально безопасными в экологическом плане. Для этого теплоэнергетики всего мира занимаются разработкой систем, позволяющих минимизировать вред тепловых электрических станций.

Роль тепловых электрических станций в обеспечении человечества электроэнергией также значима, как и в прежние десятилетия. Несмотря на вред, наносимый экологии выбросами, производимыми ТЭС в процессе своего функционирования, отказаться от их использования при современном уровне развития альтернативных отраслей энергетики не представляется возможным. Зато есть возможность подарить новое дыхание теплоэнегетике, интенсифицируя усилия по усовершенствованию старых тепловых энергоустановок и по строительству новых, сконструированных с учётом новых высоких стандартов экологической безопасности.

Энергию, скрытую в органическом топливе - угле, нефти или природном газе, невозможно сразу получить в виде электричества. Топливо сначала сжигают. Выделившаяся теплота нагревает воду, превращает её в пар. Пар вращает турбину , а турбина - ротор генератора , который генерирует, т. е. вырабатывает, электрический ток.

Схема работы конденсационной электростанции.

Славянская ТЭС. Украина, Донецкая область.

Весь этот сложный, многоступенчатый процесс можно наблюдать на тепловой электрической станции (ТЭС), оборудованной энергетическими машинами, преобразующими энергию, скрытую в органическом топливе (горючих сланцах, угле, нефти и продуктах её переработки, природном газе), в электрическую энергию. Основные части ТЭС - котельная установка, паровая турбина и электрогенератор.

Котельная установка - комплекс устройств для получения водяного пара под давлением. Она состоит из топки, в которой сжигается органическое топливо, топочного пространства, по которому продукты горения проходят в дымовую трубу, и парового котла, в котором кипит вода. Часть котла, во время нагрева соприкасающаяся с пламенем, называется поверхностью нагрева.

Котлы бывают 3 типов: дымогарные, водотрубные и прямоточные. Внутри дымогарных котлов помещен ряд трубок, по которым продукты горения проходят в дымовую трубу. Многочисленные дымогарные трубки имеют огромную поверхность нагрева, вследствие чего в них хорошо используется энергия топлива. Вода в этих котлах находится между дымогарными трубками.

В водотрубных котлах - все наоборот: по трубкам пускают воду, а между трубками горячие газы. Основные части котла - топка, кипятильные трубки, паровой котел и пароперегреватель. В кипятильных трубках идет процесс парообразования. Образующийся в них пар поступает в паровой котел, где и собирается в верхней его части, над кипящей водой. Из парового котла пар проходит в пароперегреватель и там дополнительно нагревается. Топливо в этот котел забрасывают через дверцу, а воздух, необходимый для горения топлива, подают через другую дверцу в поддувало. Горячие газы поднимаются вверх и, огибая перегородки, проходят путь, указанный на схеме (см. рис.).

В прямоточных котлах воду нагревают в длинных трубах-змеевиках. Вода подается в эти трубы насосом . Проходя через змеевик, она полностью испаряется, а образовавшийся пар перегревается до требуемой температуры и затем выходит из змеевиков.

Котельные установки, работающие с промежуточным перегревом пара, являются составной частью установки, называемой энергоблоком «котел - турбина».

В перспективе, например, для использования угля Канско-Ачинского бассейна будут сооружены крупные тепловые электростанции мощностью до 6400 МВт с энергетическими блоками по 800 МВт, где котельные установки будут вырабатывать 2650 т пара в 1 ч с температурой до 565 °C и давлением 25 МПа.

Котельная установка вырабатывает пар высокого давления, который идет в паровую турбину - главный двигатель тепловой электростанции. В турбине пар расширяется, давление его падает, а скрытая энергия преобразуется в механическую. Паровая турбина приводит в движение ротор генератора, вырабатывающего электрический ток.

В крупных городах чаще всего строят теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), а в районах с дешевым топливом - конденсационные электростанции (КЭС).

ТЭЦ - это тепловая электростанция, вырабатывающая не только электрическую энергию, но и теплоту в виде горячей воды и пара. Пар, покидающий паровую турбину, содержит в себе еще много тепловой энергии. На ТЭЦ эту теплоту используют двояко: либо пар после турбины направляется потребителю и обратно на станцию не возвращается, либо он передает теплоту в теплообменнике воде, которая направляется потребителю, а пар возвращается обратно в систему. Поэтому ТЭЦ имеет высокий КПД, достигающий 50–60%.

Различают ТЭЦ отопительного и промышленного типов. Отопительные ТЭЦ обогревают жилые и общественные здания и снабжают их горячей водой, промышленные - снабжают теплотой промышенные предприятия. Передача пара от ТЭЦ осуществляется на расстояния до нескольких километров, а передача горячей воды - до 30 и более километров. Вследствие этого теплоэлектроцентрали строятся неподалеку от крупных городов.

Огромное количество тепловой энергии направляется на теплофикацию или централизованное отопление наших квартир, школ, учреждений. До Октябрьской революции централизованного теплоснабжения домов не было. Дома отапливались печами, в которых сжигалось много дров и угля. Теплофикаций в нашей стране началась в первые годы советской власти, когда по плану ГОЭЛРО (1920 г.) приступили к строительству крупных ТЭС. Суммарная мощность ТЭЦ в начале 1980‑х гг. превысила 50 млн кВт.

Но основная доля электроэнергии, которую вырабатывают тепловые электростанции, приходится на конденсационные электростанции (КЭС). У нас их чаще называют государственными районными электрическими станциями (ГРЭС). В отличие от ТЭЦ, где теплота отработанного в турбине пара используется для отопления жилых и производственных зданий, на КЭС отработанный в двигателях (паровых машинах, турбинах) пар превращается конденсаторами в воду (конденсат), направляемую обратно в котлы для повторного использования. КЭС сооружаются непосредственно у источников водоснабжения: у озера, реки, моря. Теплота, выводимая из электростанции с охлаждающей водой, безвозвратно теряется. КПД КЭС не превышает 35–42%.

На высокую эстакаду день и ночь по строгому графику подают вагоны с мелко раздробленным углем. Особый разгрузчик опрокидывает вагоны, и топливо ссыпается в бункер. Мельницы тщательно размалывают его в топливный порошок, и он вместе с воздухом влетает в топку парового котла. Языки пламени плотно охватывают пучки трубок, вода в которых закипает. Образуется водяной пар. По трубам - паропроводам - пар направляется к турбине и через сопла бьет в лопатки ротора турбины. Отдав энергию ротору, отработанный пар идет в конденсатор, охлаждается и превращается в воду. Насосы подают её обратно в котел. А энергия продолжает свое движение от ротора турбины к ротору генератора. В генераторе происходит её последнее превращение: она становится электричеством. На этом заканчивается энергетическая цепочка КЭС.

В отличие от ГЭС тепловые электростанции можно построить в любом месте, а тем самым приблизить источники получения электроэнергии к потребителю и расположить тепловые электростанции равномерно по территории экономических районов страны. Преимущество ТЭС состоит и в том, что они работают практически на всех видах органического топлива - углях, сланцах, жидком топливе, природном газе.

К крупнейшим конденсационным ТЭС в относятся Рефтинская (Свердловская область), Запорожская (Украина), Костромская, Углегорская (Донецкая область, Украина). Мощность каждой из них превышает 3000 МВт.

Наша страна - пионер строительства тепловых электростанций, энергию которым дает атомный реактор (см.

У этой паровой турбины хорошо видны лопатки рабочих колес.

Тепловая электростанция (ТЭЦ) использует энергию, высвобождающуюся при сжигании органического топлива - угля, нефти и природного газа - для превращения воды в пар высокого давления. Этот пар, имеющий давление около 240 килограммов на квадратный сантиметр и температуру 524°С (1000°F), приводит во вращение турбину. Турбина вращает гигантский магнит внутри генератора, который вырабатывает электроэнергию.

Современные тепловые электростанции превращают в электроэнергию около 40 процентов теплоты, выделившейся при сгорании топлива, остальная сбрасывается в окружающую среду. В Европе многие тепловые электростанции используют отработанную теплоту для отопления близлежащих домов и предприятий. Комбинированная выработка тепла и электроэнергии увеличивает энергетическую отдачу электростанции до 80 процентов.

Паротурбинная установка с электрогенератором

Типичная паровая турбина содержит две группы лопаток. Пар высокого давления, поступающий непосредственно из котла, входит в проточную часть турбины и вращает рабочие колеса с первой группой лопаток. Затем пар подогревается в пароперегревателе и снова поступает в проточную часть турбины, чтобы вращать рабочие колеса с второй группой лопаток, которые работают при более низком давлении пара.

Вид в разрезе

Типичный генератор тепловой электростанции (ТЭЦ) приводится во вращение непосредственно паровой турбиной, которая совершает 3000 оборотов в минуту. В генераторах такого типа магнит, который называют также ротором, вращается, а обмотки (статор) неподвижны. Система охлаждения предупреждает перегрев генератора.

Выработка энергии при помощи пара

На тепловой электростанции топливо сгорает в котле, с образованием высокотемпературного пламени. Вода проходит по трубкам через пламя, нагревается и превращается в пар высокого давления. Пар приводит во вращение турбину, вырабатывая механическую энергию, которую генератор превращает в электричество. Выйдя из турбины, пар поступает в конденсатор, где омывает трубки с холодной проточной водой, и в результате снова превращается в жидкость.

Мазутный, угольный или газовый котел

Внутри котла

Котел заполнен причудливо изогнутыми трубками, по которым проходит нагреваемая вода. Сложная конфигурация трубок позволяет существенно увеличить количество переданной воде теплоты и за счет этого вырабатывать намного больше пара.