Climate Analytics continuă să insiste că energia pe bază de cărbune din Europa trebuie eliminată până în 2030 - altfel UE nu va îndeplini obiectivele Acordului de la Paris privind clima. Dar ce stații ar trebui închise mai întâi? Sunt propuse două abordări - ecologică și economică. „Oxygen.LIFE” Am aruncat o privire mai atentă la cele mai mari centrale electrice pe cărbune din Rusia, pe care nimeni nu le va închide.
Încheiat în zece ani
Climate Analytics continuă să insiste că, pentru a atinge obiectivele Acordului de la Paris, țările UE vor trebui să închidă aproape toate centralele electrice pe cărbune existente. Sectorul energetic al Europei are nevoie de o decarbonizare totală, deoarece o parte semnificativă a emisiilor totale de gaze cu efect de seră (GES) ale UE provine de la energia pe bază de cărbune. Prin urmare, eliminarea treptată a cărbunelui în această industrie este una dintre cele mai rentabile metode de reducere a emisiilor de GES, iar o astfel de acțiune va oferi beneficii semnificative în ceea ce privește calitatea aerului, sănătatea publică și securitatea energetică.
În prezent, în UE există peste 300 de centrale electrice cu 738 de unități electrice care funcționează cu combustibil pe bază de cărbune. Desigur, ele nu sunt distribuite uniform geografic. Dar, în general, cărbunele și lignitul (cărbunele brun) asigură un sfert din toată generarea de energie electrică în UE. Membrii UE cei mai dependenți de cărbune sunt Polonia, Germania, Bulgaria, Cehia și România. Germania și Polonia reprezintă 51% din capacitatea instalată de cărbune în UE și 54% din emisiile de GES de la energia electrică pe cărbune în întreaga Europă unită. În același timp, în șapte țări UE nu există deloc centrale termice pe cărbune.
„Utilizarea continuă a cărbunelui pentru producerea de energie electrică este incompatibilă cu implementarea sarcinii de reducere drastică a emisiilor de GES. Prin urmare, UE trebuie să dezvolte o strategie de eliminare treptată a cărbunelui mai rapid decât o face în prezent”, conchide Climate Analytics. În caz contrar, emisiile totale în UE vor crește cu 85% până în 2050. Modelarea realizată de Climate Analytics a constatat că 25% din centralele electrice pe cărbune care funcționează în prezent ar trebui să se închidă până în 2020. În alți cinci ani, este necesar să se închidă 72% din centralele termice și să scape complet de energia cărbunelui până în 2030.
Întrebarea principală este cum să faci asta? Potrivit Climate Analytics, „întrebarea critică este ce criterii ar trebui folosite pentru a determina când să se închidă anumite centrale termice? Din punct de vedere al atmosferei terestre, criteriile nu contează, deoarece emisiile de GES vor fi reduse în ritmul dorit. Dar din punctul de vedere al factorilor de decizie, al proprietarilor de afaceri și al altor părți interesate, dezvoltarea unor astfel de criterii este un punct critic în luarea deciziilor.”
Climate Analytics sugerează două strategii posibile pentru eliminarea totală a cărbunelui din generarea de energie electrică. Prima este să închidem mai întâi acele centrale termice care conduc la emisii de GES. A doua strategie este de a închide stațiile care sunt mai puțin valoroase din perspectiva afacerii. Pentru fiecare dintre strategii, există un infografic interesant care arată cum se va schimba fața UE în anii de după închiderea centralelor pe cărbune. În primul caz, Polonia, Cehia, Bulgaria și Danemarca vor fi atacate. În al doilea sunt și Polonia și Danemarca.
Nu există unitate
Climate Analytics a atribuit, de asemenea, anii de închidere pentru toate cele 300 de stații, în conformitate cu două strategii. Este ușor de observat că acești ani diferă semnificativ de orele de funcționare ale acestor stații ca de obicei (așa-numitele BAU - businnes as usual). De exemplu, cea mai mare stație Belchatov din Europa din Polonia (capacitate de peste 4,9 GW) ar putea funcționa cel puțin până în 2055; întrucât se propune închiderea acestuia până în 2027 - aceeași perioadă în orice scenariu.
În general, tocmai cinci centrale termice poloneze pot fuma în liniște până în anii 2060 pe care Climate Analytics își propune să închidă timp de trei până la patru decenii. înainte de termen. Polonia, a cărei aprovizionare cu energie este dependentă în proporție de 80% de cărbune, este puțin probabil să fie mulțumită de această evoluție (nu uitați, această țară chiar va contesta în instanță obligațiile climatice impuse de UE). Alte cinci posturi din Top 20 sunt în Marea Britanie; opt sunt în Germania. Tot în primele douăzeci pentru închidere se află și două centrale termice din Italia.
Totodată, English Fiddler's Ferry (capacitate 2 GW) ar trebui să fie închisă deja în 2017, iar restul termocentralelor britanice, după cum a declarat guvernul acestei țări, până în 2025. Adică doar în această țară procesul poate avea loc relativ nedureros.În Germania totul se poate întinde până în 2030, implementarea celor două strategii va diferi în funcție de specificul terenului (există regiuni miniere de cărbune).În Cehia și Bulgaria, generarea de cărbune va avea loc. trebuie eliminate treptat până în 2020 - în primul rând din cauza volumelor semnificative de emisii.
Sursele regenerabile de energie ar trebui să înlocuiască cărbunele. Reducerea costului producției solare și eoliene este o tendință importantă care trebuie susținută și dezvoltată, potrivit Climate Analytics. Datorită surselor regenerabile de energie, este posibilă transformarea sectorului energetic, inclusiv prin crearea de noi locuri de muncă (nu doar în industrie în sine, ci și în producția de echipamente). Care, printre altele, va putea angaja personal eliberat din sectorul energetic pe cărbune.
Cu toate acestea, Climate Analytics admite că nu există o unitate în Europa în ceea ce privește cărbunele. În timp ce unele țări au redus semnificativ producția și au anunțat o eliminare completă a acestui tip de combustibil în următorii 10-15 ani (printre acestea, de exemplu, Marea Britanie, Finlanda și Franța), altele fie construiesc, fie plănuiesc să construiască noi centrale electrice pe cărbune (Polonia și Grecia). „Sunt date probleme de mediu în Europa mare atentie, cu toate acestea, este puțin probabil că va fi posibil să se abandoneze rapid generarea de cărbune. În primul rând, este necesară punerea în funcțiune a capacităților de înlocuire, deoarece atât populația, cât și economia au nevoie de căldură și lumină. Acest lucru este cu atât mai important cu cât au fost luate anterior decizii de închidere a unui număr de centrale nucleare din Europa. Vor apărea probleme sociale, unii dintre angajații stațiilor înșiși vor trebui recalificați, un număr semnificativ de locuri de muncă vor fi tăiate într-o varietate de industrii, ceea ce cu siguranță va crește tensiunea în societate. Închiderea centralelor pe cărbune va avea, de asemenea, un impact asupra bugetelor, întrucât nu va exista un grup semnificativ de contribuabili, iar performanța operațională a acelor companii care anterior le-au furnizat bunuri și servicii va scădea semnificativ. Dacă este posibilă vreo soluție, aceasta poate consta într-o abandonare prelungită în timp a producției de cărbune, continuând în același timp lucrările de îmbunătățire a tehnologiilor în vederea reducerii emisiilor de la arderea cărbunelui și a îmbunătățirii situației de mediu la centralele pe cărbune”, spune el cu această ocazie. . Dmitri Baranov, expert principal al Finam Management.
Top 20 de centrale electrice pe cărbune din Europa care, potrivit Climate Analytics, vor trebui închise
Ce avem?
Ponderea producției termice în structura producției de energie electrică în Rusia este de peste 64%, în structura capacității instalate a stațiilor UES - mai mult de 67%. Cu toate acestea, în TOP 10 cele mai mari centrale termice din țară, doar două stații funcționează pe cărbune - Reftinskaya și Ryazanskaya; Practic, energia termică din Rusia este gazul. „Rusia are una dintre cele mai bune structuri de echilibrare a combustibilului din lume. Folosim doar 15% cărbune pentru producerea de energie. Media globală este de 30-35%. În China – 72%, în SUA și Germania – 40%. Sarcina de a reduce ponderea surselor non-carbon la 30% este abordată activ în Europa. În Rusia, acest program a fost deja implementat”, a spus șeful Ministerului Rus al Energiei Alexandru Novak, vorbind la sfârșitul lunii februarie la sesiunea panel „Economia verde ca vector al dezvoltării”, ca parte a Forumului pentru investiții rusești 2017 de la Soci.
Ponderea energiei nucleare în bilanțul energetic total al țării este de 16-17%, generarea de hidroenergie este de 18%, iar gazul reprezintă aproximativ 40%. Potrivit Institutului de Cercetare Energetică al Academiei Ruse de Științe, cărbunele în producția de energie electrică a fost mult timp înlocuit în mod activ de gaz și energie nucleară și cel mai rapid în partea europeană a Rusiei. Cele mai mari centrale termice pe cărbune sunt situate, totuși, în centru și în Urali. Dar dacă te uiți la imaginea din sectorul energetic în termeni de regiuni, și nu de stații individuale, imaginea va fi diferită: cele mai multe regiuni „cărbune” sunt în Siberia și Orientul îndepărtat. Structura balanțelor energetice teritoriale depinde de nivelul de gazeificare: în partea europeană a Rusiei este ridicat, iar în Siberia de Est și dincolo de acesta este scăzut. Cărbunele ca combustibil este folosit de obicei în centralele termice urbane, unde se generează nu numai electricitate, ci și căldură. Prin urmare, generarea în orașele mari (cum ar fi Krasnoyarsk) se bazează în totalitate pe cărbune. În general, numai stațiile termice din IPS siberian reprezintă în prezent 60% din generarea de energie electrică - aceasta este aproximativ 25 GW de capacitate „cărbune”.
În ceea ce privește sursele de energie regenerabilă, ponderea acestor surse în bilanțul energetic al Federației Ruse reprezintă acum o valoare simbolică de 0,2%. „Plănuim să ajungem la 3% - până la 6 mii MW prin diferite mecanisme de suport”, a prognozat Novak. Compania Rosseti oferă previziuni mai optimiste: capacitatea instalată a surselor de energie regenerabilă în Rusia ar putea crește cu 10 GW până în 2030. Nu se preconizează însă o restructurare globală a balanței energetice din țara noastră. „Se estimează că până în 2050 vor fi aproximativ 10 miliarde de oameni în lume. Deja în prezent, aproximativ 2 miliarde nu au acces la surse de energie. Imaginați-vă care va fi necesarul de energie al omenirii în 33 de ani și cum ar trebui să se dezvolte sursele regenerabile de energie pentru a satisface toate cererile”, demonstrează Alexander Novak viabilitatea energiei tradiționale.
„Cu siguranță nu vorbim despre „renuntarea la cărbune” în Rusia, mai ales că, conform Strategiei Energetice până în 2035, este planificată creșterea ponderii cărbunelui în balanța energetică a țării”, își amintește. Dmitri Baranov de la Finam Management. - Alături de petrol și gaze, cărbunele este unul dintre cele mai importante minerale de pe planetă, iar Rusia, ca una dintre cele mai mari țări din lume în ceea ce privește rezervele și producția, este pur și simplu obligată să acorde atenția cuvenită dezvoltării această industrie. În 2014, la o reuniune a guvernului rus, Novak a prezentat un program pentru dezvoltarea industriei cărbunelui rusesc până în 2030. „Se concentrează pe crearea de noi centre de extracție a cărbunelui, în primul rând în Siberia și Orientul Îndepărtat, îmbunătățirea potențialului științific și tehnic în industrie, precum și implementarea de proiecte în chimia cărbunelui.”
Cele mai mari centrale termice din Rusia care funcționează cu combustibil pe bază de cărbune
Reftinskaya GRES (Enel Rusia)
Este cea mai mare centrală termică pe cărbune din Rusia (și a doua în top 10 centrale termice din țară). Situat în regiunea Sverdlovsk, la 100 km nord-est de Ekaterinburg și la 18 km de Asbest.
Capacitatea electrică instalată este de 3800 MW.
Instalat putere termala- 350 Gcal/h.
Oferă alimentare cu energie zonelor industriale din regiunile Sverdlovsk, Tyumen, Perm și Chelyabinsk.
Construcția centralei electrice a început în 1963, prima unitate de putere a fost lansată în 1970, iar ultima în 1980.
Ryazanskaya GRES (OGK-2)
A cincea în top 10 cele mai mari stații termice din Rusia. Funcționează cu cărbune (prima treaptă) și gaz natural (a doua treaptă). Situat în Novomichurinsk (regiunea Ryazan), la 80 km sud de Ryazan.
Capacitatea electrică instalată (împreună cu GRES-24) este de 3.130 MW.
Puterea termică instalată este de 180 Gcal/oră.
Construcția a început în 1968. Prima unitate de putere a fost pusă în funcțiune în 1973, ultima la 31 decembrie 1981.
Novocherkasskaya GRES (OGK-2)
Situat în microdistrictul Donskoy din Novocherkassk (regiunea Rostov), la 53 km sud-est de Rostov-pe-Don. Funcționează pe gaz și cărbune. Singura centrală termică din Rusia care utilizează deșeuri locale de la extracția cărbunelui și de la prepararea cărbunelui - peleți antracit.
Capacitatea electrică instalată este de 2229 MW.
Puterea termică instalată este de 75 Gcal/oră.
Construcția a început în 1956. Prima unitate de putere a fost pusă în funcțiune în 1965, ultima - a opta - în 1972.
Kashirskaya GRES (InterRAO)
Situat în Kashira (regiunea Moscova).
Alimentat cu cărbune și gaz natural.
Capacitatea electrică instalată este de 1910 MW.
Putere termică instalată - 458 Gcal/h.
Dat în exploatare în 1922 conform planului GOELRO. În anii 1960, stația a suferit o modernizare pe scară largă.
Unitățile electrice cu cărbune pulverizat nr. 1 și nr. 2 sunt planificate să fie dezafectate în 2019. Până în 2020, aceeași soartă așteaptă încă patru unități de putere care funcționează cu combustibil gazos. Doar cea mai modernă unitate nr. 3 cu o capacitate de 300 MW va rămâne în funcțiune.
Primorskaya GRES (RAO ES Vostoka)
Situat în Luchegorsk (teritoriul Primorsky).
Cea mai puternică centrală termică din Orientul Îndepărtat. Alimentat cu cărbune de la mina de cărbune Luchegorsk. Oferă cel mai consumul de energie al Primorye.
Capacitatea electrică instalată este de 1467 MW.
Puterea termică instalată este de 237 Gcal/oră.
Prima unitate electrică a stației a fost pusă în funcțiune în 1974, ultima în 1990. GRES este situat practic „la bordul” unei mine de cărbune - nicăieri în Rusia nu a fost construită o centrală electrică atât de aproape de o sursă de combustibil.
Troitskaya GRES (OGK-2)
Situat în Troitsk (regiunea Chelyabinsk). Situat avantajos în triunghiul industrial Ekaterinburg - Chelyabinsk - Magnitogorsk.Capacitate electrică instalată – 1.400 MW.
Putere termică instalată - 515 Gcal/oră.
Lansarea primei etape a stației a avut loc în 1960. Echipamentul etapei a doua (1200 MW) a fost scos din funcțiune în perioada 1992-2016.
În 2016, a fost pusă în funcțiune o unitate unică de energie pe cărbune pulverizat nr. 10 cu o capacitate de 660 MW.
Gusinoozerskaya GRES (InterRAO)
Situat în Gusinoozersk (Republica Buriația), furnizează energie electrică consumatorilor din Buriația și regiunile învecinate. Combustibilul principal pentru stație este cărbunele brun de la mina în carieră Okino-Klyuchevsky și zăcământul Gusinoozersk.
Capacitatea electrică instalată este de 1160 MW.
Putere termică instalată - 224,5 Gcal/h.
Patru unități de putere din prima etapă au fost puse în funcțiune între 1976 și 1979. Punerea în funcțiune a celei de-a doua etape a început în 1988 cu lansarea unității de putere nr. 5.
O centrală termică este o centrală electrică pentru transformarea energiei combustibilului în energie mecanică
Site-ul IA. Centrală termică (centrală termică) - o centrală electrică care produce Energie electrica datorită conversiei energiei chimice a combustibilului în energia mecanică de rotație a arborelui generatorului electric.
|
|
||
|---|---|---|
| 1 | Turn de racire | turn de racire |
| 2 | Pompă de apă de răcire | Pompa de racire cu apa; Pompă de circulație |
| 3 | Linie de transmisie (trifazată) | Linie de alimentare (trifazată) |
| 4 | Transformator de creștere (trifazat) | Transformator de creștere |
| 5 | Generator electric (trifazat) | Generator electric; Generator de mașini electrice |
| 6 | Turbină cu abur de joasă presiune | Turbină cu abur de joasă presiune |
| 7 | Pompa de condens | Pompa de condens |
| 8 | Condensator de suprafata | Condensator de suprafață |
| 9 | Turbină cu abur de presiune intermediară | Turbină cu abur de presiune medie |
| 10 | Supapa de control a aburului | Supapa de control a aburului |
| 11 | Turbină cu abur de înaltă presiune | Turbină cu abur presiune ridicata |
| 12 | Dezaerator | Dezaerator |
| 13 | Încălzitor de apă de alimentare | Încălzitor de apă de alimentare |
| 14 | Transportor de cărbune | Transportor de cărbune |
| 15 | Buncăr de cărbune | Buncăr de cărbune |
| 16 | Pulverizator de cărbune | Moara de macinat carbune; Moara de macinat carbune |
| 17 | Tamburul cazanului | Tamburul cazanului |
| 18 | Buncăr de cenușă de jos | Buncăr de zgură |
| 19 | Supraîncălzitor | Supraîncălzitor; Supraîncălzitor cu abur |
| 20 | Ventilator de tiraj fortat | Ventilator; Ventilator |
| 21 | Reîncălzitor | Supraîncălzitor intermediar |
| 22 | Admisia aerului de ardere | Priza de aer primar; Admisia de aer în focar |
| 23 | Economizor | Economizor |
| 24 | PREINCALZITOR aer | PREINCALZITOR aer |
| 25 | Precipitator | Captorul de cenușă |
| 26 | Ventilator de tiraj indus | Aspirator de fum; Ventilator de evacuare |
| 27 | Coș de gaze arse | Șemineu |
| 28 | Pompe de alimentare | Pompe de alimentare |
Cărbunele este transportat (14) dintr-un ax exterior și măcinat într-o pulbere foarte fină prin sfere metalice mari într-o moară (16).
Acolo este amestecat cu aer preîncălzit (24), forțat de ventilatorul (20).
Amestecul fierbinte aer-combustibil este forțat, la presiune mare, în cazan, unde se aprinde rapid.
Apa curge vertical pe pereții tubulari ai cazanului, unde se transformă în abur și intră în tamburul cazanului (17), în care aburul este separat de apa rămasă.
Aburul trece printr-un distribuitor din capul tamburului în încălzitorul suspendat (19), unde presiunea și temperatura acestuia cresc rapid la 200 bar și 570°C, suficient pentru a face ca pereții tubului să strălucească o culoare roșie plictisitoare.
Aburul intră apoi în turbina de înaltă presiune (11), prima dintre cele trei din procesul de generare a energiei electrice.
Supapa de control al alimentării cu abur (10) asigură atât controlul manual al turbinei, cât și controlul automat conform parametrilor specificați.
Aburul este eliberat din turbina de înaltă presiune atât cu o scădere a presiunii, cât și a temperaturii, după care este reîntors la supraîncălzitorul intermediar (21) al cazanului pentru încălzire.
Centralele termice sunt principalul tip de centrale electrice din Rusia; ponderea energiei electrice pe care o generează este de 67% din 2000.
În țările industrializate, această cifră ajunge la 80%.
Energia termică la termocentrale este utilizată pentru încălzirea apei și producerea de abur - în centralele cu turbine cu abur sau pentru a produce gaze fierbinți - în centralele cu turbine cu gaz.
Pentru a produce căldură, combustibilul organic este ars în cazanele centralelor termice.
Combustibilul folosit este cărbune, turbă, gaz natural, păcură și șisturi petroliere.
1. Centrale termice cu turbină
1.1. Centrale electrice în condensare (CPS, numită istoric GRES - centrală electrică raională de stat)
1.2 Centrale combinate de energie termică și electrică (centrale electrice de cogenerare, centrale termice și electrice combinate)
2. Centrale electrice cu turbine cu gaz
3. Centrale electrice bazate pe centrale pe gaz cu ciclu combinat
4. Centrale electrice bazate pe motoare cu piston
5. Ciclu combinat
În 1879, când Thomas Alva Edison a inventat lampa incandescentă, a început epoca electrificării. Producerea unor cantități mari de energie electrică necesita combustibil ieftin și ușor disponibil. Cărbunele a îndeplinit aceste cerințe, iar primele centrale electrice (construite la sfârșitul secolului al XIX-lea chiar de Edison) funcționau pe cărbune.
Pe măsură ce țara construia din ce în ce mai multe centrale electrice, dependența sa de cărbune a crescut. De la Primul Război Mondial, aproximativ jumătate din producția anuală de energie electrică din Statele Unite provine din centrale termice pe cărbune. În 1986, capacitatea totală instalată a unor astfel de centrale electrice era de 289.000 MW, iar acestea consumau 75% din cantitatea totală (900 milioane tone) de cărbune produsă în țară. Având în vedere incertitudinile existente cu privire la perspectivele de dezvoltare a energiei nucleare și de creștere a producției de petrol și gaze naturale, se poate presupune că până la sfârșitul secolului, centralele termice pe cărbune vor produce până la 70% din toată energia electrică produsă. în țară.
Cu toate acestea, în ciuda faptului că cărbunele a fost și va fi pentru mulți ani de acum înainte principala sursă de energie electrică (în Statele Unite reprezintă aproximativ 80% din rezervele tuturor tipurilor de combustibili naturali), acesta nu a fost niciodată combustibil optim pentru centralele electrice. Conținutul de energie specifică pe unitatea de greutate (adică puterea calorică) al cărbunelui este mai mic decât cel al petrolului sau al gazelor naturale. Este mai dificil de transportat și, în plus, arderea cărbunelui provoacă o serie de consecințe nedorite asupra mediului, în special ploile acide. De la sfârșitul anilor 60, atractivitatea centralelor termice pe cărbune a scăzut brusc din cauza cerințelor mai stricte pentru poluarea mediului cu emisii gazoase și solide sub formă de cenușă și zgură. Costurile rezolvării acestor probleme de mediu, împreună cu costul tot mai mare al construcției de instalații complexe precum centralele termice, au făcut ca perspectivele de dezvoltare ale acestora să fie mai puțin favorabile din punct de vedere pur economic.
Cu toate acestea, dacă baza tehnologică a centralelor termice pe cărbune este schimbată, atractivitatea anterioară a acestora poate fi reînviată. Unele dintre aceste modificări sunt de natură evolutivă și vizează în primul rând creșterea capacității instalațiilor existente. În același timp, sunt dezvoltate procese complet noi pentru arderea cărbunelui fără deșeuri, adică cu daune minime aduse mediului. Introducerea de noi procese tehnologice are ca scop asigurarea faptului că viitoarele centrale termice pe cărbune pot fi controlate eficient pentru gradul de poluare a mediului, au flexibilitate în ceea ce privește capacitatea de a utiliza diferite tipuri de cărbune și nu necesită timpi lungi de construcție.
Pentru a aprecia importanța progreselor în tehnologia de ardere a cărbunelui, să luăm în considerare pe scurt funcționarea unei centrale termice convenționale pe cărbune. Cărbunele este ars în cuptorul unui cazan cu abur, care este o cameră imensă cu țevi în interior în care apa este transformată în abur. Înainte de a fi introdus în cuptor, cărbunele este zdrobit în praf, datorită căruia se obține aproape aceeași completitate a arderii ca și la arderea gazelor combustibile. Un cazan mare de abur consumă în medie 500 de tone de cărbune pulverizat în fiecare oră și generează 2,9 milioane kg de abur, ceea ce este suficient pentru a produce 1 milion kWh de energie electrică. În același timp, centrala emite aproximativ 100.000 m3 de gaze în atmosferă.
Aburul generat trece printr-un supraîncălzitor, unde temperatura și presiunea acestuia cresc, apoi intră în turbina de înaltă presiune. Energia mecanică de rotație a turbinei este convertită de un generator electric în energie electrică. Pentru a obține o eficiență mai mare de conversie a energiei, aburul de la turbină este de obicei returnat la cazan pentru supraîncălzire secundară și apoi antrenează una sau două turbine de joasă presiune înainte de a fi condensat prin răcire; condensul este returnat în ciclul cazanului.
Echipamentele unei centrale termice includ mecanisme de alimentare cu combustibil, cazane, turbine, generatoare, precum și sisteme complexe de răcire, purificare a gazelor arse și îndepărtarea cenușii. Toate aceste sisteme primare și auxiliare sunt proiectate să funcționeze cu fiabilitate ridicată timp de 40 de ani sau mai mult la sarcini care variază de la 20% din capacitatea instalată a instalației până la maxim. Costurile echipamentelor de capital pentru o centrală termică tipică de 1000 MW depășesc de obicei 1 miliard USD.
Eficiența cu care căldura degajată prin arderea cărbunelui poate fi transformată în energie electrică era de numai 5% înainte de 1900, dar până în 1967 ajunsese la 40%. Cu alte cuvinte, pe o perioadă de aproximativ 70 de ani, consumul specific de cărbune pe unitatea de energie electrică produsă a scăzut de opt ori. În consecință, a existat o scădere a costului de 1 kW de capacitate instalată a centralelor termice: dacă în 1920 era de 350 de dolari (la prețurile din 1967), atunci în 1967 a scăzut la 130 de dolari. Și prețul energiei electrice furnizate a scăzut peste același perioada de la 25 de cenți la 2 cenți pe 1 kWh.
Cu toate acestea, începând cu anii 60, ritmul progresului a început să scadă. Această tendință pare să se explice prin faptul că centralele termice tradiționale au atins limita perfecțiunii lor, determinată de legile termodinamicii și de proprietățile materialelor din care sunt fabricate cazanele și turbinele. De la începutul anilor '70, acești factori tehnici au fost agravați de noi motive economice și organizatorice. În special, costurile de capital au crescut brusc, ritmul de creștere a cererii de energie electrică a încetinit, cerințele pentru protejarea mediului de emisiile nocive au devenit mai stricte, iar perioada de implementare a proiectelor de construcție a centralelor electrice s-a prelungit. Drept urmare, costul de producere a energiei electrice din cărbune, care a avut o tendință descendentă de mulți ani, a crescut brusc. Într-adevăr, 1 kW de energie electrică produsă de noi centrale termice costă acum mai mult decât în 1920 (la prețuri comparabile).
În ultimii 20 de ani, costul centralelor termice pe cărbune a fost cel mai influențat de cerințe mai stricte pentru eliminarea gazelor,
deseuri lichide si solide. Sistemele de curățare a gazelor și de îndepărtare a cenușii din centralele termice moderne reprezintă acum 40% din costurile de capital și 35% din costurile de exploatare. Din punct de vedere tehnic și economic, cel mai semnificativ element al unui sistem de control al emisiilor este unitatea de desulfurare a gazelor arse, numită adesea sistem umed (scrubber). Un colector de praf umed (scrubber) captează oxizii de sulf, care sunt principalii poluanți formați în timpul arderii cărbunelui.
Ideea de colectare umedă a prafului este simplă, dar în practică se dovedește a fi dificilă și costisitoare. O substanță alcalină, de obicei var sau calcar, este amestecată cu apă și soluția este pulverizată în fluxul de gaze arse. Oxizii de sulf conținuți în gazele de ardere sunt absorbiți de particulele alcaline și cad din soluție sub formă de sulfit inert sau sulfat de calciu (gips). Tencuiala poate fi îndepărtată cu ușurință sau, dacă este suficient de curată, poate fi vândută ca material de construcții. În sistemele de spălare mai complexe și mai scumpe, reziduurile de gips pot fi transformate în acid sulfuric sau sulf elementar, produse chimice mai valoroase. Din 1978, instalarea epuratoarelor este obligatorie la toate centralele termice aflate in constructie care folosesc combustibil carbune pulverizat. Drept urmare, industria energetică din SUA are acum mai multe instalații de epurare decât restul lumii.
Costul unui sistem de curățare la stațiile noi este de obicei de 150-200 USD per 1 kW de capacitate instalată. Instalarea scruberelor la stațiile existente, proiectate inițial fără spălare umedă cu gaz, costă cu 10-40% mai mult decât la stațiile noi. Costurile de operare ale scruberelor sunt destul de mari, indiferent dacă sunt instalate în instalații vechi sau noi. Scruberele produc cantități uriașe de nămol de gips care trebuie reținut în iazurile de decantare sau aruncat în haldele, creând o nouă problemă de mediu. De exemplu, o centrală termică cu o capacitate de 1000 MW, care funcționează pe cărbune care conține 3% sulf, produce atât de mult nămol pe an încât poate acoperi o suprafață de 1 km2 cu un strat de aproximativ 1 m grosime.
În plus, sistemele de curățare cu gaze umede consumă multă apă (la o centrală de 1000 MW, debitul de apă este de aproximativ 3800 l/min), iar echipamentele și conductele lor sunt adesea supuse înfundarii și coroziunii. Acești factori cresc costurile de operare și reduc fiabilitatea generală a sistemului. În cele din urmă, în sistemele de epurare, de la 3 la 8% din energia generată de stație este cheltuită pentru acționarea pompelor și a aspiratoarelor de fum și pentru încălzirea gazelor de ardere după curățarea gazelor, ceea ce este necesar pentru a preveni condensul și coroziunea în coșuri.
Adoptarea pe scară largă a scruberelor în industria energetică americană nu a fost nici ușoară, nici ieftină. Primele instalații de epurare au fost semnificativ mai puțin fiabile decât alte echipamente ale fabricii, astfel încât componentele sistemelor de epurare au fost proiectate cu o marjă mare de siguranță și fiabilitate. Unele dintre dificultățile asociate cu instalarea și funcționarea scruberelor pot fi atribuite faptului că aplicarea industrială a tehnologiei de spălare a fost începută prematur. Abia acum, după 25 de ani de experiență, fiabilitatea sistemelor de epurare a atins un nivel acceptabil.
Costul centralelor termice pe cărbune a crescut nu numai pentru că sunt necesare sisteme de control al emisiilor, ci și pentru că costurile de construcție în sine au crescut vertiginos. Chiar și ținând cont de inflație, costul unitar al capacității instalate a centralelor termice pe cărbune este acum de trei ori mai mare decât în 1970. În ultimii 15 ani, „economiile de scară”, adică beneficiile construirii de centrale electrice mari, au fost anulate de creșteri semnificative ale costurilor de construcție. O parte din această creștere reflectă costul ridicat al finanțării proiectelor de capital pe termen lung.
Impactul întârzierilor proiectelor poate fi observat la companiile energetice japoneze. Firmele japoneze sunt de obicei mai eficiente decât omologii lor americani în rezolvarea problemelor organizatorice, tehnice și financiare care întârzie adesea punerea în funcțiune a proiectelor mari de construcții. În Japonia, o centrală electrică poate fi construită și operațională în 30-40 de luni, în timp ce în SUA o centrală de aceeași capacitate necesită de obicei 50-60 de luni. Cu un timp atât de lung de implementare a proiectelor, costul unei noi centrale în construcție (și, prin urmare, costul capitalului înghețat) se dovedește a fi comparabil cu capitalul fix al multor companii energetice din SUA.
Prin urmare, companiile energetice caută modalități de a reduce costul construirii de noi centrale electrice, în special prin utilizarea de centrale modulare. putere mai mică, care poate fi transportat și instalat rapid într-o stație existentă pentru a satisface cererea în creștere. Astfel de instalații pot fi puse în funcțiune în mai puțin timp timp scurtși, prin urmare, se plătesc mai repede, chiar dacă rentabilitatea investiției rămâne constantă. Instalarea de module noi numai atunci când este necesară creșterea capacității sistemului poate duce la economii nete de până la 200 USD per kW, deși economiile de scară se pierd atunci când se utilizează instalații cu putere redusă.
Ca o alternativă la construirea de noi instalații de generare a energiei, companiile de energie au fost, de asemenea, recondiționarea centralelor electrice existente pentru a le îmbunătăți performanța și a prelungi durata de viață a acestora. Această strategie necesită în mod natural costuri de capital mai mici decât construirea de noi stații. Această tendință este justificată și pentru că centralele electrice construite cu aproximativ 30 de ani în urmă nu sunt încă învechite din punct de vedere moral. În unele cazuri, funcționează chiar cu o eficiență mai mare, deoarece nu sunt echipate cu scrubere. Vechile centrale electrice devin din ce în ce mai importante în sectorul energetic al țării. În 1970, doar 20 de instalații de generare a energiei din Statele Unite aveau mai mult de 30 de ani. Până la sfârșitul secolului, 30 de ani va fi vârsta medie a centralelor termice pe cărbune.
Companiile energetice caută, de asemenea, modalități de a reduce costurile de exploatare a centralei. Pentru a preveni pierderile de energie, este necesar să se avertizeze în timp util cu privire la deteriorarea performanței celor mai critice zone ale instalației. Prin urmare, monitorizarea continuă a stării componentelor și sistemelor devine o parte importantă a serviciului operațional. O astfel de monitorizare continuă a proceselor naturale de uzură, coroziune și eroziune permite operatorilor de instalații să ia măsuri în timp util și să prevină defecțiunile de urgență a centralelor electrice. Semnificația unor astfel de măsuri poate fi apreciată în mod corespunzător atunci când se consideră, de exemplu, că întreruperea forțată a unei centrale pe cărbune de 1000 MW poate provoca o pierdere de 1 milion USD pe zi pentru compania electrică, în principal pentru că energia negenerată trebuie să fie compensate prin furnizarea de energie electrică din surse mai scumpe.
Creșterea costurilor unitare pentru transportul și prelucrarea cărbunelui și pentru îndepărtarea zgurii a făcut din calitatea cărbunelui (determinată de conținutul de umiditate, sulf și alte minerale) un factor important, care determină caracteristicile de performanță și economicitatea centralelor termice. Deși cărbunele de calitate scăzută poate costa mai puțin decât cărbunele de calitate superioară, costă mult mai mult pentru a produce aceeași cantitate de energie electrică. Costurile transportului de cantități mai mari de cărbune de calitate scăzută pot compensa beneficiile prețului său mai mic. În plus, cărbunele de calitate scăzută produce de obicei mai multe deșeuri decât cărbunele de calitate superioară și, prin urmare, sunt necesare costuri mai mari pentru îndepărtarea zgurii. În cele din urmă, compoziția cărbunilor de calitate scăzută este supusă unor fluctuații mari, ceea ce face dificilă „reglarea”. sistem de alimentare stații să funcționeze cu cea mai mare eficiență posibilă; în acest caz, sistemul trebuie reglat astfel încât să poată funcționa pe cărbune de cea mai proastă calitate așteptată.
În centralele electrice în funcțiune, calitatea cărbunelui poate fi îmbunătățită sau cel puțin stabilizată prin îndepărtarea unor impurități, precum mineralele care conțin sulf, înainte de ardere. În stațiile de epurare, cărbunele „murdar” zdrobit este separat de impurități prin multe metode care exploatează diferențele de greutate specifică sau alte caracteristici fizice ale cărbunelui și impurităților.
În ciuda acestor eforturi de îmbunătățire a performanței centralelor termice pe cărbune existente, Statele Unite vor trebui să adauge o capacitate suplimentară de generare a energiei electrice de 150.000 MW până la sfârșitul secolului, dacă cererea de energie electrică crește la ritmul așteptat de 2,3% pe an. . Pentru a menține cărbunele competitiv pe o piață a energiei în continuă expansiune, utilitățile vor trebui să adopte metode noi, avansate de ardere a cărbunelui, care sunt mai eficiente decât metodele tradiționale de ardere a cărbunelui în trei moduri cheie: mai puțină poluare, timpi mai scurti de construcție a centralei și performanță îmbunătățită a centralei și performanta..
 |
 |
| ARDEREA CĂRBUNELOR ÎN PATUL FLUIDIFICAT reduce nevoia de instalații auxiliare pentru a curăța emisiile centralelor electrice. Un strat fluidizat dintr-un amestec de cărbune și calcar este creat în cuptorul cazanului printr-un flux de aer în care particulele solide sunt amestecate și suspendate, adică se comportă în același mod ca într-un lichid care fierbe. Amestecarea turbulentă asigură arderea completă a cărbunelui; în acest caz, particulele de calcar reacţionează cu oxizii de sulf şi captează aproximativ 90% din aceşti oxizi. Deoarece serpentinele de încălzire ale cazanului ating direct patul fluidizat de combustibil, generarea de abur are loc cu o eficiență mai mare decât în cazanele de abur convenționale care funcționează pe cărbune măcinat. În plus, temperatura cărbunelui de ardere într-un pat fluidizat este mai scăzută, ceea ce previne topirea zgurii cazanului și reduce formarea oxizilor de azot. |
Gazificarea cărbunelui poate fi realizată prin încălzirea unui amestec de cărbune și apă într-o atmosferă de oxigen. Produsul procesului este un gaz format în principal din monoxid de carbon și hidrogen. Odată ce gazul a fost răcit, curățat de particule și desulfurat, acesta poate fi folosit ca combustibil pentru turbinele cu gaz și apoi pentru a produce abur pentru o turbină cu abur (ciclu combinat). O centrală cu ciclu combinat emite mai puțini poluanți în atmosferă decât o centrală termică convențională pe cărbune. |
În prezent, sunt dezvoltate mai mult de o duzină de metode de ardere a cărbunelui cu eficiență sporită și mai puține daune mediului. Cele mai promițătoare dintre ele sunt arderea în pat fluidizat și gazeificarea cărbunelui. Arderea conform primei metode se realizează în cuptorul unui cazan cu abur, care este proiectat astfel încât cărbunele zdrobit amestecat cu particule de calcar să fie menținut deasupra grătarului cuptorului într-o stare suspendată („pseudo-lichefiat”) printr-un aer puternic ascendent. curgere. Particulele în suspensie se comportă în esență în același mod ca într-un lichid în fierbere, adică sunt în mișcare turbulentă, ceea ce asigură o eficiență ridicată a procesului de ardere. Conductele de apă ale unui astfel de cazan sunt în contact direct cu „patul fluidizat” de ardere a combustibilului, drept urmare o mare parte a căldurii este transferată prin conducție, ceea ce este mult mai eficient decât transferul de căldură radiativ și convectiv într-un cazan de abur convențional.
Un cazan cu focar, în care cărbunele este ars într-un pat fluidizat, are o suprafață mai mare a suprafețelor de transfer de căldură ale conductelor decât un cazan convențional care funcționează pe cărbune pulverizat, ceea ce permite scăderea temperaturii din focar și, prin urmare, reduce formarea oxizilor de azot. (În timp ce temperatura într-un cazan convențional poate fi peste 1650 °C, într-un cazan cu combustie cu pat fluidizat este în intervalul 780-870 °C.) În plus, calcarul amestecat cu cărbunele leagă 90% sau mai mult din sulful eliberat. din cărbune în timpul arderii, deoarece temperatura de funcționare mai scăzută favorizează reacția dintre sulf și calcar pentru a forma sulfit sau sulfat de calciu. În acest fel, substanțele nocive pentru mediu formate la arderea cărbunelui sunt neutralizate în punctul de formare, adică în cuptor.
În plus, un cazan cu ardere în pat fluidizat, prin proiectare și principiul său de funcționare, este mai puțin sensibil la fluctuațiile calității cărbunelui. Cuptorul unui cazan convențional pe cărbune pulverizat produce o cantitate imensă de zgură topită, care adesea înfundă suprafețele de transfer de căldură și, prin urmare, reduce eficiența și fiabilitatea cazanului. Într-un cazan cu ardere în pat fluidizat, cărbunele arde la o temperatură sub punctul de topire al zgurii și, prin urmare, problema înfundarii suprafețelor de încălzire cu zgură nici măcar nu se pune. Astfel de cazane pot funcționa pe cărbune de calitate inferioară, ceea ce în unele cazuri poate reduce semnificativ costurile de exploatare.
Metoda de ardere în pat fluidizat este ușor de implementat în cazanele modulare cu un randament scăzut de abur. Potrivit unor estimări, investiția pentru o centrală termică cu cazane compacte care funcționează pe principiul pat fluidizat poate fi cu 10-20% mai mică decât investiția pentru o centrală termică tradițională de aceeași capacitate. Economiile sunt realizate prin reducerea timpului de construcție. În plus, puterea unei astfel de stații poate fi crescută cu ușurință atunci când sarcina electrică crește, ceea ce este important pentru acele cazuri în care creșterea sa în viitor este necunoscută dinainte. Problema de planificare este, de asemenea, simplificată, deoarece astfel de instalații compacte pot fi instalate rapid de îndată ce apare necesitatea creșterii producției de energie.
Cazanele cu ardere în pat fluidizat pot fi, de asemenea, integrate în centralele electrice existente atunci când capacitatea de generare trebuie mărită rapid. De exemplu, compania energetică Northern States Power a transformat unul dintre cazanele pe cărbune pulverizat de la stație în bucăți. Minnesota într-un cazan cu pat fluidizat. Reabilitarea a fost realizată cu scopul de a crește capacitatea centralei cu 40%, de a reduce cerințele de calitate a combustibilului (cazanul poate funcționa chiar și cu deșeuri locale), de a curăța mai temeinic emisiile și de a prelungi durata de viață a stației până la 40 de ani.
În ultimii 15 ani, tehnologia utilizată în centralele termice echipate exclusiv cu cazane cu combustie în pat fluidizat s-a extins de la mici centrale pilot și pilot la mari centrale „demonstrative”. Această centrală, cu o capacitate totală de 160 MW, este construită în comun de către Tennessee Valley Authority, Duke Power și Commonwealth of Kentucky; Colorado-Ute Electric Association, Inc. a pus în funcțiune o centrală de 110 MW cu cazane cu ardere în pat fluidizat. Dacă aceste două proiecte, precum și Puterea Statelor din Nord, vor avea succes, joint venture sectorul privat cu un capital total de aproximativ 400 milioane USD, riscul economic asociat cu utilizarea cazanelor cu pat fluidizat în industria energetică va fi redus semnificativ.
Într-un alt mod, care, însă, exista deja în mai multe în formă simplă pe la mijlocul secolului al XIX-lea, a avut loc gazeificarea cărbunelui cu producerea de gaz „cu ardere curată”. Un astfel de gaz este potrivit pentru iluminat și încălzire și a fost utilizat pe scară largă în Statele Unite înainte de al Doilea Război Mondial, până când a fost înlocuit cu gaz natural.
Inițial, gazeificarea cărbunelui a atras atenția companiilor energetice, care sperau să folosească această metodă pentru a crea un combustibil care arde fără deșeuri și astfel să scape de spălare. Acum a devenit evident că gazificarea cărbunelui are un avantaj mai important: produsele de ardere fierbinți ai gazului generatorului pot fi utilizate direct pentru a antrena turbinele cu gaz. La rândul său, căldura reziduală a produselor de ardere după o turbină cu gaz poate fi utilizată pentru a produce abur pentru a antrena o turbină cu abur. Această combinație de turbine cu gaz și abur, numită ciclu combinat, este acum una dintre cele mai eficiente moduri de a produce energie electrică.
Gazul obținut prin gazeificarea cărbunelui și eliberat de sulf și particule este un combustibil excelent pentru turbinele cu gaz și, ca și gazul natural, arde aproape fără deșeuri. Eficiența ridicată a ciclului combinat compensează pierderile inevitabile asociate cu conversia cărbunelui în gaz. Mai mult, o centrală cu ciclu combinat consumă mult mai puțină apă, deoarece două treimi din putere este generată de o turbină cu gaz, care nu necesită apă, spre deosebire de o turbină cu abur.
Viabilitatea centralelor electrice cu ciclu combinat care funcționează pe principiul gazificării cărbunelui a fost dovedită de experiența exploatării stației „Cool Water” Edison din California de Sud. Această centrală, cu o capacitate de aproximativ 100 MW, a fost dată în funcțiune în mai 1984. Poate funcționa pe diferite tipuri de cărbune. Emisiile stației nu diferă ca puritate de cele ale unei stații de benzină învecinate. Conținutul de oxid de sulf al gazelor de eșapament este menținut cu mult sub nivelul necesar printr-un sistem auxiliar de recuperare a sulfului, care elimină aproape tot sulful conținut în combustibilul de alimentare și produce sulf curat în scopuri industriale. Formarea oxizilor de azot este prevenită prin adăugarea de apă în gaz înainte de ardere, ceea ce reduce temperatura de ardere a gazului. Mai mult, cărbunele rămas nears în gazeificator este topit într-un material sticlos inert care, atunci când este răcit, îndeplinește reglementările din California privind deșeurile solide.
Pe lângă o eficiență mai mare și o poluare mai mică a mediului, centralele cu ciclu combinat au un alt avantaj: pot fi construite în mai multe etape, astfel încât capacitatea instalată să fie mărită în blocuri. Această flexibilitate în construcții reduce riscul de supra- sau subinvestiții asociat cu creșterea incertă a cererii de energie electrică. De exemplu, prima etapă a capacității instalate poate funcționa pe turbine cu gaz și poate utiliza petrol sau gaze naturale mai degrabă decât cărbunele ca combustibil, dacă prețurile curente pentru aceste produse sunt scăzute. Apoi, pe măsură ce cererea de energie electrică crește, sunt puse în funcțiune suplimentar un cazan de căldură reziduală și o turbină cu abur, ceea ce va crește nu numai puterea, ci și eficiența stației. Ulterior, când cererea de energie electrică va crește din nou, se va putea construi o centrală de gazeificare a cărbunelui la stație.
Rolul centralelor termice pe cărbune este un subiect cheie când despre care vorbim despre conservarea resurselor naturale, protecția mediului și modalități de dezvoltare economică. Aceste aspecte ale problemei în cauză nu sunt neapărat conflictuale. Experiența utilizării noilor procese tehnologice pentru arderea cărbunelui arată că acestea pot rezolva cu succes și simultan problemele de protecție a mediului și de reducere a costului energiei electrice. Acest principiu a fost luat în considerare într-un raport comun SUA-Canadian privind ploile acide publicat anul trecut. Pe baza propunerilor raportului, Congresul SUA ia în considerare în prezent stabilirea unei inițiative naționale majore pentru a demonstra și implementa procese curate de ardere a cărbunelui. Inițiativa, care va combina capitalul privat cu investițiile federale, își propune să aducă noi procese de ardere a cărbunelui, inclusiv cazane cu pat fluidizat și gazeificatoare, la o utilizare industrială pe scară largă în anii 1990. Cu toate acestea, chiar și cu utilizarea pe scară largă a noilor procese de ardere a cărbunelui în viitorul apropiat, cererea în creștere de energie electrică nu poate fi satisfăcută fără un întreg set de măsuri coordonate pentru conservarea energiei electrice, reglarea consumului acesteia și creșterea productivității centralelor termice existente care funcționează pe principii tradiționale. În permanență pe ordinea de zi sunt economice și probleme ecologice va duce probabil la dezvoltări tehnologice complet noi, care sunt fundamental diferite de cele descrise aici. În viitor, centralele termice pe cărbune se pot transforma în întreprinderi integrate de prelucrare a resurselor naturale. Astfel de întreprinderi vor procesa combustibili locali și alte resurse naturale și vor produce energie electrică, căldură și diverse produse în funcție de nevoile economiei locale. Pe lângă cazanele cu ardere în pat fluidizat și instalațiile de gazeificare a cărbunelui, astfel de întreprinderi vor fi echipate cu sisteme electronice de diagnosticare tehnică și sisteme de control automate și, în plus, vor beneficia de utilizarea majorității produselor secundare ale arderii cărbunelui.
Astfel, posibilitățile de îmbunătățire a factorilor economici și de mediu ai producției de energie electrică pe bază de cărbune sunt foarte largi. Exploatarea la timp a acestor oportunități depinde însă de dacă guvernul poate urma o politică echilibrată în ceea ce privește producția de energie și protecția mediului care să creeze stimulentele necesare pentru industria electrică. Trebuie avut grijă să se asigure că noile procese de ardere a cărbunelui sunt dezvoltate și implementate rațional, în cooperare cu companiile energetice, și nu în același mod cum a fost cazul cu introducerea curățării gazelor de epurare. Toate acestea pot fi realizate prin reducerea la minimum a costurilor și a riscurilor prin proiectarea bine gândită, testarea și îmbunătățirea instalațiilor pilot la scară mică, urmate de comercializarea pe scară largă a sistemelor dezvoltate.
Electricitatea este produsă în centrale electrice prin utilizarea energiei ascunse în diverse resurse naturale. După cum se vede din tabel. 1.2 acest lucru se întâmplă în principal la centralele termice (TPP) și centralele nucleare (CNP) care funcționează conform ciclului termic.
Tipuri de centrale termice
În funcție de tipul de energie generată și degajată, centralele termice se împart în două tipuri principale: centrale în condensare (CHP), destinate numai producției de energie electrică, și centrale termice, sau centrale termice și combinate (CHP). Centralele electrice de condensare care funcționează pe combustibili fosili sunt construite în apropierea locurilor de producție, iar centralele combinate de căldură și energie electrică sunt situate în apropierea consumatorilor de căldură - întreprinderi industriale și zone rezidențiale. Centralele de cogenerare funcționează și cu combustibili fosili, dar spre deosebire de CPP-urile produc atât energie electrică, cât și termică sub formă apa fierbinteși abur pentru producție și încălzire. Principalele tipuri de combustibil ale acestor centrale electrice includ: solid - cărbune, antracit, semiantracit, cărbune brun, turbă, șist; lichid - păcură și gazos - natural, cocs, furnal etc. gaz.
Tabelul 1.2. Producerea de energie electrică în lume
|
Index |
2010 (prognoză) |
||
|
Ponderea producției totale a centralelor electrice, % CNE Centrala termica pe gaz TPP pe păcură |
|||
|
Producția de energie electrică pe regiune, % Europa de Vest Europa de Est Asia și Australia America Orientul Mijlociu și Africa |
|||
|
Capacitatea instalată a centralelor electrice din lume (total), GW Inclusiv, % NPP Centrala termica pe gaz TPP pe păcură Centrale termice care folosesc cărbune și alte tipuri de combustibil Centrale hidroelectrice și centrale care utilizează alte tipuri de combustibili regenerabili |
|||
|
Generare de energie electrică (total), miliarde kWh |
Centralele nucleare, predominant de tip în condensare, folosesc energia combustibilului nuclear.
În funcție de tipul de centrală termică pentru antrenarea unui generator electric, centralele electrice sunt împărțite în turbină cu abur (STU), turbină cu gaz (GTU), ciclu combinat (CCG) și centrale cu motoare cu ardere internă (ICE).
În funcție de durata muncii TPP pe tot parcursul anului Pe baza acoperirii programelor de sarcină energetică, caracterizate prin numărul de ore de utilizare a capacității instalate τ la stație, centralele se clasifică de obicei în: de bază (τ la stație > 6000 h/an); semi-vârf (τ la stație = 2000 – 5000 h/an); vârf (τ la st< 2000 ч/год).
Centralele de bază sunt cele care transportă sarcina constantă maximă posibilă pentru cea mai mare parte a anului. În industria energetică globală, centralele nucleare, centralele termice extrem de economice și centralele termice sunt utilizate ca centrale de bază atunci când funcționează conform unui program termic. Sarcinile de vârf sunt acoperite de centrale hidroelectrice, centrale cu acumulare prin pompare, centrale cu turbine cu gaz, care au manevrabilitate și mobilitate, adică. pornire și oprire rapidă. Centralele de vârf sunt pornite în timpul orelor în care este necesar să se acopere partea de vârf a programului zilnic de sarcină electrică. Centralele cu jumătate de vârf, atunci când sarcina electrică totală scade, fie sunt transferate la putere redusă, fie sunt puse în rezervă.
După structura tehnologică, centralele termice sunt împărțite în bloc și non-bloc. Cu o schemă bloc, echipamentele principale și auxiliare ale unei centrale cu turbine cu abur nu au conexiuni tehnologice cu echipamentele unei alte instalații a centralei electrice. Pentru centralele pe combustibili fosili, fiecare turbină este furnizată cu abur de la una sau două cazane conectate la aceasta. Cu o schemă TPP non-bloc, aburul de la toate cazanele intră într-o magistrală comună și de acolo este distribuit către turbinele individuale.
La centralele electrice în condensare care fac parte din sisteme mari de energie se folosesc numai sisteme bloc cu supraîncălzire intermediară a aburului. Circuitele non-bloc cu cuplare încrucișată între abur și apă sunt utilizate fără supraîncălzire intermediară.
Principiul de funcționare și principalele caracteristici energetice ale centralelor termice
Electricitatea la centralele electrice este produsă prin utilizarea energiei ascunse în diverse resurse naturale (cărbune, gaz, petrol, păcură, uraniu etc.), după un principiu destul de simplu, implementând tehnologia de conversie a energiei. Diagrama generală a unei centrale termice (vezi Fig. 1.1) reflectă succesiunea unei astfel de conversii a unui tip de energie în altul și utilizarea fluidului de lucru (apă, abur) în ciclul unei centrale termice. Combustibilul (în acest caz cărbunele) arde în cazan, încălzește apa și o transformă în abur. Aburul este furnizat turbinelor, care transformă energia termică a aburului în energie mecanică și antrenează generatoarele care produc energie electrică (vezi secțiunea 4.1).
O centrală termică modernă este o întreprindere complexă, inclusiv un numar mare de diverse echipamente. Compoziția echipamentelor centralei depinde de circuitul termic selectat, de tipul de combustibil utilizat și de tipul sistemului de alimentare cu apă.
Echipamentele principale ale centralei electrice includ: centrale termice și turbine cu un generator electric și un condensator. Aceste unități sunt standardizate în ceea ce privește puterea, parametrii aburului, productivitatea, tensiunea și curentul etc. Tipul și cantitatea echipamentului principal al unei centrale termice corespund puterii specificate și modului de funcționare prevăzut. Există, de asemenea, echipamente auxiliare folosite pentru a furniza căldură consumatorilor și pentru a utiliza aburul turbinei pentru a încălzi apa de alimentare a cazanului și pentru a satisface nevoile proprii ale centralei electrice. Acestea includ echipamente pentru sistemele de alimentare cu combustibil, o unitate de dezaerare-alimentare, o unitate de condensare, o unitate de încălzire (pentru centrale termice), sisteme tehnice de alimentare cu apă, sisteme de alimentare cu ulei, încălzire regenerativă a apei de alimentare, tratare chimică a apei, distribuție și transport. de electricitate (a se vedea secțiunea 4).
Toate instalațiile cu turbine cu abur utilizează încălzirea regenerativă a apei de alimentare, ceea ce crește semnificativ eficiența termică și generală a centralei electrice, deoarece în circuitele cu încălzire regenerativă, fluxurile de abur îndepărtate din turbină către încălzitoarele regenerative efectuează lucrări fără pierderi în sursa rece. (condensator). În același timp, pentru aceeași putere electrică a turbogeneratorului, debitul de abur în condensator scade și, ca urmare, eficiența instalațiile sunt în creștere.
Tipul cazanului de abur utilizat (vezi secțiunea 2) depinde de tipul de combustibil utilizat în centrala electrică. Pentru cei mai obișnuiți combustibili (cărbune fosil, gaz, păcură, turbă de măcinat), se folosesc cazane cu aspect în formă de U, T și turn și o cameră de ardere proiectată în raport cu un anumit tip de combustibil. Pentru combustibilii cu cenușă cu punct de topire scăzut se folosesc cazane cu îndepărtarea cenușii lichide. În același timp, se obține o colectare mare (până la 90%) de cenușă în focar și se reduce uzura abrazivă a suprafețelor de încălzire. Din aceleași motive, cazanele de abur cu un aranjament cu patru treceri sunt utilizate pentru combustibili cu conținut ridicat de cenuşă, cum ar fi deșeurile de șist și de la prepararea cărbunelui. Centralele termice folosesc de obicei cazane cu tambur sau cu flux direct.
Turbinele și generatoarele electrice sunt potrivite pe o scară de putere. Fiecare turbină are un anumit tip de generator. Pentru centralele termocondensante în bloc, puterea turbinelor corespunde puterii blocurilor, iar numărul de blocuri este determinat de puterea dată a centralei. Unitățile moderne folosesc turbine de condensare de 150, 200, 300, 500, 800 și 1200 MW cu reîncălzire cu abur.
Centralele termice folosesc turbine (vezi subsecțiunea 4.2) cu contrapresiune (tip P), cu condensare și extracție industrială a aburului (tip P), cu condensare și una sau două extracții de încălzire (tip T), precum și cu condensare, industriale și pereche de extractie incalzire (tip PT). Turbinele PT pot avea, de asemenea, una sau două prize de încălzire. Alegerea tipului de turbină depinde de mărimea și raportul sarcinilor termice. Daca predomina sarcina de incalzire, atunci pe langa turbinele PT pot fi instalate turbine de tip T cu extractie de incalzire, iar daca predomina sarcina industriala pot fi instalate turbine de tip PR si R cu extractie industriala si contrapresiune.
În prezent, la termocentrale, cele mai frecvente sunt instalațiile cu o putere electrică de 100 și 50 MW, care funcționează la parametri inițiali de 12,7 MPa, 540–560°C. Pentru termocentralele din orașele mari au fost create instalații cu o capacitate electrică de 175–185 MW și 250 MW (cu o turbină T-250-240). Instalațiile cu turbine T-250-240 sunt modulare și funcționează la parametri inițiali supercritici (23,5 MPa, 540/540°C).
O caracteristică a funcționării centralelor electrice în rețea este că cantitatea totală de energie electrică generată de acestea în fiecare moment de timp trebuie să corespundă pe deplin cu energia consumată. Partea principală a centralelor electrice funcționează în paralel în sistemul energetic unificat, acoperind sarcina electrică totală a sistemului, iar centrala termică acoperă simultan sarcina termică a zonei sale. Există centrale electrice locale concepute pentru a deservi zona și nu sunt conectate la rețeaua electrică generală.
Se numește o reprezentare grafică a dependenței consumului de energie în timp graficul sarcinii electrice. Graficele zilnice ale sarcinii electrice (Fig. 1.5) variază în funcție de perioada anului, ziua săptămânii și sunt de obicei caracterizate printr-o sarcină minimă pe timp de noapte și o sarcină maximă în orele de vârf (partea de vârf a graficului). Alături de graficele zilnice, graficele anuale ale sarcinii electrice (Fig. 1.6), care sunt construite pe baza datelor din graficele zilnice, sunt de mare importanță.
Graficele de sarcină electrică sunt utilizate la planificarea sarcinilor electrice ale centralelor și sistemelor electrice, distribuirea sarcinilor între centrale și unități individuale, în calculele pentru selectarea compoziției echipamentelor de lucru și de rezervă, determinarea puterii instalate necesare și a rezervei necesare, numărul și unitatea. puterea unităților, la elaborarea planurilor de reparații a echipamentelor și la determinarea rezervei de reparații etc.
Când funcționează la sarcină maximă, echipamentul centralei își dezvoltă valoarea nominală sau cât mai mult posibil puterea (performanța), care este principala caracteristică a pașaportului unității. La această putere (performanță) maximă, unitatea trebuie să funcționeze mult timp la valorile nominale ale parametrilor principali. Una dintre principalele caracteristici ale unei centrale electrice este capacitatea sa instalată, care este definită ca suma capacităților nominale ale tuturor generatoarelor electrice și echipamentelor de încălzire, ținând cont de rezerva.
Funcționarea centralei se caracterizează și prin numărul de ore de utilizare capacitate instalata, care depinde de modul în care funcționează centrala electrică. Pentru centralele electrice cu sarcină de bază, numărul de ore de utilizare a capacității instalate este de 6000–7500 ore/an, iar pentru cele care funcționează în modul de acoperire a sarcinii de vârf – mai puțin de 2000–3000 ore/an.
Sarcina la care unitatea funcționează cu cea mai mare eficiență se numește sarcină economică. Sarcina nominală pe termen lung poate fi egală cu sarcina economică. Uneori este posibilă operarea echipamentelor pentru o perioadă scurtă de timp cu o sarcină cu 10–20% mai mare decât sarcina nominală la o eficiență mai mică. Dacă echipamentul central funcționează stabil cu sarcina de proiectare la valorile nominale ale parametrilor principali sau când se modifică în limite acceptabile, atunci acest mod se numește staționar.
Se numesc moduri de operare cu sarcini constante, dar diferite de cele de proiectare, sau cu sarcini instabile. nestaționară sau moduri variabile. În modurile variabile, unii parametri rămân neschimbați și au valori nominale, în timp ce alții se modifică în anumite limite acceptabile. Astfel, la sarcina parțială a unității, presiunea și temperatura aburului din fața turbinei pot rămâne nominale, în timp ce vidul din condensator și parametrii aburului din extracție se vor modifica proporțional cu sarcina. Sunt posibile și moduri non-staționare, când toți parametrii principali se modifică. Astfel de moduri apar, de exemplu, la pornirea și oprirea echipamentului, descărcarea și creșterea sarcinii unui turbogenerator, atunci când funcționează pe parametrii de alunecare și sunt numite non-staționare.
Sarcina termică a centralei este utilizată pentru procese tehnologice și instalații industriale, pentru încălzirea și ventilarea clădirilor industriale, rezidențiale și publice, aer condiționat și nevoi casnice. În scopuri de producție, este de obicei necesară o presiune a aburului de 0,15 până la 1,6 MPa. Cu toate acestea, pentru a reduce pierderile în timpul transportului și pentru a evita nevoia de scurgere continuă a apei din comunicații, aburul este eliberat din centrala electrică oarecum supraîncălzit. Centrala termică furnizează de obicei apă caldă cu o temperatură de 70 până la 180°C pentru încălzire, ventilație și nevoi casnice.
Sarcina termică, determinată de consumul de căldură pentru procesele de producție și nevoile menajere (alimentare cu apă caldă), depinde de temperatura aerului exterior. În condițiile Ucrainei vara, această sarcină (precum și electrică) este mai mică decât în timpul iernii. Sarcinile termice industriale și casnice se modifică în timpul zilei, în plus, sarcina termică medie zilnică a centralei electrice, cheltuită pentru nevoile casnice, se modifică în zilele lucrătoare și în weekend. Graficele tipice ale modificărilor încărcăturii zilnice de căldură a întreprinderilor industriale și alimentării cu apă caldă a unei zone rezidențiale sunt prezentate în figurile 1.7 și 1.8.
Eficiența de funcționare a centralelor termice este caracterizată de diverși indicatori tehnici și economici, dintre care unii evaluează perfecțiunea proceselor termice (eficiență, consum de căldură și combustibil), în timp ce alții caracterizează condițiile în care funcționează centrala termică. De exemplu, în Fig. 1.9 (a, b) arată bilanțele termice aproximative ale centralelor termice și CPP-urilor.
După cum se poate observa din cifre, generarea combinată de energie electrică și termică asigură o creștere semnificativă a eficienței termice a centralelor electrice datorită reducerii pierderilor de căldură în condensatoarele de turbină.
Cei mai importanți și completi indicatori ai funcționării centralelor termice sunt costul energiei electrice și căldurii.
Centralele termice au atât avantaje, cât și dezavantaje în comparație cu alte tipuri de centrale. Pot fi indicate următoarele avantaje ale TPP:
- distribuția teritorială relativ liberă asociată cu distribuția largă a resurselor de combustibil;
- capacitatea (spre deosebire de centralele hidroelectrice) de a genera energie fără fluctuații sezoniere de putere;
- aria de înstrăinare și retragere din circulația economică a terenurilor pentru construcția și exploatarea centralelor termice este, de regulă, mult mai mică decât cea necesară pentru centralele nucleare și hidrocentralele;
- Centralele termice sunt construite mult mai rapid decât centralele hidroelectrice sau centralele nucleare, iar costul lor specific pe unitatea de capacitate instalată este mai mic comparativ cu centralele nucleare.
- În același timp, centralele termice au dezavantaje majore:
- exploatarea centralelor termice necesită de obicei mult mai mult personal decât centralele hidroelectrice, ceea ce este asociat cu menținerea unui ciclu de combustibil la scară foarte mare;
- funcționarea centralelor termice depinde de aprovizionarea cu resurse de combustibil (cărbune, păcură, gaz, turbă, șisturi petroliere);
- modurile de funcționare variabile ale centralelor termice reduc eficiența, cresc consumul de combustibil și duc la creșterea uzurii echipamentelor;
- centralele termice existente se caracterizează prin randament relativ scăzut. (de cele mai multe ori până la 40%);
- Centralele termice au un impact direct și negativ asupra mediului și nu sunt surse de energie electrică ecologice.
- Cele mai mari pagube aduse mediului din regiunile înconjurătoare sunt cauzate de centralele electrice care funcționează pe cărbune, în special cărbune cu conținut ridicat de cenuşă. Dintre centralele termice, cele mai „curate” sunt cele care folosesc gaze naturale în procesul lor tehnologic.
Potrivit experților, centralele termice din întreaga lume emit anual aproximativ 200–250 de milioane de tone de cenușă, peste 60 de milioane de tone de dioxid de sulf, cantități mari de oxizi de azot și dioxid de carbon (care provoacă așa-numitul efect de seră și ducând la -termen schimbările climatice globale), în atmosferă.absorbând cantităţi mari de oxigen. În plus, acum s-a stabilit că excesul de fond de radiație în jurul centralelor termice care funcționează pe cărbune este, în medie, de 100 de ori mai mare în lume decât în apropierea centralelor nucleare de aceeași putere (cărbunele conține aproape întotdeauna uraniu, toriu și o izotop radioactiv al carbonului ca urme de impurități). Cu toate acestea, tehnologiile bine dezvoltate pentru construcția, echiparea și funcționarea centralelor termice, precum și costul mai mic al construcției acestora, duc la faptul că centralele termice reprezintă cea mai mare parte a producției de energie electrică a lumii. Din acest motiv, se acordă multă atenție îmbunătățirii tehnologiilor TPP și reducerii impactului lor negativ asupra mediului din întreaga lume (a se vedea secțiunea 6).
Principalul tip de centrale electrice din Rusia sunt centralele termice (CHP). Aceste instalații generează aproximativ 67% din energia electrică a Rusiei. Amplasarea lor este influențată de factorii de combustibil și de consum. Cele mai puternice centrale electrice sunt situate în locurile unde se produce combustibil. Centralele termice care utilizează combustibil transportabil, bogat în calorii sunt destinate consumatorilor.
Centralele termice utilizează resurse de combustibil disponibile pe scară largă, sunt amplasate relativ liber și sunt capabile să genereze electricitate fără fluctuații sezoniere. Construcția lor se realizează rapid și implică mai puține costuri de muncă și materiale. Dar TPP are dezavantaje semnificative. Acestea folosesc resurse neregenerabile, au o eficiență scăzută (30-35%) și au un impact extrem de negativ asupra mediului. Centralele termice din întreaga lume emit anual 200-250 de milioane de tone de cenușă și aproximativ 60 de milioane de tone de dioxid de sulf 6 în atmosferă și, de asemenea, absorb cantități uriașe de oxigen. S-a stabilit că cărbunele în microdoze conține aproape întotdeauna U 238, Th 232 și un izotop de carbon radioactiv. Majoritatea centralelor termice din Rusia nu sunt echipate sisteme eficiente curățarea gazelor de ardere de sulf și oxizi de azot. Deși instalațiile care funcționează cu gaze naturale sunt mult mai curate din punct de vedere ecologic decât centralele pe cărbune, șist și păcură, instalarea de conducte de gaz (mai ales în regiunile de nord) dăunează mediului.
Centrala termica este un complex de echipamente și dispozitive care convertesc energia combustibilului în energie electrică și (în general) termică.
Centralele termice se caracterizează printr-o mare diversitate și pot fi clasificate după diverse criterii.
1. După scopul și tipul de energie furnizată, centralele electrice se împart în regionale și industriale.
Centralele raionale sunt centrale electrice publice independente care deservesc toate tipurile de consumatori din regiune (intreprinderi industriale, transport, populatie etc.). Centralele raionale în condensare, care generează în principal energie electrică, își păstrează adesea denumirea istorică - GRES (centrale raionale de stat). Centralele raionale care produc energie electrică și termică (sub formă de abur sau apă caldă) se numesc centrale termice combinate (CHP). Centralele de cogenerare sunt instalații pentru producția combinată de energie electrică și căldură. Eficiența lor ajunge la 70% față de 30-35% pentru IES. Centralele de cogenerare sunt legate de consumatori, pentru că Raza de transfer de căldură (abur, apă caldă) este de 15-20 km. Puterea maximă a unei centrale CHP este mai mică decât cea a unei CPP.
De regulă, centralele raionale de stat și termocentralele raionale au o capacitate de peste 1 milion kW.
Centralele industriale sunt centrale care furnizează energie termică și electrică unor întreprinderi de producție specifice sau complexului acestora, de exemplu o fabrică de producție chimică. Centralele industriale fac parte din întreprinderile industriale pe care le deservesc. Capacitatea lor este determinată de nevoile întreprinderilor industriale pentru energie termică și electrică și, de regulă, este semnificativ mai mică decât cea a termocentralelor districtuale. Adesea centralele industriale funcționează pe rețeaua electrică generală, dar nu sunt subordonate dispecerului sistemului de alimentare. Mai jos sunt luate în considerare numai centralele electrice raionale.
2. În funcție de tipul de combustibil utilizat, centralele termice se împart în centrale care funcționează cu combustibil organic și combustibil nuclear.
Se numesc centrale termice care funcționează pe combustibili fosili centrale electrice în condensare (CPS). Combustibilul nuclear este utilizat în centralele nucleare (CNP). În acest sens, acest termen va fi folosit mai jos, deși centralele termice, centralele nucleare, centralele cu turbine cu gaz (GTPP) și centralele cu ciclu combinat (CGPP) sunt, de asemenea, centrale termice care funcționează pe principiul conversiei termice. energie în energie electrică.
Rolul principal în rândul instalațiilor termice este jucat de centralele electrice în condensare (CPS). Acestea gravitează atât spre sursele de combustibil, cât și spre consumatori și, prin urmare, sunt foarte răspândite. Cu cât este mai mare IES, cu atât mai departe poate transmite electricitate, de exemplu. Pe măsură ce puterea crește, influența combustibilului și a factorului energetic crește.
Combustibilii gazoși, lichizi și solizi sunt utilizați ca combustibil organic pentru centralele termice. Accentul pe bazele de combustibil are loc în prezența resurselor de combustibil ieftine și netransportabile (cărbunii bruni din bazinul Kansk-Achinsk) sau în cazul centralelor electrice care utilizează turbă, șist și păcură (astfel de CPP-uri sunt de obicei asociate cu centrele de rafinare a petrolului). ). Majoritatea termocentralelor din Rusia, în special în partea europeană, consumă gaz natural ca principal combustibil, iar păcură ca combustibil de rezervă, folosindu-l pe acesta din urmă, datorită costului ridicat, doar în cazuri extreme; Asemenea centrale termice se numesc centrale electrice pe gaze-pacură. În multe regiuni, în principal în partea asiatică a Rusiei, principalul combustibil este cărbunele termic - cărbune cu conținut scăzut de calorii sau deșeuri de cărbune cu conținut ridicat de calorii (cărbune antracit - AS). Deoarece înainte de ardere, astfel de cărbuni sunt măcinați în mori speciale până la o stare de praf, astfel de centrale termice sunt numite cărbune pulverizat.
3. Pe baza tipului de centrale termice utilizate la centralele termice pentru a transforma energia termică în energie mecanică de rotație a rotoarelor unităților de turbină, se disting turbina cu abur, turbina cu gaz și centralele cu ciclu combinat.
La baza centralelor electrice cu turbine cu abur se află unitățile de turbină cu abur (STU), care folosesc cea mai complexă, mai puternică și extrem de avansată mașină energetică - o turbină cu abur - pentru a transforma energia termică în energie mecanică. PTU este elementul principal al centralelor termice, al centralelor combinate de energie termică și electrică și al centralelor nucleare.
Centrale termice cu turbine cu gaz (GTPP) sunt echipate cu unități cu turbine cu gaz (GTU) care funcționează cu combustibil gazos sau, în cazuri extreme, lichid (diesel). Deoarece temperatura gazelor din spatele turbinei cu gaz este destul de ridicată, acestea pot fi folosite pentru a furniza energie termică consumatorilor externi. Astfel de centrale electrice se numesc GTU-CHP. În prezent, în Rusia există o centrală electrică cu turbină cu gaz (GRES-3 numit după Klasson, Elektrogorsk, regiunea Moscova) cu o capacitate de 600 MW și o centrală de cogenerare cu turbină cu gaz (în orașul Elektrostal, regiunea Moscova).
Centrale termice cu ciclu combinat sunt echipate cu unități de turbină cu gaz cu ciclu combinat (CCGT), care sunt o combinație de unități de turbină cu gaz și unități de turbină cu abur, care permite o eficiență ridicată. Centralele CCGT-CHP pot fi proiectate ca centrale în condensare (CCP-CHP) și cu alimentare cu energie termică (CCP-CHP). În Rusia există un singur CCGT-CHP (PGU-450T) care funcționează cu o capacitate de 450 MW. Centrala electrică din districtul de stat Nevinnomyssk operează o unitate de putere PGU-170 cu o capacitate de 170 MW, iar la Centrala Termoelectrică de Sud din Sankt Petersburg există o unitate de putere PGU-300 cu o capacitate de 300 MW.
4. Conform schemei tehnologice a conductelor de abur, centralele termice sunt împărțite în centrale termice bloc și centrale termice cu legături încrucișate.
Centralele termice modulare constau din centrale electrice separate, de obicei de același tip, - unități de putere. În unitatea de alimentare, fiecare cazan furnizează abur doar turbinei sale, de la care se întoarce după condens numai în cazanul său. Toate centralele de stat puternice și termocentralele, care au așa-numita supraîncălzire intermediară a aburului, sunt construite conform schemei bloc. Funcționarea cazanelor și turbinelor la centralele termice cu conexiuni încrucișate este asigurată diferit: toate cazanele centralei termice furnizează abur la o linie comună de abur (colector) și toate turbinele cu abur ale centralei termice sunt alimentate de la aceasta. Conform acestei scheme, sunt construite CES-uri fără supraîncălzire intermediară și aproape toate centralele de cogenerare cu parametri inițiali de abur subcritici.
5. În funcție de nivelul presiunii inițiale, se disting centrale termice de presiune subcritică și presiune supercritică (SCP).
Presiunea critică este de 22,1 MPa (225,6 at). În industria rusă de energie termică și electrică, parametrii inițiali sunt standardizați: centralele termice și centralele combinate de căldură și energie electrică sunt construite pentru presiune subcritică de 8,8 și 12,8 MPa (90 și 130 atm) și pentru SKD - 23,5 MPa (240 atm) . TPP-urile cu parametri supercritici, din motive tehnice, se realizează cu supraîncălzire intermediară și conform unei scheme bloc. Adesea, centralele termice sau centralele combinate de căldură și energie sunt construite în mai multe etape - în cozi, ai căror parametri sunt îmbunătățiți odată cu punerea în funcțiune a fiecărei faze noi.
Să luăm în considerare o centrală termică tipică în condensare care funcționează cu combustibil organic (Fig. 3.1).
Orez. 3.1. Bilanțul termic al motorinei și
cărbune pulverizat (numerele între paranteze) centrală termică
Combustibilul este furnizat cazanului și pentru a-l arde, aici este furnizat un oxidant - aer care conține oxigen. Aerul este preluat din atmosferă. În funcție de compoziția și căldura de ardere, arderea completă a 1 kg de combustibil necesită 10-15 kg de aer și, prin urmare, aerul este și o „materie primă” naturală pentru producerea de energie electrică, pentru livrarea căreia la ardere. zona este necesar să existe supraalimentare puternice de înaltă performanță. Ca rezultat al reacției chimice de ardere, în care carbonul C al combustibilului este transformat în oxizi CO 2 și CO, hidrogenul H 2 în vapori de apă H 2 O, sulful S în oxizi SO 2 și SO 3 etc., arderea combustibilului se formează produse – un amestec de diverse gaze la temperatură înaltă. Energia termică a produselor de ardere a combustibilului este sursa de energie electrică generată de centralele termice.
În continuare, în interiorul cazanului, căldura este transferată de la gazele de ardere către apa care se deplasează în interiorul conductelor. Din păcate, nu toată energia termică eliberată ca urmare a arderii combustibilului poate fi transferată în apă din motive tehnice și economice. Produsele de ardere a combustibilului (gaze de ardere), răcite la o temperatură de 130–160 °C, părăsesc centrala termică prin coș. Partea din căldura transportată de gazele de ardere, în funcție de tipul de combustibil utilizat, de modul de funcționare și de calitatea funcționării, este de 5–15%.
O parte din energia termică rămasă în interiorul cazanului și transferată în apă asigură formarea de abur cu parametri inițiali înalți. Acest abur este trimis la o turbină cu abur. La ieșirea din turbină se menține un vid profund cu ajutorul unui dispozitiv numit condensator: presiunea din spatele turbinei cu abur este de 3–8 kPa (reamintim că presiunea atmosferică este la nivelul de 100 kPa). Prin urmare, aburul, care intră în turbină cu presiune mare, se deplasează în condensator, unde presiunea este scăzută, și se extinde. Expansiunea aburului este cea care asigură conversia energiei sale potențiale în lucru mecanic. O turbină cu abur este proiectată în așa fel încât energia de expansiune a aburului să fie transformată în rotația rotorului său. Rotorul turbinei este conectat la rotorul unui generator electric, în înfăşurările statorice ale căruia se generează energie electrică, care reprezintă finalul produs util(produs) al funcționării centralelor termice.
Condensatorul, care nu numai că asigură o presiune scăzută în spatele turbinei, dar și determină condensarea aburului (se transformă în apă), necesită cantități mari de apă rece pentru a funcționa. Acesta este al treilea tip de „materie primă” furnizat centralelor termice, iar pentru funcționarea centralelor termice nu este mai puțin important decât combustibilul. Prin urmare, se construiesc centrale termice fie în apropierea surselor naturale de apă existente (râu, mare), fie se construiesc surse artificiale (iaz de răcire, turnuri de răcire cu aer etc.).
Principala pierdere de căldură în centralele termice se produce datorită transferului căldurii de condensare către apa de răcire, care apoi o eliberează. mediu inconjurator. Mai mult de 50% din căldura furnizată centralei termice cu combustibil se pierde cu căldura apei de răcire. În plus, rezultatul este poluarea termică a mediului.
O parte din energia termică a combustibilului este consumată în interiorul centralei termice fie sub formă de căldură (de exemplu, pentru a încălzi pacura furnizată centralei termice într-o formă groasă în rezervoarele de cale ferată), fie sub formă de energie electrică ( de exemplu, pentru a antrena motoare electrice pentru pompe pentru diverse scopuri). Această parte a pierderilor se numește nevoi proprii.
Pentru funcționarea normală a centralelor termice, pe lângă „materiile prime” (combustibil, apă de răcire, aer), sunt necesare o mulțime de alte materiale: ulei pentru funcționarea sistemelor de lubrifiere, reglarea și protecția turbinelor, reactivi (rășini) pentru curățarea fluidului de lucru, numeroase materiale de reparații.
În cele din urmă, centralele termice puternice sunt deservite de un număr mare de personal care asigură funcționarea continuă, întreținere echipamente, analiza indicatorilor tehnico-economici, aprovizionare, management etc. Aproximativ, putem presupune că 1 MW de capacitate instalată necesită 1 persoană și, prin urmare, personalul unei centrale termice puternice este de câteva mii de oameni. Orice centrală electrică cu turbină cu abur cu condensare include patru elemente obligatorii:
· un cazan de energie, sau pur și simplu un cazan, în care este furnizată apă de alimentare la presiune ridicată, combustibil și aer atmosferic pentru ardere. Procesul de ardere are loc în cuptorul cazanului - energia chimică a combustibilului este transformată în energie termică și radiantă. Apa de alimentare curge printr-un sistem de conducte situat în interiorul cazanului. Combustibilul care arde este o sursă puternică de căldură, care este transferată în apa de alimentare. Acesta din urmă se încălzește până la punctul de fierbere și se evaporă. Aburul rezultat din același cazan este supraîncălzit peste punctul de fierbere. Acest abur cu o temperatură de 540°C și o presiune de 13–24 MPa este furnizat unei turbine cu abur printr-una sau mai multe conducte;
· o unitate de turbină formată dintr-o turbină cu abur, un generator electric și un excitator. O turbină cu abur, în care aburul este extins la o presiune foarte scăzută (de aproximativ 20 de ori mai mică decât presiunea atmosferică), transformă energia potențială a aburului comprimat și încălzit în energia cinetică de rotație a rotorului turbinei. Turbina antrenează un generator electric, care transformă energia cinetică de rotație a rotorului generatorului în curent electric. Un generator electric este format dintr-un stator, în ale cărui înfășurări electrice este generat un curent, și un rotor, care este un electromagnet rotativ alimentat de un excitator;
· condensatorul serveste la condensarea aburului provenit din turbina si la crearea unui vid profund. Acest lucru face posibilă reducerea foarte semnificativă a consumului de energie pentru comprimarea ulterioară a apei rezultate și, în același timp, creșterea eficienței aburului, adică. obțineți mai multă putere din aburul generat de boiler;
· pompa de alimentare pentru alimentarea cu apa de alimentare a cazanului si crearea de presiune ridicata in fata turbinei.
Astfel, în PTU, peste fluidul de lucru are loc un ciclu continuu de conversie a energiei chimice a combustibilului ars în energie electrică.
Pe lângă elementele enumerate, mai conține și o adevărată școală profesională număr mare pompe, schimbatoare de caldura si alte dispozitive necesare cresterii eficientei acestuia. Proces tehnologic producția de energie electrică la centralele termice pe gaz este prezentată în Fig. 3.2.
Principalele elemente ale centralei electrice luate în considerare (Fig. 3.2) sunt o centrală de cazane care produce abur de parametri înalți; o turbină sau o unitate de turbină cu abur care transformă căldura aburului în energie mecanică de rotație a rotorului turbinei și dispozitive electrice (generator electric, transformator etc.) care asigură generarea de energie electrică.
Elementul principal al unei instalații de cazan este centrala. Gazul pentru funcționarea cazanului este furnizat de la o stație de distribuție a gazului conectată la conducta principală de gaz (nu este prezentată în figură) la punctul de distribuție a gazului (PIB) 1. Aici presiunea acestuia este redusă la mai multe atmosfere și este alimentată arzătoarelor. 2 situate în partea de jos a cazanului (astfel de arzătoare se numesc arzătoare cu vatră).
Orez. 3.2. Proces tehnologic de producere a energiei electrice la centralele termice pe gaz
Cazanul în sine este o structură în formă de U, cu canale de gaz cu secțiune transversală dreptunghiulară. Partea sa din stânga se numește focar. Interiorul focarului este liber, iar combustibilul, în acest caz gaz, arde în ea. Pentru a face acest lucru, o suflantă specială 28 furnizează continuu aer cald arzătoarelor, încălzit în încălzitorul de aer 25. În fig. Figura 3.2 prezintă un așa-numit încălzitor rotativ de aer, al cărui ambalaj de stocare a căldurii este încălzit de gazele de ardere de evacuare în prima jumătate a revoluției, iar în a doua jumătate a revoluției încălzește aerul care vine din atmosferă. Pentru a crește temperatura aerului, se utilizează recirculare: o parte din gazele de ardere care ies din cazan este utilizată de un ventilator special de recirculare 29 furnizat aerului principal și amestecat cu acesta. Aerul cald este amestecat cu gaz și alimentat prin arzătoarele cazanului în focarul său - camera în care arde combustibilul. Când este ars, se formează o torță, care este o sursă puternică de energie radiantă. Astfel, atunci când combustibilul arde, energia sa chimică este transformată în energie termică și radiantă a pistoletului.
Pereții cuptorului sunt căptușiți cu ecrane 19 - conducte la care se alimentează apa de alimentare de la economizorul 24. Diagrama prezintă un așa-numit cazan cu flux direct, în ecranele căruia se alimentează apă, care trece prin sistemul de conducte al cazanului o singură dată. , se încălzește și se evaporă, transformându-se în abur saturat uscat. Cazanele cu tambur sunt utilizate pe scară largă, în ecranele cărora se circulă în mod repetat apa de alimentare, iar aburul este separat de apa cazanului din tambur.
Spațiul din spatele focarului cazanului este destul de dens umplut cu țevi, în interiorul cărora se mișcă aburul sau apa. Din exterior, aceste conducte sunt spălate de gazele de ardere fierbinți, care se răcesc treptat pe măsură ce se deplasează spre coșul 26.
Aburul saturat uscat intră în supraîncălzitorul principal, format din tavan 20, ecran 21 și elemente convective 22. În supraîncălzitorul principal, temperatura acestuia și, prin urmare, energia potențială crește. Aburul cu parametri înalți obținut la ieșirea supraîncălzitorului convectiv părăsește cazanul și intră în turbina cu abur printr-o linie de abur.
O turbină cu abur puternică constă de obicei din mai multe turbine separate - cilindri.
17 aburul este furnizat la primul cilindru - cilindrul de înaltă presiune (HPC) direct de la cazan și, prin urmare, are parametri înalți (pentru turbinele SKD - 23,5 MPa, 540 °C, adică 240 at/540 °C). La ieșirea din HPC, presiunea aburului este de 3–3,5 MPa (30–35 at), iar temperatura este de 300–340 °C. Dacă aburul ar continua să se extindă în turbină dincolo de acești parametri până la presiunea din condensator, ar deveni atât de umed încât funcționarea pe termen lung a turbinei ar fi imposibilă din cauza uzurii erozive a pieselor sale din ultimul cilindru. Prin urmare, de la HPC, aburul relativ rece revine înapoi la cazan în așa-numitul supraîncălzitor intermediar 23. În acesta, aburul intră din nou sub influența gazelor fierbinți ale cazanului, temperatura acestuia crește la cea inițială (540). °C). Aburul rezultat este trimis către cilindrul de medie presiune (MPC) 16. După extinderea în MPC la o presiune de 0,2–0,3 MPa (2–3 at), aburul intră într-unul sau mai multe butelii identice de joasă presiune (LPC) 15.
Astfel, extinzându-se în turbină, aburul își rotește rotorul, conectat la rotorul generatorului electric 14, în înfășurările statorice ale cărora este generat un curent electric. Transformatorul își mărește tensiunea pentru a reduce pierderile în liniile electrice, transferă o parte din energia generată pentru a alimenta propriile nevoi ale centralei termice și eliberează restul de energie electrică în sistemul electric.
Atât cazanul, cât și turbina pot funcționa doar la foarte mult calitate superioară alimentare cu apă și abur, permițând doar amestecuri nesemnificative de alte substanțe. În plus, consumul de abur este enorm (de exemplu, într-o unitate de putere de 1200 MW, mai mult de 1 tonă de apă se evaporă, trece prin turbină și se condensează în 1 secundă). Prin urmare, funcționarea normală a unității de putere este posibilă numai prin crearea unui ciclu de circulație închis al fluidului de lucru de înaltă puritate.
Aburul care iese din turbina LPC intră în condensatorul 12 - un schimbător de căldură, prin tuburile căruia curge continuu apa de răcire furnizată pompă de circulație 9 de la un râu, rezervor sau dispozitiv special de răcire (turn de răcire).
Un turn de răcire este un turn de evacuare gol din beton armat (Fig. 3.3) cu o înălțime de până la 150 m și un diametru de evacuare de 40–70 m, care creează gravitație pentru aerul care intră de jos prin panourile de ghidare a aerului.
Un dispozitiv de irigare (aspersoare) este instalat în interiorul turnului de răcire la o înălțime de 10-20 m. Aerul care se deplasează în sus face ca unele dintre picături (aproximativ 1,5–2%) să se evapore, răcind astfel apa care vine din condensator și se încălzește în acesta. Apa răcită este colectată dedesubt în piscină, curge în camera frontală 10 și de acolo este alimentată la condensatorul 12 de către pompa de circulație 9 (Fig. 3.2).
| Orez. 3.3. Proiectarea unui turn de răcire cu tiraj natural |
| Orez. 3.4. Aspect turn turn de răcire |
Alături de apa circulantă, se folosește alimentarea cu apă cu flux direct, în care apa de răcire intră în condensator din râu și este descărcată în acesta în aval. Aburul care vine de la turbină în inelul condensatorului se condensează și curge în jos; Condensul rezultat este alimentat de o pompă de condens 6 printr-un grup de încălzitoare regenerative de joasă presiune (LPH) 3 către dezaeratorul 8. În LPH, temperatura condensului crește datorită căldurii de condensare a aburului preluat din turbină. Acest lucru face posibilă reducerea consumului de combustibil în cazan și creșterea eficienței centralei electrice. În dezaeratorul 8 are loc dezaerarea — îndepărtarea din condensat a gazelor dizolvate în acesta care perturbă funcționarea cazanului. În același timp, rezervorul dezaeratorului este un recipient pentru apa de alimentare a cazanului.
De la dezaerator, apa de alimentare este furnizată unui grup de încălzitoare de înaltă presiune (HPH) printr-o pompă de alimentare 7 acţionată de un motor electric sau de o turbină specială cu abur.
Încălzirea regenerativă a condensului în HDPE și HDPE este modalitatea principală și foarte profitabilă de creștere a eficienței centralelor termice. Aburul, care s-a extins în turbină de la intrarea la conducta de extracție, a generat o anumită putere, iar când a intrat în încălzitorul regenerativ, și-a transferat căldura de condensare în apa de alimentare (și nu în apa de răcire!), crescându-i temperatura. și astfel economisiți consumul de combustibil în cazan. Temperatura apei de alimentare a cazanului din spatele HPH, de ex. inainte de a intra in cazan, este de 240–280°C, in functie de parametrii initiali. Aceasta închide ciclul tehnologic abur-apă de conversie a energiei chimice a combustibilului în energia mecanică de rotație a rotorului turbinei.