Climate Analytics continuă să insiste că energia cărbunelui 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” a aruncat o privire mai atentă la cele mai mari centrale termice 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 termice pe cărbune existente. Sectorul energetic din Europa are nevoie de decarbonizare totală, deoarece o parte semnificativă a emisiilor totale de gaze cu efect de seră (GES) din UE provine din energia electrică 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 astfel de acțiuni vor oferi beneficii semnificative în ceea ce privește calitatea aerului, sănătatea publică și securitatea energetică.
Acum, în UE există peste 300 de centrale electrice cu 738 de unități electrice care funcționează cu combustibil pe bază de cărbune. Din punct de vedere geografic, ele sunt distribuite, desigur, nu uniform. Dar, în general, cărbunele și lignitul (lignitul) 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 pe bază de cărbune în întreaga Europă unită. În același timp, în șapte țări UE nu există deloc centrale termice pe cărbune.
„Utilizarea în continuare a cărbunelui pentru producerea de energie electrică nu este compatibilă cu implementarea obiectivului de reducere drastică a emisiilor de GES. Prin urmare, UE trebuie să dezvolte o strategie pentru a elimina treptat cărbunele mai repede decât se întâmplă în prezent”, conchide Climate Analytics. În caz contrar, emisiile totale în UE vor crește cu 85% până în 2050. Modelarea Climate Analytics a arătat că 25% din centralele electrice pe cărbune care funcționează în prezent ar trebui să fie închise 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 se face? Potrivit Climate Analytics, „întrebarea critică este ce criterii ar trebui folosite pentru a determina când să închidă anumite centrale termice? Din punct de vedere al atmosferei terestre, criteriile nu contează, întrucât emisiile de GES vor fi reduse în ritmul potrivit. Dar din punctul de vedere al politicienilor, al proprietarilor de afaceri și al altor părți interesate, dezvoltarea unor astfel de criterii este un moment decisiv în luarea deciziilor.”
Climate Analytics propune două strategii posibile pentru eliminarea completă a utilizării cărbunelui în producerea de energie electrică. Primul este să închidem mai întâi acele centrale termice care sunt lideri în ceea ce privește emisiile de GES. A doua strategie este închiderea stațiilor care sunt cele mai puțin valoroase din punct de vedere al afacerilor. Pentru fiecare dintre strategii a fost întocmit un infografic interesant, care arată cum se va schimba fața UE în anii de după închiderea stațiilor de cărbune. În primul caz, Polonia, Cehia, Bulgaria și Danemarca vor fi atacate. În al doilea - tot Polonia și Danemarca.
Nu există unitate
Climate Analytics a anunțat, de asemenea, ani de închidere pentru toate cele 300 de stații, în conformitate cu două strategii. Este ușor de observat că acești ani diferă semnificativ de condițiile de funcționare ale acestor stații în modul obișnuit (așa-numitul BAU - businnes as usual). De exemplu, cea mai mare stație Belchatov din Europa din Polonia (cu o capacitate de peste 4,9 GW) poate funcționa cel puțin până în 2055; în timp ce se propune să fie închis până în 2027 - aceeași perioadă în orice scenariu.
În general, sunt cinci termocentrale poloneze care pot fuma calm până în anii 2060 pe care Climate Analytics își propune să închidă timp de trei până la patru decenii. inaintea timpului. Polonia, a cărei energie este dependentă în proporție de 80% de cărbune, este puțin probabil să fie mulțumită de o asemenea evoluție a evenimentelor (reamintim, această țară chiar va contesta în instanță obligațiile climatice impuse de UE). Alte cinci posturi din Top 20 sunt în Marea Britanie; opt - în Germania. Tot în top douăzeci pentru închidere - două termocentrale din Italia.
În același timp, 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 fi relativ nedureros.În Germania totul poate dura până în 2030, implementarea celor două strategii va diferi în funcție de specificul terenului (există regiuni de exploatare a cărbunelui.) În Cehia și Bulgaria, generarea de cărbune va avea să fie redusă până în 2020 - în primul rând din cauza volumelor substanțiale de emisii.
Energia regenerabilă ar trebui să vină să înlocuiască cărbunele. Reducerea costului producției solare și eoliene este o tendință importantă care trebuie susținută și dezvoltată, potrivit Climate Analytics. Datorită SRE, 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 ocupa personal eliberat din energia cărbunelui.
Cu toate acestea, Climate Analytics recunoaște 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 respingere 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 cărbune. centrale electrice (Polonia și Grecia). „Problemelor ecologice din Europa li se acordă o mare atenție, dar cu greu 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 decizii anterioare de a închide o serie de centrale nucleare din Europa. Vor apărea probleme sociale, va fi necesară recalificarea unora dintre angajații stațiilor propriu-zise, un număr semnificativ de locuri de muncă vor fi tăiate în diverse industrii, ceea ce cu siguranță va crește tensiunea în societate. Închiderea centralelor pe cărbune va afecta și bugetele, întrucât nu va exista un grup semnificativ de contribuabili, iar performanța de exploatare a acelor companii care anterior le aprovizionau cu bunuri și servicii va scădea semnificativ. Dacă este posibilă vreo soluție, atunci aceasta poate consta într-un refuz pe termen lung al generării de cărbune, continuând în același timp să lucrăm la îmbunătățirea tehnologiilor pentru a reduce emisiile de la arderea cărbunelui, a îmbunătăți situația de mediu la centralele pe cărbune”, spune. Dmitri Baranov, expert lider al companiei de management de management Finam.
Top 20 de centrale termice pe cărbune din Europa, care, potrivit Climate Analytics, vor trebui să fie 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, industria de energie termică din Rusia este gazul. „Rusia are una dintre cele mai bune structuri de echilibrare a combustibilului din lume. Folosim doar 15% din 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, de asemenea, abordată în mod activ în Europa. În Rusia, acest program, de fapt, a fost deja implementat”, a spus șeful Ministerului Energiei al Federației Ruse. Alexandru Novak, vorbind la sfârșitul lunii februarie la sesiunea panel „Economia verde ca vector al dezvoltării” la Forumul de investiții din Rusia 2017 de la Soci.
Ponderea energiei nucleare în bilanțul energetic total al țării este de 16-17%, generarea hidro - 18%, gazul reprezintă aproximativ 40%. Potrivit Institutului de Cercetare Energetică al Academiei Ruse de Științe, cărbunele în producția de energie electrică a fost de mult înlocuit în mod activ de gaz și atom 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 sectorului energetic în termeni de regiuni, și nu de stații individuale, atunci imaginea va fi diferită: cele mai multe regiuni „cărbune” sunt în Siberia și Orientul îndepărtat. Structura bilanțurilor energetice teritoriale depinde de nivelul de gazeificare: în partea europeană a Rusiei este ridicat, în timp ce în Siberia de Est și dincolo este scăzut. Cărbunele ca combustibil, de regulă, este folosit în centralele termice urbane, care produc nu numai energie electrică, ci și căldură. Prin urmare, generarea în orașele mari (cum ar fi Krasnoyarsk) se bazează în totalitate pe cărbune. În general, ponderea centralelor termice în IPS din Siberia reprezintă în prezent 60% din generarea de energie electrică - aceasta este aproximativ 25 GW de capacități „cărbune”.
În ceea ce privește SRE, ponderea acestor surse în balanța energetică a Federației Ruse reprezintă acum un simbolic de 0,2%. „Plănuim să ajungem la 3% - până la 6.000 MW prin diferite mecanisme de suport”, a prezis Novak. Compania Rosseti dă previziuni mai optimiste: până în 2030, capacitatea instalată a surselor de energie regenerabilă în Rusia ar putea crește cu 10 GW. Cu toate acestea, nu se preconizează o restructurare globală a balanței energetice din țara noastră. „Conform prognozelor, 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 nevoia de energie a umanității în 33 de ani și cum ar trebui dezvoltată energia regenerabilă pentru a satisface toată cererea”, 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 din Marea Britanie „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 întâlnire 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). Este situat în regiunea Sverdlovsk, la 100 km nord-est de Ekaterinburg și la 18 km de Asbest.
Putere electrică instalată - 3800 MW.
Capacitate termică instalată - 350 Gcal/h.
Furnizează alimentare cu energie în zonele industriale din regiunile Sverdlovsk, Tyumen, Perm și Chelyabinsk.
Construcția centralei a început în 1963, în 1970 a fost lansată prima unitate de putere, în 1980 ultima.
Ryazanskaya GRES (OGK-2)
A cincea în top 10 cele mai mari centrale termice din Rusia. Funcționează pe cărbune (prima etapă) și gaz natural (a doua etapă). Este situat în Novomichurinsk (regiunea Ryazan), la 80 km sud de Ryazan.
Capacitate electrică instalată (împreună cu GRES-24) - 3.130 MW.
Putere termică instalată - 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)
Este 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 - nămol de antracit.
Capacitate electrică instalată - 2229 MW.
Putere termică instalată - 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).
Funcționează cu cărbune și gaz natural.
Capacitate electrică instalată - 1910 MW.
Capacitate termică instalată - 458 Gcal/h.
A fost dat în exploatare în 1922 conform planului GOELRO. În anii 1960 a fost realizată o modernizare de amploare la gară.
Unitățile electrice cu cărbune pulverizat nr. 1 și nr. 2 sunt programate să fie dezafectate în 2019. Până în 2020, aceeași soartă așteaptă încă patru unități de putere care funcționează cu combustibil petrol și gaz. Doar cea mai modernă unitate nr. 3 cu o capacitate de 300 MW va rămâne în funcțiune.
Primorskaya GRES (RAO ES din Est)
Situat în Luchegorsk (teritoriul Primorsky).
Cea mai puternică centrală termică din Orientul Îndepărtat. Lucrări la colțul minei de cărbune Luchegorsk. Oferă cea mai mare parte a consumului de energie al Primorye.
Capacitate electrică instalată - 1467 MW.
Capacitate termică instalată - 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 favorabil în triunghiul industrial Ekaterinburg - Chelyabinsk - Magnitogorsk.Capacitate electrică instalată - 1.400 MW.
Capacitate termică instalată - 515 Gcal/oră.
Lansarea primei etape a stației a avut loc în 1960. Echipamentul etapei a doua (pentru 1200 MW) a fost scos din funcțiune în perioada 1992-2016.
În 2016, a fost pusă în funcțiune o unitate de energie unică 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 din cariera Okino-Klyuchevskoye și zăcământul Gusinoozyorskoye.
Capacitate electrică instalată - 1160 MW.
Capacitate 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 generează energie electrică prin transformarea energiei chimice a combustibilului în energie mecanică de rotație a arborelui unui generator 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 step-up |
| 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 suprafață | Condensator de suprafata |
| 9 | Turbină cu abur cu presiune intermediară | Turbină cu abur de presiune medie |
| 10 | supapă de reglare a aburului | Supapa de reglare a aburului |
| 11 | turbină cu abur de înaltă presiune | Turbină cu abur de înaltă presiune |
| 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 carbuni; Moara pentru macinarea carbunelui |
| 17 | Tamburul cazanului | Tamburul cazanului |
| 18 | buncăr de cenuşă de jos | buncăr de zgură |
| 19 | supraîncălzitor | Supraîncălzitor; Supraîncălzitor cu abur |
| 20 | Ventilator de tiraj fortat | Ventilator; ventilator de tracțiune |
| 21 | Reîncălzire | Supraîncălzitor intermediar |
| 22 | Admisia aerului de ardere | Priza de aer primar; Admisia de aer în cuptor |
| 23 | Economisitor | Economizor |
| 24 | PREINCALZITOR aer | Preîncălzitor |
| 25 | Precipitator | Captorul de cenușă |
| 26 | Ventilator de tiraj indus | evacuator de fum; Ventilator de evacuare |
| 27 | cosul de gaze arse | Șemineu |
| 28 | pompe de alimentare | Pompe de alimentare |
Cărbunele este transportat (14) din arborele exterior și măcinat într-o pulbere foarte fină prin sfere metalice mari într-o moară (16).
Acolo se amestecă cu aerul preîncălzit (24) forțat de ventilatorul (20).
Amestecul fierbinte aer-combustibil intră forțat, la presiune mare, în cazan, unde se aprinde rapid.
Apa pătrunde vertical în sus 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 capacul tamburului în încălzitorul cu suspensie (19), unde presiunea și temperatura acestuia cresc rapid la 200 bar și 570°C, suficient pentru a face pereții tubului să strălucească într-un roșu tern.
Aburul intră apoi în turbina de înaltă presiune (11), prima dintre cele trei din procesul de generare a energiei.
Supapa de control al alimentării cu abur (10) asigură atât controlul manual al turbinei, cât și controlul automat conform parametrilor specificați.
Aburul este evacuat din turbina de înaltă presiune atât cu scăderea presiunii, cât și a temperaturii, după care este returnat pentru încălzire la supraîncălzitorul intermediar (21) al cazanului.
Centralele termice sunt principalul tip de centrale electrice din Rusia, ponderea energiei electrice generate de acestea fiind de 67% în 2000.
În țările industrializate, această cifră ajunge la 80%.
Energia termică la termocentrale este utilizată pentru încălzirea apei și producerea de abur - la centralele cu turbine cu abur sau pentru a produce gaze fierbinți - la cele cu turbine cu gaz.
Pentru a produce căldură, combustibilii fosili sunt arse în cazane la TPP.
Cărbunele, turba, gazele naturale, păcura, șisturile petroliere sunt folosite drept combustibil.
1. Centrale termice cu turbină
1.1. Centrale electrice în condensare (CES, numită istoric GRES - centrală regională de stat)
1.2 Centrale combinate de energie termică și electrică (centrale de cogenerare, centrale termice)
2. Centrale electrice cu turbine cu gaz
3. Centrale electrice bazate pe centrale 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. Generarea 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 se construiau din ce în ce mai multe stații în țară, dependența de cărbune a crescut. De la Primul Război Mondial, aproximativ jumătate din producția anuală de energie electrică din Statele Unite a provenit 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 totalul (900 milioane tone) de cărbune extras 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. generate in tara.
Cu toate acestea, în ciuda faptului că cărbunele a fost mult timp și va fi principala sursă de energie electrică pentru mulți ani de acum înainte (în Statele Unite ale Americii 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 efecte nedorite asupra mediului, în special ploile acide. De la sfârșitul anilor 1960, atractivitatea centralelor termice pe cărbune a scăzut brusc din cauza înăspririi cerințelor privind poluarea mediului prin emisii gazoase și solide sub formă de cenușă și zgură. Costurile abordării acestor probleme de mediu, împreună cu costul tot mai mare al construirii unor instalații complexe, cum ar fi 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 principal creșterea capacității instalațiilor existente. În același timp, sunt dezvoltate procese complet noi pentru arderea fără deșeuri a cărbunelui, 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 de către acestea, au flexibilitate în ceea ce privește posibilitatea utilizării diferitelor tipuri de cărbune și nu necesită construcție îndelungată. perioade.
Pentru a aprecia importanța progreselor în tehnologia de ardere a cărbunelui, luați 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 se transformă 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 pe 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 prin supraîncălzitor, unde temperatura și presiunea acestuia cresc, apoi intră în turbina de înaltă presiune. Energia mecanică a turbinei este convertită de un generator electric în energie electrică. Pentru a obține o eficiență de conversie a energiei mai mare, aburul de la turbină este de obicei returnat în cazan pentru reîncălzire și apoi antrenează una sau două turbine de joasă presiune și abia apoi este condensat prin răcire; condensul este returnat în ciclul cazanului.
Echipamentele centralei termice includ alimentatoare de combustibil, cazane, turbine, generatoare, precum și sisteme sofisticate de răcire, curățare a gazelor arse și îndepărtare a cenușii. Toate aceste sisteme principale și auxiliare sunt proiectate să funcționeze cu fiabilitate ridicată timp de 40 de ani sau mai mult la sarcini care pot varia de la 20% din capacitatea instalată a instalației la maxim. Costul de capital al echipării unei centrale termice tipice de 1.000 MW depășește de obicei 1 miliard de dolari.
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 circa 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. Prețul energiei electrice furnizate a scăzut, de asemenea, peste aceeași perioadă de la 25 de cenți la 2 cenți pentru ceai de 1 kW.
Cu toate acestea, începând cu anii 1960, ritmul progresului a început să scadă. Această tendință, aparent, se explică 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 1970, acești factori tehnici au fost agravați de noi motive economice și organizatorice. În special, cheltuielile de capital au crescut brusc, creșterea cererii de energie electrică a încetinit, cerințele pentru protecția mediului împotriva emisiilor nocive au devenit mai stricte și perioada de timp pentru implementarea proiectelor de construcție a centralelor electrice s-a prelungit. Drept urmare, costul producerii de energie electrică din cărbune, care era în scădere 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 afectat de cerințele crescute pentru eliminarea gazelor,
deseuri lichide si solide. Sistemele de curățare a gazelor și de îndepărtare a cenușii ale centralelor 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 instalația de desulfurare a gazelor arse, denumită adesea sistem de spălare umedă. Colectorul de praf umed (scrubber) reține oxizii de sulf, care sunt principalul poluant format în timpul arderii cărbunelui.
Ideea colectării umede 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 precipită din soluție sub formă de sulfit inert sau sulfat de calciu (gips). Gipsul poate fi îndepărtat cu ușurință sau, dacă este suficient de curat, poate fi vândut ca material de construcții. În sistemele de epurare mai complexe și mai scumpe, nămolul de gips poate fi transformat în acid sulfuric sau sulf elementar, substanțe chimice mai valoroase. Din 1978, instalarea epuratoarelor este obligatorie la toate centralele termice aflate in constructie cu 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 instalațiile noi este de obicei de 150-200 USD per 1 kW de capacitate instalată. Instalarea scruberelor la instalațiile existente, proiectate inițial fără spălare umedă, costă cu 10-40% mai mult decât la instalațiile noi. Costurile de operare ale scruberelor sunt destul de mari, indiferent dacă sunt instalate în instalații vechi sau noi. Scruberele generează cantități uriașe de nămol de gips care trebuie păstrat în iazurile de decantare sau aruncat, 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 gaz umed 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 predispuse la înfundare și coroziune. 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.
Utilizarea pe scară largă a scruberelor în industria energetică americană nu a fost nici ușoară, nici ieftină. Primele instalații de scruber au fost mult mai puțin fiabile decât restul echipamentelor stației, astfel încât componentele sistemelor de scruber au fost proiectate cu o marjă mare de siguranță și fiabilitate. Unele dintre dificultățile asociate cu instalarea și funcționarea scruberelor pot fi explicate prin faptul că aplicarea industrială a tehnologiei scruberelor 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 din cauza sistemelor obligatorii de control al emisiilor, ci și pentru că costul construcției în sine a crescut vertiginos. Chiar și luând în considerare inflația, costul unitar al capacității instalate a centralelor termice pe cărbune este acum de trei ori mai mare decât în 1970. În ultimii 15 ani, „efectul de scară”, adică beneficiul construcției de centrale mari, a fost anulată de o creștere semnificativă a costurilor de construcție . În parte, această creștere a prețurilor reflectă costul ridicat al finanțării proiectelor de capital pe termen lung.
Impactul întârzierii proiectului poate fi văzut în exemplul companiilor energetice japoneze. Firmele japoneze sunt de obicei mai agile decât omologii lor americani în a face față 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 pusă în funcțiune în 30-40 de luni, în timp ce în SUA, o centrală de aceeași capacitate durează 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) este 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 folosind centrale modulare. mai putina putere, 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 într-un timp mai scurt și, prin urmare, se pot achita mai repede, chiar dacă rentabilitatea investiției rămâne constantă. Instalarea de module noi numai atunci când este necesară o creștere a capacității sistemului poate duce la economii nete de până la 200 USD/kW, chiar dacă economiile de scară se pierd la instalațiile mai mici.
Ca o alternativă la construirea de noi instalații de generare a energiei, companiile energetice au practicat, de asemenea, modernizarea vechilor centrale electrice existente pentru a le îmbunătăți performanța și a le prelungi durata de viață. Această strategie, desigur, necesită mai puține cheltuieli de capital decât construirea de noi uzine. Această tendință este justificată și pentru că centralele electrice construite în urmă cu aproximativ 30 de ani 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 capătă o pondere tot mai mare în sectorul energetic al țării. În 1970, doar 20 de instalații de generare din SUA aveau peste 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 operare la stații. Pentru a preveni pierderile de energie, este necesar să se avertizeze în timp util cu privire la deteriorarea performanței celor mai importante zone ale instalației. Prin urmare, monitorizarea continuă a stării unităților 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 defecțiunea de urgență a centralelor electrice. Semnificația unor astfel de măsuri poate fi corect evaluată dacă se consideră, de exemplu, că oprirea forțată a unei centrale pe cărbune de 1000 MW ar putea costa compania electrică 1 milion de dolari pe zi, în principal pentru că energia negenerată trebuie compensată prin furnizarea de energie din surse mai scumpe.
Creșterea costurilor specifice pentru transportul și procesarea cărbunelui și pentru îndepărtarea cenușii a făcut din calitatea cărbunelui (determinată de conținutul de umiditate, sulf și alte minerale) un factor important care determină performanța și economia centralelor termice. Deși cărbunele de calitate scăzută poate costa mai puțin decât cărbunele de calitate superioară, costă mult mai mult să produci aceeași cantitate de electricitate. Costul transportului mai multor cărbune de calitate scăzută poate depăși beneficiul prețului său mai mic. În plus, cărbunele de calitate scăzută generează de obicei mai multe deșeuri decât cărbunele de calitate superioară și, în consecință, sunt necesare costuri mari pentru îndepărtarea cenușii. În cele din urmă, compoziția cărbunilor de calitate scăzută este supusă unor fluctuații mari, ceea ce face dificilă „reglarea” sistemului de combustibil al centralei pentru a funcționa cu cea mai mare eficiență posibilă; în acest caz, sistemul trebuie reglat astfel încât să poată funcționa cu cea mai proastă calitate așteptată a cărbunelui.
În centralele electrice existente, calitatea cărbunelui poate fi îmbunătățită, sau cel puțin stabilizată, prin îndepărtarea anumitor impurități, precum mineralele sulfuroase, înainte de ardere. În stațiile de epurare, cărbunele „murdar” măcinat este separat de impurități în multe moduri, folosind 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, o capacitate suplimentară de 150.000 MW va trebui instalată în Statele Unite până la sfârșitul secolului, dacă cererea de energie electrică crește cu o rată estimată de 2,3% per fiecare. an. Pentru a rămâne competitive cu cărbunele pe o piață energetică în continuă expansiune, companiile energetice vor trebui să adopte noi moduri inovatoare de ardere a cărbunelui, care sunt mai eficiente decât cele tradiționale în trei domenii cheie: mai puțină poluare, timpi mai scurti de construcție pentru centralele electrice și o instalație mai bună. performanta si performanta...
 |
 |
| ARDEREA CĂRBUNELOR FLUIDIZAT reduce necesitatea instalațiilor auxiliare pentru tratarea emisiilor din centralele 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 în suspensie, adică se comportă în același mod ca într-un lichid în fierbere. Amestecarea turbulentă asigură arderea completă a cărbunelui; în timp ce particulele de calcar reacţionează cu oxizii de sulf şi captează aproximativ 90% din aceşti oxizi. Deoarece serpentinele de încălzire a cazanului ating direct patul fluidizat al combustibilului, generarea de abur este mai eficientă decât în cazanele convenționale cu abur pe cărbune pulverizat. În plus, temperatura cărbunelui de ardere în patul fluidizat este mai scăzută, ceea ce previne topirea zgurii cazanului și reduce formarea oxizilor de azot. |
GAZIFICAREA CĂRBUNELOR 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 este răcit, desolidificat 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 moduri de ardere a cărbunelui cu o 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 într-un cuptor cu boiler 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-lichefiată") printr-un flux de aer ascendent puternic. Particulele în suspensie se comportă în esență în același mod ca într-un lichid în fierbere, adică sunt în mișcare turbulentă, ceea ce asigură eficiența ridicată a procesului de ardere. Conductele de apă ale unui astfel de cazan sunt în contact direct cu „patul fluidizat” al combustibilului care arde, drept urmare o mare parte a căldurii este transferată prin conducție termică, care este mult mai eficientă decât căldura radiativă și convectivă. transfer într-un cazan de abur convențional.
Un cazan pe cărbune cu pat fluidizat are o zonă de transfer de căldură mai mare decât un cazan pe cărbune pulverizat convențional, ceea ce scade temperatura cuptorului și, prin urmare, reduce formarea de oxizi de azot. (În timp ce temperatura într-un cazan convențional poate fi peste 1650°C, într-un cazan 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 cu formarea de sulfit sau sulfat de calciu. În acest fel, substanțele nocive pentru mediu formate în timpul arderii cărbunelui sunt neutralizate la locul de formare, adică în cuptor.
În plus, cazanul cu pat fluidizat este mai puțin sensibil la fluctuațiile calității cărbunelui datorită designului și principiului său de funcționare. În cuptorul unui cazan de cărbune pulverizat convențional, se formează 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 pat fluidizat, cărbunele arde la o temperatură sub punctul de topire al zgurii și, prin urmare, problema murdării suprafețelor de încălzire cu zgură nici măcar nu se pune. Aceste 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 cu design modular cu o capacitate mică de abur. Potrivit unor estimări, investiția într-o centrală termică cu cazane compacte cu pat fluidizat poate fi cu 10-20% mai mică decât într-o centrală termică convențională de aceeași capacitate. Economiile sunt realizate prin reducerea timpului de construcție. În plus, puterea unei astfel de centrale poate fi crescută cu ușurință cu o creștere a sarcinii electrice, ceea ce este important pentru acele cazuri în care creșterea sa în viitor nu este cunoscută dinainte. Problema planificării este, de asemenea, simplificată, deoarece astfel de instalații compacte pot fi instalate rapid de îndată ce apare necesitatea creșterii producției de energie.
Cazanele cu pat fluidizat pot fi, de asemenea, încorporate în centralele electrice existente atunci când generarea de energie trebuie să crească rapid. De exemplu, compania energetică Northern States Power a convertit unul dintre cazanele pe cărbune pulverizat de la stație în buc. Minnesota într-un cazan cu pat fluidizat. Modificarea a fost efectuată în scopul creșterii capacității centralei cu 40%, reducerii cerințelor de calitate a combustibilului (centrala poate funcționa chiar și cu deșeuri locale), curățării mai minuțioase a emisiilor și prelungirii duratei de viață a centralei până la 40 de ani.
În ultimii 15 ani, tehnologia folosită în centralele termice echipate exclusiv cu cazane cu pat fluidizat s-a extins de la mici instalații pilot și semi-industriale la mari centrale „demonstrative”. O astfel de stație cu o capacitate totală de 160 MW este construită în comun de către Tennessee Valley Authority, Duke Power și Commonwealth of Kentucky; Asociația Colorado-Ute Electric, Inc. a pus în funcțiune o centrală de generare a energiei de 110 MW cu cazane cu pat fluidizat. Dacă aceste două proiecte vor avea succes, precum și cel al Northern States Power, un joint venture din 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 formă simplăÎncă de la mijlocul secolului al XIX-lea, cărbunele era gazificat pentru a produce un gaz „pur ardere”. Un astfel de gaz este potrivit pentru iluminat și încălzire și a fost utilizat pe scară largă în SUA până în al Doilea Război Mondial, până când a fost înlocuit de gazul natural.
Inițial, gazeificarea cărbunelui a atras atenția companiilor energetice, care sperau să folosească această metodă pentru a obține combustibil care arde fără deșeuri și astfel să scape de curățarea scrubber. Acum a devenit clar că gazificarea cărbunelui are un avantaj mai important: produsele fierbinți de ardere a gazului de producție pot fi utilizate direct pentru a antrena turbinele cu gaz. La rândul său, căldura reziduală a produselor de ardere după turbina cu gaz poate fi utilizată pentru a obține abur care să conducă turbina cu abur. Această utilizare combinată a turbinelor cu gaz și abur, numită ciclu combinat, este acum una dintre cele mai eficiente moduri de a produce energie electrică.
Gazul obținut din 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 conversiei cărbunelui în gaz. Mai mult, o centrală cu ciclu combinat consumă mult mai puțină apă, deoarece două treimi din putere este dezvoltată de o turbină cu gaz, care nu are nevoie de 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 centralei de apă rece din California de Sud Edison. Această stație cu o capacitate de aproximativ 100 MW a fost pusă în funcțiune în mai 1984. Poate funcționa pe cărbune de diferite grade. Emisiile centralei nu diferă ca puritate de cele ale unei centrale de gaze naturale învecinate. Conținutul de oxid de sulf al gazelor de ardere este menținut cu mult sub nivelurile de reglementare printr-un sistem auxiliar de recuperare a sulfului care elimină aproape tot sulful conținut în combustibilul de alimentare și produce sulf pur pentru uz industrial. Formarea oxizilor de azot este prevenită prin adăugarea de apă în gaz înainte de ardere, ceea ce reduce temperatura de ardere a gazului. În plus, cărbunele nears rămas în gazeificator este topit și transformat într-un material sticlos inert care, după răcire, îndeplinește cerințele de deșeuri solide ale Californiei.
Pe langa eficienta mai mare si poluarea mai mica a mediului, centralele cu ciclu combinat au un alt avantaj: pot fi construite in mai multe faze, astfel incat capacitatea instalata sa fie crescuta in blocuri. Această flexibilitate în construcție reduce riscul investițiilor excesive sau insuficiente asociate cu incertitudinea creșterii cererii de energie electrică. De exemplu, prima etapă a capacității instalate poate funcționa pe turbine cu gaz și poate folosi petrol sau gaze naturale în loc de cărbune 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 crește din nou, la stație se poate construi o centrală de gazeificare a cărbunelui.
Rolul centralelor termice pe cărbune este un subiect cheie când vorbim privind conservarea resurselor naturale, protecția mediului și modalitățile 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 atât de protecție a mediului, cât 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 are în vedere în prezent stabilirea unei inițiative generale naționale pentru a demonstra și aplica procese „curate” de ardere a cărbunelui. Această inițiativă, care va combina capitalul privat cu investițiile federale, își propune să comercializeze noi procese de ardere a cărbunelui în anii 1990, inclusiv cazane cu pat fluidizat și generatoare de gaz. 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 o întreagă gamă de măsuri coordonate pentru conservarea energiei electrice, reglarea consumului acesteia și creșterea productivității centralelor termice existente care funcționează pe principii tradiţionale. În permanență pe ordinea de zi sunt economice și probleme ecologice probabil să conducă la dezvoltări tehnologice complet noi, 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, ținând cont de nevoile economiei locale. Pe lângă cazanele cu pat fluidizat și instalațiile de gazeificare a cărbunelui, astfel de centrale vor fi echipate cu diagnosticare tehnică electronică și sisteme de control automate și, în plus, va fi utilă utilizarea majorității subproduselor de ardere a cărbunelui.
Astfel, oportunitățile de îmbunătățire a factorilor economici și de mediu ai producției de energie electrică pe bază de cărbune sunt foarte largi. Folosirea în timp util a acestor oportunități depinde, totuși, de dacă guvernul poate urma o politică echilibrată de producere a energiei și de mediu, 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 modul în care 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 micilor instalații experimentale pilot, urmate de implementarea industrială pe scară largă a sistemelor dezvoltate.
Electricitatea este produsă la centralele 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 nucleare (CNP) care funcționează pe ciclu termic.
Tipuri de centrale termice
În funcție de tipul de energie generată și furnizată, centralele termice se împart în două tipuri principale: centrale în condensare (CPP), destinate numai producerii de energie electrică, și cogenerare, sau centrale termice combinate (CHP). Centralele electrice în condensare care funcționează pe combustibili fosili sunt construite în apropierea locurilor de producție, iar centralele termice sunt situate în apropierea consumatorilor de căldură - întreprinderi industriale și zone rezidențiale. CPP funcționează și cu combustibili fosili, dar spre deosebire de CPP, acestea generează atât energie electrică, cât și termică sub formă de apă caldă și abur în scopuri industriale și de încălzire. Principalii combustibili ai 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
|
Indicator |
2010 (prognoză) |
||
|
Ponderea producției totale a centralelor electrice, % CNE TPP pe gaz TPP funcționează cu păcură |
|||
|
Producția de energie electrică pe regiuni, % 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 TPP pe gaz TPP funcționează cu păcură Centrale termice pe cărbune și alți combustibili CHE și centrale electrice pe alte tipuri de combustibili regenerabili |
|||
|
Generare de energie electrică (total), miliarde kWh |
Centralele nucleare sunt predominant de tip condensare care utilizează 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 (GTP), cu ciclu combinat (CCGT) și centrale cu motoare cu ardere internă (DPP).
În funcție de durata muncii TPP pe tot parcursul anuluiîn funcţie de acoperirea curbelor de sarcină energetică, caracterizate prin numărul de ore de utilizare a capacităţii instalate τ la st , se obişnuieşte clasificarea centralelor electrice în: de bază (τ la st > 6000 h/an); semi-vârf (τ la st = 2000 - 5000 h/an); vârf (τ la st< 2000 ч/год).
Centralele electrice de bază sunt numite cele care poartă sarcina constantă maximă posibilă pentru cea mai mare parte a anului. În industria energetică mondială, centralele nucleare, CPP-urile extrem de economice, precum și centralele termice sunt folosite ca bază atunci când se lucrează conform programului de căldură. Sarcinile de vârf sunt acoperite de centrale hidroelectrice, centrale cu acumulare prin pompare, turbine cu gaz, care au manevrabilitate și mobilitate, adică. pornire și oprire rapidă. Centralele de vârf pornesc în timpul orelor în care este necesar să se acopere partea de vârf a programului zilnic de sarcină electrică. Centralele de semi-vârf, cu o scădere a sarcinii electrice totale, fie sunt transferate la o capacitate redusă, fie sunt puse în standby.
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 de centrale electrice. Pentru centralele pe combustibili fosili, fiecare turbină este furnizată cu abur de la una sau două cazane conectate la aceasta. Cu o schemă non-bloc de TPP, aburul de la toate cazanele intră pe o linie comună și este distribuit de acolo către turbinele individuale.
La centralele electrice în condensare care fac parte din sistemele mari de energie se folosesc numai sisteme bloc cu reîncălzire a aburului. Circuitele non-bloc cu legături încrucișate cu 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. Schema generală a TPP (vezi Fig. 1.1) reflectă succesiunea unei astfel de transformări a unor tipuri de energie în altele și utilizarea unui fluid de lucru (apă, abur) în ciclul unei centrale termice. Combustibilul (în acest caz cărbunele) arde într-un cazan, încălzește apa și o transformă în abur. Aburul este alimentat în turbine care transformă energia termică a aburului în energie mecanică și antrenează generatoarele pentru a genera 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 schema termică aleasă, de tipul de combustibil utilizat și de tipul sistemului de alimentare cu apă.
Echipamentele principale ale centralei includ: centrale termice și turbine cu un generator electric și un condensator. Aceste unități sunt standardizate în ceea ce privește puterea, parametrii de abur, performanța, tensiunea și curentul etc. Tipul și cantitatea echipamentului principal al unei centrale termice corespund puterii date și modului prevăzut de funcționare a acesteia. Există, de asemenea, echipamente auxiliare care servesc la furnizarea de căldură consumatorilor și la utilizarea aburului de turbină 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 instalație de dezaerare-alimentare, o instalație de condensare, o centrală de încălzire (pentru o centrală de cogenerare), sisteme tehnice de alimentare cu apă, alimentare cu ulei, încălzire regenerativă a apei de alimentare, tratare chimică a apei, distribuție și transport electricitate (a se vedea secțiunea 4).
Toate instalațiile cu turbine cu abur utilizează încălzirea cu apă de alimentare regenerativă, ceea ce crește semnificativ eficiența termică și generală a centralei electrice, deoarece în schemele cu încălzire regenerativă, fluxurile de abur evacuate de la turbină către încălzitoarele regenerative funcționează 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, freztorf), sunt utilizate cazane cu aspect în formă de U, T și turn și o cameră de ardere proiectată pentru un anumit tip de combustibil. Pentru combustibilii cu cenusa fuzibila se folosesc cazane cu eliminarea cenusii lichide. În același timp, se obține o captare mare (până la 90%) de cenușă în cuptor și se reduce uzura abrazivă a suprafețelor de încălzire. Din aceleași motive, pentru combustibilii cu conținut ridicat de cenușă, cum ar fi șisturile bituminoase și deșeurile de preparare a cărbunelui, se folosesc cazane de abur cu o configurație în patru treceri. La centralele termice, de regulă, se folosesc cazane cu tambur sau cu trecere o dată.
Turbinele și generatoarele electrice sunt consecvente la scară de putere. Fiecare turbină corespunde unui anumit tip de generator. Pentru centralele termocondensante in bloc, puterea turbinelor corespunde puterii unitatilor, iar numarul unitatilor este determinat de puterea data a centralei. Unitățile moderne folosesc turbine de condensare de 150, 200, 300, 500, 800 și 1200 MW cu reîncălzire cu abur.
CCE utilizează turbine (vezi subsecțiunea 4.2) cu contrapresiune (tip P), cu extracție aburului de condensare și producție (tip P), cu condensare și una sau două extracții de căldură (tip T), precum și cu condensare, abur industrial și de extracție termică. (tip PT). Turbinele de tip PT pot avea și una sau două extrageri de căldură. Alegerea tipului de turbină depinde de mărimea și raportul sarcinilor termice. Dacă predomină sarcina de încălzire, atunci pe lângă turbinele PT pot fi instalate turbine de tip T cu extracție de căldură, iar dacă predomină sarcina industrială pot fi instalate turbine de tip PR și R cu extracție industrială și contrapresiune.
În prezent, la CHPP, cele mai utilizate sunt instalațiile cu o putere electrică de 100 și 50 MW, care funcționează la parametri inițiali de 12,7 MPa, 540–560 ° C. Pentru CHPP-urile din orașele mari au fost create instalații cu o capacitate electrică de 175–185 MW și 250 MW (cu o turbină T-250-240). Unitățile 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 la un moment dat trebuie să corespundă pe deplin cu energia consumată. Cea mai mare parte a centralelor electrice funcționează în paralel în sistemul energetic integrat, acoperind sarcina electrică totală a sistemului, iar CET acoperă simultan sarcina termică a zonei sale. Există centrale electrice locale concepute pentru a deservi zona și nu sunt conectate la sistemul general de alimentare.
Se numește o reprezentare grafică a dependenței consumului de energie în timp programul de sarcină electrică. Programele zilnice ale sarcinii electrice (Fig. 1.5) variază în funcție de perioada anului, ziua săptămânii și sunt de obicei caracterizate de o sarcină minimă pe timp de noapte și o sarcină maximă la orele de vârf (partea de vârf a graficului). Alături de orarele zilnice au o mare importanță și graficele anuale ale sarcinii electrice (Fig. 1.6), care se construiesc după orarele zilnice.
Graficele de sarcină electrică sunt utilizate în planificarea sarcinilor electrice ale centralelor și sistemelor electrice, distribuirea sarcinilor între centrale și unități individuale, în calculele pentru alegerea compoziției echipamentelor de lucru și de rezervă, determinarea puterii instalate necesare și a rezervei necesare, numărul și puterea unitară a unităților, în elaborarea planurilor de reparații a echipamentelor și determinarea rezervei de reparații etc.
Când funcționează la sarcină maximă, echipamentele centralei electrice se dezvoltă nominal sau cel mai lung puterea (capacitatea), care este principala caracteristică a pașaportului unității. La această putere maximă (productivitate), 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 de funcționare al centralei electrice. Pentru centralele cu sarcină de bază, numărul de ore de utilizare a capacității instalate este de 6000–7500 h/an, iar pentru cele care funcționează în regim de sarcină de vârf, mai puțin de 2000–3000 h/an.
Sarcina la care unitatea funcționează cu cea mai mare eficiență se numește sarcină economică. Sarcina nominală continuă poate fi egală cu cea economică. Uneori este posibilă funcționarea pe termen scurt a echipamentelor cu o sarcină cu 10-20% mai mare decât sarcina nominală, cu o eficiență mai mică. Dacă echipamentele centralei electrice 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 calculate, sau cu sarcini instabile. nestaționare sau moduri variabile. În cazul modurilor variabile, unii parametri rămân neschimbați și au valori nominale, în timp ce alții se modifică în anumite limite admisibile. Deci, 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 au loc, de exemplu, la pornirea și oprirea echipamentului, descărcarea și preluarea sarcinii pe un turbogenerator, atunci când funcționează pe parametrii de alunecare și sunt numite nestaționare.
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. Pentru scopuri industriale, presiunea aburului este de obicei necesară de la 0,15 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. Pentru încălzire, ventilație și nevoi menajere, centrala de cogenerare furnizează de obicei apă caldă cu o temperatură de 70 până la 180°C.
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 exploatării TPP 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 TPP. De exemplu, în fig. 1.9 (a, b) arată bilanțele termice aproximative ale CHP și IES.
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 TPP 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 HPP) de a genera energie fără fluctuații sezoniere de putere;
- zona de înstrăinare și retragere din circulația economică a terenurilor pentru construcția și exploatarea centralelor termice, de regulă, este mult mai mică decât este necesar pentru centralele nucleare și hidrocentrale;
- Centralele termice sunt construite mult mai rapid decât centralele hidroelectrice sau centralele nucleare, iar costul lor unitar pe unitatea de capacitate instalată este mai mic comparativ cu centralele nucleare.
- În același timp, TPP-urile au dezavantaje majore:
- exploatarea centralelor termice necesită de obicei mult mai mult personal decât pentru centralele hidroelectrice, ceea ce este asociat cu deservirea unui ciclu de combustibil la scară foarte mare;
- funcționarea TPP-urilor depinde de aprovizionarea cu resurse de combustibil (cărbune, păcură, gaz, turbă, șisturi bituminoase);
- variabilitatea modurilor de funcționare a centralelor termice reduce eficiența, crește consumul de combustibil și duce la creșterea uzurii echipamentelor;
- centralele termice existente se caracterizează prin randament relativ scăzut. (în principal până la 40%);
- Centralele termice au un impact direct și negativ asupra mediului și nu sunt surse de energie electrică „curate” din punct de vedere ecologic.
- Cele mai mari pagube aduse ecologiei regiunilor înconjurătoare sunt cauzate de centralele pe cărbune, în special de cărbune cu conținut ridicat de cenuşă. Dintre TPP-uri, cele mai „curate” sunt stațiile 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, o cantitate mare de oxizi de azot și dioxid de carbon (care provoacă așa-numitul efect de seră și duc la schimbările climatice globale pe termen lung), absorbind cantități mari de oxigen. În plus, până acum s-a stabilit că excesul de fond de radiație în jurul centralelor termice pe cărbune este, în medie, de 100 de ori mai mare în lume decât în apropierea unei centrale nucleare de aceeași capacitate (cărbunele conține aproape întotdeauna uraniu, toriu). și un izotop radioactiv de carbon ca urme de impurități). Cu toate acestea, tehnologiile bine stabilite pentru construcția, echiparea și exploatarea centralelor termice, precum și costul mai mic al construcției acestora, duc la faptul că centralele termice reprezintă cea mai mare parte a producției mondiale de energie electrică. Din acest motiv, se acordă multă atenție îmbunătățirii tehnologiilor TPP și reducerii impactului lor negativ asupra mediului în întreaga lume (a se vedea Secțiunea 6).
Principalul tip de centrale electrice din Rusia sunt termice (TPP). 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 de extragere a combustibilului. Centralele termice care utilizează combustibil transportabil, cu conținut ridicat de calorii, sunt orientate spre consumator.
Centralele termice folosesc resurse larg răspândite de combustibil, sunt relativ libere să se desfășoare și sunt capabile să genereze electricitate fără fluctuații sezoniere. Construcția lor se realizează rapid și este asociată cu costuri mai mici cu forța 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 situației de mediu. TPP-urile 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 o cantitate uriașă de oxigen. S-a stabilit că cărbunele în microdoze conține aproape întotdeauna U 238 , Th 232 și un izotop radioactiv de carbon. Majoritatea TPP-urilor din Rusia nu sunt echipate sisteme eficiente purificarea gazelor de ardere din oxizi de sulf și azot. Deși instalațiile care funcționează cu gaze naturale sunt mult mai curate din punct de vedere ecologic decât instalațiile de cărbune, șist și păcură, instalarea conductelor de gaz dăunează naturii (mai ales în regiunile nordice).
Centrala termica este un set 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 raionali (întreprinderi industriale, transport, populație etc.). Centralele raionale în condensare, care produc în principal energie electrică, își păstrează adesea denumirea istorică - GRES (centrale raionale de stat). Centralele raionale care produc energie electrică și căldură (sub formă de abur sau apă caldă) se numesc centrale termice și electrice combinate (CHP). CET-urile sunt instalații pentru producerea combinată de energie electrică și căldură. Eficiența lor ajunge la 70% față de 30-35% la IES. Centralele de cogenerare sunt legate de consumatori, pentru că raza transferului de căldură (abur, apă caldă) este de 15-20 km. Capacitatea maximă a unui CHPP este mai mică decât a unui IES.
De regulă, centralele raionale de stat și centralele termice regionale au o capacitate de peste 1 milion kW.
Centralele industriale sunt centrale care furnizează căldură și energie electrică unor întreprinderi industriale specifice sau complexului acestora, de exemplu, o instalație pentru producerea de produse chimice. Centralele industriale fac parte din întreprinderile industriale pe care le deservesc. Capacitatea lor este determinată de nevoile întreprinderilor industriale de căldură și electricitate și, de regulă, este semnificativ mai mică decât cea a centralelor termice regionale. Adesea, centralele industriale funcționează pe o rețea electrică comună, dar nu sunt subordonate managerului sistemului de alimentare. Doar centralele regionale sunt luate în considerare mai jos.
2. După 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 (CPP). Combustibilul nuclear este utilizat de centralele nucleare (CNP). În acest sens va fi folosit mai jos acest termen, deși CET, CNE, centrale cu turbine cu gaz (GTPP) și centrale cu ciclu combinat (CCPP) sunt și centrale termice care funcționează pe principiul conversiei energiei termice în energie electrică. energie.
Rolul principal în rândul instalațiilor termice este jucat de centralele electrice în condensare (CPP). Acestea gravitează atât spre sursele de combustibil, cât și către consumatori și, prin urmare, sunt foarte răspândite. Cu cât este mai mare IES, cu atât mai departe poate transmite energie electrică, 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. Orientarea către baze de combustibil are loc în prezența resurselor de combustibil ieftin și netransportabil (cărbune lignit al bazinului Kansk-Achinsk) sau în cazul centralelor electrice care utilizează turbă, șist și păcură (asemenea IES-uri sunt de obicei asociate cu rafinarea petrolului). centre). Majoritatea TPP-urilor din Rusia, în special în partea europeană, consumă gaz natural ca combustibil principal, iar păcură ca combustibil de rezervă, folosindu-l pe acesta din urmă doar în cazuri extreme datorită costului ridicat; astfel de centrale termice se numesc pe ulei. În multe regiuni, în principal în partea asiatică a Rusiei, principalul combustibil este cărbunele cu abur - cărbune cu conținut scăzut de calorii sau deșeuri de cărbune cu conținut ridicat de calorii (nămol de antracit - ASh). Deoarece astfel de cărbuni sunt măcinați în mori speciale până la o stare pulverizată înainte de ardere, astfel de centrale termice sunt numite cărbune pulverizat.
3. După tipul de centrale termice utilizate la centralele termice pentru transformarea energiei termice în energie mecanică de rotație a rotoarelor unităților de turbină, se disting turbina cu abur, turbina cu gaz și centralele cu ciclu combinat.
Baza centralelor electrice cu turbine cu abur sunt centralele cu turbine cu abur (STP), 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, centralelor termice și 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 utilizate pentru a furniza energie termică unui consumator extern. Astfel de centrale electrice se numesc GTU-CHP. În prezent, există un GTPP care operează în Rusia (GRES-3 numit după Klasson, Elektrogorsk, Regiunea Moscova) cu o capacitate de 600 MW și un GTU-CHPP (în Elektrostal, Regiunea Moscova).
Centrale termice cu ciclu combinat sunt echipate cu centrale cu ciclu combinat (CCGT), care sunt o combinație de GTU și PTU, care permite o eficiență ridicată. CCGT-TPP-urile pot fi în condensare (CCGT-CES) și cu putere termică (CCGT-CHP). În Rusia, există un singur CCGT-CHP (CCGT-450T) care funcționează cu o capacitate de 450 MW. Nevinnomysskaya GRES operează o unitate de putere CCGT-170 cu o capacitate de 170 MW, iar o unitate de putere CCGT-300 cu o capacitate de 300 MW operează la CHPP Yuzhnaya din Sankt Petersburg.
4. Conform schemei tehnologice a conductelor de abur, TPP-urile sunt împărțite în TPP-uri bloc și TPP-uri cu conexiuni transversale.
TPP-urile bloc constau, de regulă, din același tip de centrale electrice - unități de putere. În unitatea de alimentare, fiecare cazan furnizează abur doar pentru propria turbină, din care se întoarce după condens doar la propriul cazan. Conform schemei de bloc, sunt construite toate centralele raionale de stat puternice și centralele termice, care au așa-numita supraîncălzire intermediară a aburului. Funcționarea cazanelor și turbinelor la TPP-uri cu legături încrucișate este asigurată în mod diferit: toate cazanele TPP-urilor furnizează abur la o conductă de abur comună (colector) și toate turbinele cu abur ale TPP-urilor sunt alimentate din aceasta. Conform acestei scheme, CPP-urile sunt construite fără supraîncălzire intermediară și aproape toate CHPP-urile sunt construite pentru parametrii inițiali de abur subcritici.
5. După nivelul presiunii inițiale, se disting TPP-urile de presiune subcritică și presiunea supercritică (SKP).
Presiunea critică este de 22,1 MPa (225,6 atm). În industria termoenergetică din Rusia, parametrii inițiali sunt standardizați: centralele termice și centralele termice 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 pentru parametrii supercritici, din motive tehnice, se realizează cu reîncălzire și conform unei scheme bloc. Adesea, centralele termice sau centralele termice sunt construite în mai multe etape - în etape, ai căror parametri sunt îmbunătățiți odată cu introducerea fiecărei etape noi.
Luați în considerare o centrală termică tipică în condensare care funcționează cu combustibil organic (Fig. 3.1).
Orez. 3.1. Bilanțul termic al petrolului și gazelor
cărbune pulverizat (numerele între paranteze) TPP
Combustibilul este furnizat cazanului și pentru arderea acestuia, aici este furnizat și un agent 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 generarea de energie electrică, pentru a cărei livrare în zona de ardere este 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 CO 2 și oxizi de 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 de temperatură ridicată. Energia termică a produselor de ardere a combustibilului este sursa de energie electrică generată de TPP-uri.
Mai departe 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 TPP prin coș. O parte 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 turbinei se menține un vid profund cu ajutorul unui aparat 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 a intrat în turbină cu presiune ridicată, se deplasează în condensator, unde presiunea este scăzută, și se extinde. Expansiunea aburului este cea care asigură conversia energiei sale potențiale în lucru mecanic. Turbina cu abur este proiectată în așa fel încât energia de expansiune a aburului să fie convertită în ea în rotația rotorului său. Rotorul turbinei este conectat la rotorul generatorului, în înfășurările statorului cărora se generează energie electrică, care este finala produs util(bunuri) funcționare a TPP.
Condensatorul, care nu numai că menține presiunea în aval de turbină, dar și face ca aburul să se condenseze (se transformă în apă), necesită o cantitate mare de apă rece pentru a funcționa. Acesta este al treilea tip de „materie primă” furnizat TPP-urilor, iar pentru funcționarea TPP-urilor 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 la TPP-uri are loc datorită transferului căldurii de condensare către apa de răcire, care apoi o dă mediului. Odată cu căldura apei de răcire, se pierde mai mult de 50% din căldura furnizată TPP cu combustibil. În plus, ca urmare, are loc poluarea termică a mediului.
O parte din energia termică a combustibilului este consumată în interiorul CTE fie sub formă de căldură (de exemplu, pentru încălzirea păcurului furnizat CET în formă groasă în rezervoarele de cale ferată), fie sub formă de energie electrică (de exemplu, pentru conducere motoare electrice ale pompelor pentru diverse scopuri). Această parte a pierderilor se numește nevoi proprii.
Pentru funcționarea normală a unei centrale 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 sfârșit, centralele termice puternice sunt deservite de un număr mare de personal care asigură funcționarea curentă, întreținere echipamente, analiza indicatorilor tehnico-economici, aprovizionare, management etc. Aproximativ, putem presupune că este necesară 1 persoană pentru 1 MW de capacitate instalată și, prin urmare, personalul unui TPP puternic este de câteva mii de oameni. Orice centrală electrică cu turbină cu abur cu condensare include patru elemente obligatorii:
un cazan electric, sau pur și simplu un cazan, în care este furnizată apă de alimentare sub presiune înaltă, 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 la o temperatură de 540°C și o presiune de 13–24 MPa este alimentat prin una sau mai multe conducte către turbina cu abur;
o unitate de turbină constând dintr-o turbină cu abur, un generator electric și un excitator. O turbină cu abur, în care aburul se extinde la o presiune foarte scăzută (de aproximativ 20 de ori mai mică decât presiunea atmosferică), transformă energia potențială a aburului comprimat și încălzit într-un abur la temperatură ridicată 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. Generatorul electric este alcătuit dintr-un stator, în înfășurările electrice ale căruia se generează curent, și un rotor, care este un electromagnet rotativ, care este alimentat de un excitator;
Condensatorul servește la condensarea aburului care provine din turbină și la crearea unui vid profund. Acest lucru face posibilă reducerea 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;
· o pompă de alimentare pentru alimentarea cu apă de alimentare a cazanului și pentru crearea unei presiuni mari în fața turbinei.
Astfel, în PTU de deasupra fluidului de lucru are loc un ciclu continuu de conversie a energiei chimice a combustibilului ars în energie electrică.
Pe lângă elementele enumerate, un PTU adevărat conține în plus un număr mare de pompe, schimbătoare de căldură și alte dispozitive necesare creșterii eficienței sale. Proces tehnologic producerea de energie electrică la o centrală termică 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 instalație de turbină cu abur care transformă căldura aburului în energie mecanică de rotație a rotorului unității de turbină și dispozitive electrice (generator electric, transformator etc.) care asigură generarea de energie electrică.
Elementul principal al centralei de cazane este cazanul. Gazul pentru funcționarea cazanului este furnizat de la stația de distribuție a gazelor conectată la conducta principală de gaz (nu este prezentată în figură) la punctul de distribuție a gazului (GRP) 1. Aici presiunea acestuia este redusă la câteva atmosfere și este alimentată. la arzatoare 2 situat în partea inferioară a cazanului (astfel de arzătoare se numesc arzătoare de jos).
Orez. 3.2. Proces tehnologic de producere a energiei electrice la o centrală termică pe gaz
Cazanul în sine este o structură în formă de U cu canale dreptunghiulare de gaz. Partea stângă se numește focar. Interiorul cuptorului este liber, iar arderea combustibilului, în acest caz gaz, are loc în el. Pentru a face acest lucru, aerul cald este furnizat în mod continuu arzătoarelor printr-un ventilator special 28, încălzit într-un încălzitor de aer 25. În fig. 3.2 prezintă un așa-numit încălzitor rotativ de aer, al cărui ambalaj de stocare a căldurii este încălzit de gazele de ardere ieșite 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, cu un ventilator special de recirculare 29 este furnizat aerului principal și amestecat cu acesta. Aerul cald este amestecat cu gaz și introdus prin arzătoarele cazanului în cuptorul său - camera în care este ars combustibilul. La ardere, se formează o torță, care este o sursă puternică de energie radiantă. Astfel, în timpul arderii combustibilului, energia chimică a acestuia este transformată în energie termică și radiantă a pistoletului.
Pereții cuptorului sunt căptușiți cu ecrane 19 - țevi la care se alimentează apa de alimentare de la economizorul 24. Diagrama prezintă așa-numitul cazan cu trecere o dată, în ecranele cărora apa de alimentare, care trece prin sistemul de conducte al cazanului o singură dată, se încălzește și se evaporă, transformându-se în abur uscat saturat. 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 cuptorului cazanului este destul de dens umplut cu țevi în interiorul cărora se mișcă aburul sau apa. În exterior, aceste conducte sunt spălate de gazele de ardere fierbinți, care se răcesc treptat pe măsură ce se deplasează către coșul 26.
Aburul saturat uscat intră în supraîncălzitorul principal, format din tavan 20, ecran 21 și elemente convective 22. În supraîncălzitorul principal, temperatura acestuia crește și, în consecință, energia potențială. Aburul de parametri înalți obținut la ieșirea din supraîncălzitorul convectiv părăsește cazanul și intră prin conducta de abur în turbina cu abur.
O turbină puternică cu abur constă de obicei din mai multe, parcă, turbine separate - cilindri.
Primului cilindru - cilindrul de înaltă presiune (HPC) 17 este furnizat direct de la cazan și, prin urmare, are parametri înalți (pentru turbinele SKD - 23,5 MPa, 540 ° С, adică 240 at/540 °С). La ieșirea HPC, presiunea aburului este de 3–3,5 MPa (30–35 atm), iar temperatura este de 300–340 °C. Dacă aburul ar continua să se extindă în turbină mai mult de la acești parametri până la presiunea din condensator, atunci 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 la așa-numitul supraîncălzitor intermediar 23. În acesta, aburul cade din nou sub influența gazelor fierbinți ale cazanului, temperatura acestuia crește la temperatura 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 atm), aburul intră într-unul sau mai multe cilindri identici 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 TPP și eliberează restul de energie electrică în sistemul de alimentare.
Atât cazanul, cât și turbina pot funcționa doar la foarte mult calitate superioară alimentare cu apă și abur, permițând doar impurități neglijabile ale altor 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 într-o secundă, trece prin turbină și condensează). Prin urmare, funcționarea normală a unității de putere este posibilă numai atunci când se creează un ciclu închis de circulație a 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 apă de răcire, alimentată pompă de circulație 9 dintr-un râu, rezervor sau dispozitiv special de răcire (turn de răcire).
Turnul de răcire este un turn de evacuare gol din beton armat (Fig. 3.3) cu o înălțime de până la 150 m și cu un diametru de evacuare de 40–70 m, care creează autotirant pentru aerul care intră de jos prin scuturile 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, din cauza căreia apa care vine din condensator și încălzită în acesta este răcită. Apa răcită este colectată dedesubt în bazin, curge în camera anterioară 10 și de acolo este alimentată de pompa de circulație 9 către condensatorul 12 (Fig. 3.2).
| Orez. 3.3. Turn de răcire cu tiraj natural |
| Orez. 3.4. Aspect turn de racire |
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 spațiul inelar al 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 din cauza căldurii de condensare a aburului preluat din turbină. . Acest lucru reduce consumul de combustibil în cazan și crește randamentul centralei electrice. În dezaeratorul 8 are loc dezaerarea - îndepărtarea gazelor dizolvate în acesta din condens care perturbă funcționarea cazanului. Totodată, rezervorul dezaeratorului este un recipient pentru apa de alimentare a cazanului.
De la dezaerator, apa de alimentare este furnizată de pompa de alimentare 7, antrenată de un motor electric sau de o turbină specială cu abur, către un grup de încălzitoare de înaltă presiune (HPH).
Încălzirea regenerativă a condensului în HDPE și HPH este modalitatea principală și foarte profitabilă de a crește eficiența TPP-urilor. Aburul, care s-a extins în turbină de la intrarea la conducta de extracție, a generat o anumită putere și, după ce a intrat în încălzitorul regenerativ, și-a transferat căldura de condensare în apa de alimentare (și nu în cea de răcire!), ridicându-și. temperatură și astfel economisiți consumul de combustibil în cazan. Temperatura apei de alimentare a cazanului în aval de HPH, de ex. inainte de a intra in cazan este, in functie de parametrii initiali, 240–280°C. Astfel, ciclul tehnologic abur-apă de conversie a energiei chimice a combustibilului în energia mecanică de rotație a rotorului unității de turbină este închis.