Принцип роботи і будова теплової електростанції (ТЕС/ТЕЦ)

Принцип роботи теплоелектроцентралі (ТЕЦ) заснований на унікальній властивості водяної пари – бути теплоносієм. У розігрітому стані, перебуваючи під тиском, вона перетворюється на потужне джерело енергії, що приводить в рух турбіни теплоелектростанцій (ТЕС) — спадщина такої вже далекої епохи пара.

Перша теплова електростанція була побудована в Нью-Йорку на Перл-Стріт (Манхеттен) в 1882 році. Як це ні дивно, але навіть у наш час високих технологій ТЕС так і не знайшлося повноцінної заміни: їх частка в світовій енергетиці становить понад 60 %.

І цьому є просте пояснення, в якому укладені переваги та недоліки теплової енергетики. Її «кров» — органічне паливо (вугілля, мазут, горючі сланці, торф і природний газ, як і раніше, відносно доступні, а їх запаси досить великі.

Великим мінусом є те, що продукти спалювання палива заподіюють серйозої шкоди навколишньому середовищу. Та й природна комора одного разу остаточно скінчиться, й тисячі ТЕС перетворяться на іржаві «пам’ятники» нашої цивілізації.

Принцип роботи

Для початку варто визначитися з термінами «ТЕЦ» і «ТЕС». Говорячи зрозумілою мовою – вони рідні сестри. «Чиста» теплоелектростанція – ТЕС розрахована виключно на виробництво електроенергії. Її інша назва «конденсаційна електростанція» – КЕР.

Теплоелектроцентраль – ТЕЦ — різновид ТЕС. Вона, крім генерації електроенергії, здійснює подачу гарячої води у центральну систему опалення та для побутових потреб.

Схема роботи ТЕЦ досить проста. В топку одночасно надходять паливо та розігріте повітря — окислювач. Найбільш поширене паливо на ТЕЦ – подрібнене вугілля. Тепло від згоряння вугільного пилу перетворює воду, що надходить у котел в пару, яка потім під тиском подається на парову турбіну. Потужний потік пари змушує її обертатися, приводячи в рух ротор генератора, який перетворює механічну енергію в електричну.

 

Далі пара, що вже значно втратила свої початкові показники – температуру та тиск – потрапляє в конденсатор, де після холодного водяного душа вона знову стає водою. Потім конденсатний насос перекачує її в регенеративні нагрівачі й далі — в деаератор. Там вода звільняється від газів – кисню та СО2, які можуть викликати корозію. Після цього вода знову підігрівається від пари та подається назад в котел.

Теплопостачання

Друга, не менш важлива функція ТЕЦ – забезпечення гарячою водою (парою), призначеної для систем центрального опалення прилеглих населених пунктів та побутового використання. У спеціальних подігрівачах холодна вода нагрівається до 70 градусів влітку та 120 градусів взимку, після чого мережевими насосами подається в загальну камеру змішування й далі по системі тепломагістралей надходить до споживачів. Запаси води на ТЕЦ постійно поповнюються.

Як працюють ТЕС на газі

У порівнянні з вугільними ТЕЦ, ТЕС, де встановлені газотурбінні установки, набагато більш компактні та екологічні. Досить сказати, що станції не потрібен паровий котел. Газотурбінна установка – це по суті той же турбореактивний авіадвигун, де, на відміну від нього, реактивний струмінь не викидається в атмосферу, а обертає ротор генератора. При цьому викиди продуктів згоряння мінімальні.

Нові технології спалювання вугілля

ККД сучасних ТЕЦ обмежений 34 %. Абсолютна більшість теплових електростанцій досі працюють на вугіллі, що пояснюється досить просто — запаси вугілля на Землі, як і раніше, величезні, тому частка ТЕС у загальному обсязі виробленої електроенергії становить близько 25 %.

Процес спалювання вугілля багато десятиліть залишається практично незмінним. Однак і сюди прийшли нові технології.

Чисте спалювання вугілля (Clean Coal)

Особливість даного методу полягає в тому, що замість повітря в якості окислювача при спалюванні вугільного пилу використовується виділений з повітря чистий кисень. В результаті, з димових газів видаляється шкідлива домішка – NОx. Інші шкідливі домішки фільтруються в процесі декількох ступенів очищення. СО2, що залишився на виході, закачується в ємності під великим тиском і підлягає захороненню на глибині до 1 км.

Метод «oxyfuel capture»

Тут також при спалюванні вугілля в якості окислювача використовується чистий кисень. Тільки на відміну від попереднього методу в момент згоряння утворюється пара, що приводить турбіну в обертання. Потім з димових газів видаляються зола та оксиди сірки, проводиться охолодження та конденсація. Вуглицевий газ, що залишився  під тиском 70 атмосфер переводиться в рідкий стан і поміщається під землю.

Метод «pre-combustion»

Вугілля спалюється в «звичайному» режимі – в суміші з повітрям. Після цього видаляється зола та SO2 – оксид сірки. Далі відбувається видалення СО2 за допомогою спеціального рідкого абсорбенту, після чого він утилізується шляхом поховання.

П’ятірка найбільш потужних теплоелектростанцій світу

Першість належить китайській ТЕС Tuoketuo потужністю 6600 МВт (5 ен/бл. х 1200 МВт), що займає площу 2,5 кв. км. За нею йде її співвітчизниця» — Тайчжунская ТЕС потужністю 5824 МВт. Трійку лідерів замикає Сургутская ГРЕС-2 – 5597,1 МВт в Росії. На четвертому місці польська Белхатувська ТЕС – 5354 МВт, і п’ята – Futtsu CCGT Power Plant (Японія) – газова ТЕС потужністю 5040 МВт.