VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Оглавление

Введение 3

1. Общая характеристика отрасли и основные потребители 3

2. Устройство и функционирование ТЭС 7

3. Развитие отрасли 11

Заключение 13

Литература 14

Введение

Теплоэнергетика – отрасль теплотехники, занимающаяся преобразованием теплоты в другие виды энергии, главным образом в механическую и электрическую. Механическая энергия генерируется в теплосиловых установках, а используется для привода каких-либо рабочих машин или электромеханических генераторов, с помощью которых вырабатывается электроэнергия. Для прямого преобразования теплоты в электроэнергию служат термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи; перспективны быстро совершенствуемые магнитогидродинамические генераторы.

Развитие теплоэнергетики всегда играло одну из ведущих ролей в процессах становления народного хозяйства во многих странах мира. [2, 6]

1. Общая характеристика отрасли и основные потребители

Теплоэнергетика сегодня является ведущей отраслью мировой энергетики. Переработка нефти дает около 39% от мирового потребления электроэнергии, угля – примерно 27%, газ – до 24%. Получается, что на долю теплоэнергетики приходится 90% от суммарно выработанного объема электростанций мира. В России используется комбинированное производство, и треть мощности тепловых электростанций приходится на теплоэлектроцентрали, обеспечивающие не только производство электроэнергии, но и участвующие в системах централизованного теплоснабжения. При этом тепловые электростанции составляют основу нашей электроэнергетики, вырабатывая до 70% электроэнергетики (рис. 1).

Рисунок 1. Схема производства электроэнергии в России [4]

Основной тип электростанций в РФ – тепловые, работающие на органическом топливе (уголь, газ, мазут, сланцы, торф). Основную роль играют мощные ГРЭС – государственные районные электростанции, обеспечивающие потребности районов и работающие в энергосистемах. На размещение тепловых электростанций оказывают основное влияние топливный и потребительский факторы. Наиболее мощные ТЭС расположены в местах добычи топлива, чем крупнее электростанция, тем дальше она может передавать электроэнергию. Тепловые электростанции, работающие на низкокачественном угле, как правило, тяготеют к местам его добычи. Для электростанций на мазуте оптимально их размещение рядом с нефтеперерабатывающими заводами. Электростанции на газе ввиду сравнительно низкой величины затрат на его транспортировку преимущественно тяготеют к потребителю (рис. 2). Причем в первую очередь переводят на газ электростанции крупных и крупнейших городов, так как он является более чистым в экологическом отношении топливом, чем уголь и мазут. ТЭЦ (производящие и тепло, и электроэнергию) тяготеют к потребителю независимо от топлива, на котором они работают (теплоноситель при передаче на расстояние быстро остывает).

Рисунок 2. Размещение ТЭС по типу используемого топлива [4]

Тепловые энергетические установки в отличие от гидроэлектростанций размещаются относительно свободно и способны вырабатывать электричество без сезонных колебаний, связанных с изменением стока. Их строительство ведется быстрее и связано с меньшими затратами труда и материальных средств. Но электроэнергия, полученная на ТЭС, относительно дорогостоящая. Конкурировать с ГЭС и АЭС могут лишь энергоустановки, использующие газ. Себестоимость электроэнергии, выработанной на угольных и мазутных ТЭС выше в 2–3 раза (рис. 3).

Рисунок 3. Производство электроэнергии тепловыми электростанциями России (в млрд кВт•ч) и мощность тепловых электростанций России (в ГВт) в 1991—2010 годах [6]

Многие ТЭС наряду с производством электроэнергии вырабатывают пар и горячую воду – это ТЭЦ. Они размещаются близко от потребителя и очень водоемкие (рис. 4).

Рисунок 4. Распределение по регионам основных энергетических компаний [4]

Самыми крупными тепловыми электростанциями мощностью более 3,5 млн. кВт каждая являются Сургутская (в Ханты-Мансийском автономном округе), Рефтинская (в Свердловской области) и Костромская ГРЭС. Мощность более 2 млн. кВт имеют Киришская (около Санкт-Петербурга), Рязанская (Центральный район), Новочеркасская и Ставропольская (Северный Кавказ), Заинская (Поволжье), Рефтинская и Троицкая (Урал), Нижневартовская и Березовская в Сибири. Сургутская ГРЭС работает на природном газе (является крупнейшей на Евразийском континенте), Рефтинская – на угле. Геотермические электростанции, использующие глубинное тепло Земли, привязаны к источнику энергии. В России на Камчатке действуют Паужетская и Мутновская ГТЭС.

Крупнейшее в России средоточие ТЭС – Подмосковье. Здесь имеются два кольца крупнейших теплоэнергетических установок: внешнее, представленное ГРЭС (Шатурская и Каширская, построенные по плану ГОЭЛРО, а также Конаковская), и внутреннее – московские ТЭЦ. Суммарная мошность всех этих энергоустановок чуть меньше 10 тыс. МВт, что превосходит установленную мощность Сургутских ГРЭС.

В структуре потребления электроэнергии выделяется промышленность – 36%, ТЭК – 18%, жилой сектор – 15%, значительны потери в сетях, достигающие 11,5% . По регионам структура резко отличается – от высокой доли ТЭК в Западной Сибири и энерогоемкой промышленности в Сибирской системе, до высокой доли жилого сектора в густонаселенных регионах европейской части.

Железнодорожный транспорт – крупный и особенно важный для хозяйства страны потребитель энергии. [1, 2, 3, 6]

2. Устройство и функционирование ТЭС

Тепловая энергетика производит свыше 2/3 электроэнергии страны.

Тепловой электростанцией называется комплекс оборудования и устройств, преобразующих энергию топлива в электрическую и тепловую энергию. Они характеризуются большим разнообразием и их можно классифицировать по различным признакам:

- по назначению и виду отпускаемой энергии электростанции разделяются на районные и промышленные.

Районные электростанции ГРЭС – это самостоятельные электростанции общего пользования, которые обслуживают все виды потребителей района (промышленные предприятия, транспорт, население и т.д.) и имеют мощность более 1 млн кВт.

Промышленные электростанции – это электростанции, обслуживающие тепловой и электрической энергией конкретные производственные предприятия или их комплекс, например, завод по производству химической продукции. Их мощность определяется потребностями промышленных предприятий в энергии и, как правило, она существенно меньше, чем районных ТЭС.

- по виду используемого топлива тепловые электростанции делятся на электростанции, использующие органическое топливо или ядерное горючее.

За конденсационными электростанциями, работающими на органическом топливе, во времена, когда еще не было атомных электростанций, исторически сложилось название тепловых, хотя и ТЭЦ и АЭС, и газотурбинные и парогазовые электростанции также являются тепловыми, работающими на принципе преобразования тепловой энергии в электрическую.

Большинство ТЭС России, особенно в европейской части, используют в качестве основного топлива природный газ, а в качестве резервного топлива – мазут, используя последний только в крайних случаях из-за его дороговизны; такие ТЭС называют газомазутными. Во многих регионах, в основном в азиатской части России, основным топливом является энергетический уголь – низкокалорийный уголь или отходы высококалорийного каменного угля. Поскольку перед сжиганием такие угли перемалываются до пылевого состояния в специальных мельницах, такие ТЭС называют пылеугольными.

- по типу теплосиловых установок, используемых на ТЭС для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения роторов турбоагреатов, различают паротурбинные, газотурбинные и парогазовые электростанции.

Основой паротурбинных электростанций являются паротурбинные установки (ПТУ), которые для преобразования тепловой энергии в механическую используют самую сложную, самую мощную и чрезвычайно совершенную энергетическую машину – паровую турбину. ПТУ – основной элемент ТЭС, ТЭЦ и АЭС.

Газотурбинные тепловые электростанции (ГТЭС) оснащаются газотурбинными установками (ГТУ), работающими на газообразном или, в крайнем случае, жидком (дизельном) топливе. Поскольку температура газов на ГТУ достаточно высока, то их можно использовать для отпуска тепловой энергии внешнему потребителю. Такие электростанции называют ГТУ-ТЭЦ. В настоящее время в России функционирует одна ГТЭС (ГРЭС-3 им. Классона, г. Электрогорск Московской обл.) мощностью 600 МВт и одна ГТУ-ТЭЦ (в г. Электросталь Московской обл.).

Парогазовые тепловые электростанции комплектуются парогазовыми установками (ПГУ), представляющими комбинацию ГТУ и ПТУ, что позволяет обеспечить высокую экономичность. В России имеется только одна работающая ПГУ-ТЭЦ (ПГУ-450Т в Ярославле) мощностью 450 МВт.

Рассмотрим типичную конденсационную ТЭС, работающую на органическом топливе, практически не интересуясь процессами, происходящими в ее оборудовании (рис. 6).

Рисунок 5. Работа конденсационной ТЭС [4]

Уже отмечалось, что ТЭС – это огромное промышленное предприятие по производству электроэнергии. Основным «сырьем» для работы ТЭС является органическое топливо, содержащее запас химической энергии, измеряемый теплотой сгорания.

Топливо подается в котел и для его сжигания сюда же подается окислитель – воздух, содержащий кислород (берется из атмосферы). В зависимости от состава и теплоты сгорания, для полного сжигания 1 кг топлива требуется 10-15 кг воздуха и, таким образом, воздух – это тоже природное «сырье» для производства электроэнергии, для доставки которого в зону горения необходимо иметь мощные высокопроизводительные нагнетатели. В результате химической реакции сгорания, при которой углерод C превращается в оксиды CO₂ и CO, водород H₂ – в пары воды H₂O, сера S – в оксиды SO₂ и SO₃ и т.д., образуются продукты сгорания топлива – смесь различных газов высокой температуры. Именно тепловая энергия продуктов сгорания топлива является источником электроэнергии, вырабатываемой ТЭС.

Далее внутри котла осуществляется передача тепла от дымовых газов к воде, движущейся внутри труб. К сожалению, не всю тепловую энергию, высвободившуюся в результате сгорания топлива, по техническим и экономическим причинам удается передать воде. Охлажденные до температуры 130-160°C продукты сгорания топлива (дымовые газы) через дымовую трубу покидают ТЭС. Часть теплоты, уносимой дымовыми газами, в зависимости от вида используемого топлива, режима работы и качества эксплуатации, составляет 5-15%.

Часть тепловой энергии, оставшаяся внутри котла и переданная воде, обеспечивает образование пара высоких начальных параметров. Этот пар направляется в паровую турбину. На выходе из турбины с помощью конденсатора поддерживается глубокий вакуум: давление за паровой турбиной составляет 3-8 кПа (атмосферное давление находится на уровне 100 кПа). Поэтому пар, поступив в турбину с высоким давлением, движется к конденсатору, где давление мало, и расширяется. Именно расширение пара и обеспечивает превращение его потенциальной энергии в механическую работу. Паровая турбина устроена так, что энергия расширения пара преобразуется в ней во вращение ее ротора. Ротор турбины связан с ротором электрогенератора, в обмотках статора которого генерируется электрическая энергия, представляющая собой конечный полезный продукт (товар) функционирования ТЭС.

Для работы конденсатора требуется большое количество холодной воды. Это – третий вид «сырья», поставляемый на ТЭС, и для функционирования ТЭС он не менее важен, чем топливо. Поэтому ТЭС стоят либо вблизи имеющихся природных источников воды, либо строят искусственные источники (пруд-охладитель, воздушные башенные охладители и др.).

Основная потеря тепла на ТЭС возникает из-за передачи теплоты конденсации охлаждающей воде, которая затем отдает ее окружающей среде. С теплом охлаждающей воды теряется более 50% тепла, поступающего на ТЭС с топливом. Кроме того, в результате происходит тепловое загрязнение окружающей среды.

Часть тепловой энергии топлива потребляется внутри ТЭС либо в виде тепла (например, на разогрев мазута, поступающего на ТЭС в густом виде в железнодорожных цистернах), либо в виде электроэнергии (например, на привод электродвигателей насосов различного назначения). Эту часть потерь называют собственными нуждами (рис. 5).

Для нормальной работы ТЭС, кроме «сырья» (топливо, охлаждающая вода, воздух) требуется масса других материалов: масло для работы систем смазки, регулирования и защиты турбин, реагенты (смолы) для очистки рабочего тела, многочисленные ремонтные материалы.

Наконец, мощные ТЭС обслуживаются большим количеством персонала, который обеспечивает текущую эксплуатацию, техническое обслуживание оборудования, анализ технико-экономических показателей, снабжение, управление и т.д. Ориентировочно можно считать, что на 1 МВт установленной мощности требуется 1 персона и, следовательно, персонал мощной ТЭС составляет несколько тысяч человек. [1, 2, 3, 4, 6]

Рисунок 6. Схема работы ТЭС [5]

3. Развитие отрасли

Развитие теплоэнергетики в России является важной составляющей развития экономики в целом и неотъемлемым условием для возможности нормальной жизнедеятельности граждан в связи с климатическими особенностями страны.

Стратегическими целями развития электроэнергетики в целом являются: обеспечение энергетической безопасности страны и регионов; удовлетворение потребностей экономики и населения страны в электрической энергии (мощности) по доступным конкурентоспособным ценам, обеспечивающим окупаемость инвестиций в электроэнергетику; обеспечение надежности и безопасности работы системы электроснабжения России в нормальных и чрезвычайных ситуациях; инвестиционно-инновационное обновление отрасли, направленное на обеспечение высокой энергетической, экономической и экологической эффективности производства, транспорта, распределения и использования электроэнергии.

Особо бурное развитие теплоэнергетики в нашей стране пришлось на времена Советского Союза, когда экономика глобальными темпами наращивала свой потенциал, и происходило активное внедрение передовых технологий. К сожалению, в настоящее время развитие теплоэнергетики не столь масштабно и к тому же существует ряд проблем, требующих решения.

В частности, экспертами выделяется несколько основных проблем, оказывающих влияние на развитие теплоэнергетики, которые указаны ниже.

1. Износ фондов, по мнению специалистов, достигает 60%. Устарело не только оборудование, но и технологические процессы, что ведет к низкому КПД, потере тепла и многочисленным авариям и утечкам.

2. Долговременное отсутствие стратегических проектов, направленных на развитие теплоэнергетики.

3. Явная недостаточность нормативно-правовой базы в отрасли.

4. Несовершенные технологии по тепло- и энергосбережению, приводящие к росту тарифов.

5. На развитие теплоэнергетики влияет и кадровый вопрос. В стране не хватает грамотных специалистов технической квалификации, выпускники ВУЗов имеют лишь теоретические знания, совершенно не обладая практическими навыками.

Наиболее важной проблемой перспективного развития тепловой энергетики остается, как и прежде, дальнейшее технологическое совершенствование ТЭС с целью повышения экономичности, надежности и экологической чистоты производства электрической и тепловой энергии.

Но, тем не менее, в последние годы развитие теплоэнергетики имеет и положительные тенденции. Распоряжением Правительства РФ утверждена «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года», направленная на эффективное использование потенциала энергетической отрасли и природных энергетических ресурсов. Многие ведущие компании вносят свой вклад в развитие теплоэнергетики и осуществляют инвестиционные программы по модернизации объектов теплоэнергетики, рассчитывая снизить затраты по себестоимости.

Развитие теплоэнергетики можно наблюдать в реализации проектов по внедрению современных парогазовых энергоблоков, позволяющих увеличить КПД с 32% до 59%, что пока является рекордным показателем для нашей энергетической отрасли. В случае внедрения технологии сверхдальней передачи электроэнергии возможно увеличение коэффициента использования установленной мощности с нынешних 55% до 95%, устранение «запирания» мощности и полная компенсация пиковых нагрузок с континентальным суточным перераспределением и реэкспортом мощности от Западной Европы до Дальнего Востока, а также сезонное широтное перераспределение мощности. В целом это позволит увеличить производство электроэнергии почти вдвое при тех же установленных мощностях, снизить стоимость электроэнергии в пиковое время и увеличить доходность производства электроэнергии в ночное время, а также снять ограничения на концентрацию энергоемких производств. Помимо ввода в эксплуатацию новых мощностей и реконструкции имеющихся ТЭС, особое внимание стало уделяться безопасности в данной отрасли, переходу на новые виды топлива, использованию нанотехнологий, а также проблемам экологической безопасности.

Сегодня наблюдается активное развитие теплоэнергетики во всем мире. Инновационные программы направлены на более эффективное использование энергетических ресурсов, что способствует развитию экономики, повышению качества жизни населения и укреплению внешнеэкономических позиций. [5, 6]

Заключение

По моему мнению, в наше время теплоэнергетика находится на пике своего развития, разведка и использование энергетических ресурсов достигает самых высоких отметок. В обозримом будущем прогнозируется снижение объемов добычи полезных ископаемых, что негативно скажется на энергетике России (да и мира в целом). Однако, не все виды топлива, на котором базируется ТЭК исчерпаны. Все еще исследуются месторождения природного газа, являющегося самым экологически чистым топливом, что позволяет говорить о дальнейшем развитии этой отрасли промышленности на базе именно этого источника энергии. Но нехватка ресурсов – не единственная проблема топливно энергетического комплекса. Загрязнение окружающей среды является проблемой не только этой отрасли промышленности, но и всего промышленного комплекса в целом. Современные методы очистки отходов производства (выбросов в атмосферу и сбросов в водоемы) не являются надежными и часто являются причиной негативного воздействия на окружающую среду. Теплоэнергетика является одним из основных загрязнителей атмосферы. Тяготение этой отрасли энергетики к потребителю (основная доля ТЭС располагаются непосредственно в городах) отрицательно сказывается в первую очередь на состоянии воздуха, и, следовательно, на здоровье людей. Если человечество не найдет более эффективные способы очистки или не разработает подходы к использованию более экологически чистых источников энергии, то в ближайшем будущем, наши потомки будут расплачиваться своим здоровьем за нашу недальновидность.

Литература

1. Аметистов Е.В. Основы современной энергетики. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. – 472 с.

2. Быстрицкий Г.Ф., Гасангаджиев Г.Г., Кожиченков В.С. Общая энергетика (Производство тепловой и электрической энергии). – М.: КНОРУС, 2014. – 408 с.

3. Кулагина, Т.А., Андруняк И.В., Кашин Д.А. Технологические процессы и загрязняющие выбросы. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. – 85 с.

4. http://www.grandars.ru/shkola/geografiya/toplivno-energeticheskiy-kompleks.html – Сайт Энциклопедия экономиста» / География / Межотраслевые комплексы / Топливно энергетический комплекс России. Дата обращения: 20.03.2016. Режим доступа: свободный.

5. http://minenergo.gov.ru/node/1026 – Сайт Министерства энергетики РФ / Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Дата обращения: 20.03.2016. Режим доступа: свободный.

6. http://bourabai.ru/toe/rusenergy.htm#02 – Электроэнергетика России. Дата обращения: 20.03.2016. Режим доступа: свободный.

Код для цитирования: Скопировать