Тепловые электростанции

Тепловая электростанция (ТЭС) — это электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию вращения вала электрогенератора. ТЭС являются основой мировой электроэнергетики, обеспечивая значительную часть (по разным оценкам, от 60 до 70 %) всей вырабатываемой электроэнергии в мире. В России на долю тепловых электростанций приходится более 60 % установленной мощности всей энергосистемы.

Принцип работы

Основной принцип работы ТЭС основан на термодинамическом цикле, чаще всего — цикле Ренкина (для паротурбинных установок) или цикле Брайтона (для газотурбинных). Процесс включает несколько этапов:

Сжигание топлива. В топке котла или камере сгорания газовой турбины сжигается органическое топливо (уголь, природный газ, мазут, торф, сланцы). Выделяющаяся теплота нагревает теплоноситель.
Получение пара. В паровом котле теплота сгорания топлива передаётся воде, которая превращается в перегретый водяной пар высокого давления (до 240–300 атм) и температуры (до 540–565 °C).
Преобразование тепловой энергии в механическую. Перегретый пар направляется в паровую турбину, где, расширяясь, вращает её ротор. В газотурбинных установках продукты сгорания топлива непосредственно вращают газовую турбину.
Преобразование механической энергии в электрическую. Ротор турбины соединён с ротором электрического генератора. Вращение ротора в магнитном поле статора индуцирует в обмотках генератора электрический ток.
Конденсация отработанного пара. После турбины отработанный пар поступает в конденсатор, где охлаждается циркуляционной водой и конденсируется обратно в воду. Конденсат возвращается в котел для повторного использования.

Классификация

Тепловые электростанции классифицируются по нескольким признакам.

По типу основного оборудования

Паротурбинные (ПТУ). Наиболее распространённый тип. Используют паровой котел и паровую турбину. Могут работать на любом виде топлива.
Газотурбинные (ГТУ). Используют газовую турбину. В качестве топлива применяется природный газ или жидкое топливо. Отличаются высокой манёвренностью и быстрым запуском.
Парогазовые (ПГУ). Комбинированная установка, состоящая из газотурбинной и паротурбинной частей. Продукты сгорания из газовой турбины поступают в котёл-утилизатор, где вырабатывается пар для паровой турбины. Такие станции имеют наивысший КПД среди ТЭС (до 60 % и выше).
С дизельными двигателями. Используют поршневые двигатели внутреннего сгорания. Применяются в основном как резервные или аварийные источники энергии, а также в удалённых районах.

По назначению и режиму работы

Конденсационные (КЭС). Предназначены только для выработки электроэнергии. Отработанный пар полностью конденсируется, и теплота охлаждения сбрасывается в окружающую среду. Работают в базовой части графика нагрузки.
Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии (горячая вода, пар для отопления и промышленных нужд). Часть пара отбирается из турбины при промежуточных параметрах и направляется к потребителю. ТЭЦ имеют более высокий общий КПД использования топлива (до 70–80 %), но их электрическая мощность зависит от тепловой нагрузки.
Государственные районные электростанции (ГРЭС). Исторически сложившееся в России название мощных конденсационных ТЭС, работающих на органическом топливе и обслуживающих крупные регионы (районы). Термин утратил строгое техническое значение, но продолжает использоваться в названиях многих станций (например, Сургутская ГРЭС-2).

По виду используемого топлива

Твёрдое топливо: уголь (каменный, бурый), торф, горючие сланцы.
Жидкое топливо: мазут, нефть, дизельное топливо.
Газообразное топливо: природный газ, попутный нефтяной газ, газ доменных печей.
Биотопливо: древесные пеллеты, щепа, отходы сельского хозяйства.

Основные компоненты

Основными элементами ТЭС являются:

Топливное хозяйство. Включает склады топлива, системы подачи, дробления (для угля), газораспределительные пункты, мазутное хозяйство.
Котлоагрегат (паровой котел). Устройство для получения пара высокого давления. Состоит из топки, поверхностей нагрева (экраны, пароперегреватели, экономайзеры), воздухоподогревателя, газоходов.
Турбина. Тепловой двигатель, преобразующий потенциальную энергию пара в кинетическую энергию вращения ротора.
Генератор. Электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую.
Конденсатор. Теплообменный аппарат для конденсации отработанного пара.
Система технического водоснабжения. Обеспечивает подачу охлаждающей воды к конденсатору. Использует градирни, пруды-охладители или прямоточное водоснабжение от реки.
Система газоочистки. Включает электрофильтры, рукавные фильтры, установки десульфурации и денитрификации для очистки дымовых газов от вредных выбросов (золы, оксидов серы и азота).
Дымовая труба. Обеспечивает отвод дымовых газов в атмосферу на высоту, достаточную для их рассеивания.

История развития

Первые ТЭС появились в конце XIX века. В 1882 году в Нью-Йорке была запущена первая в мире центральная электростанция постоянного тока на Перл-стрит (мощностью 660 кВт). В России первая ТЭС (на угольной пыли) была построена в 1886 году в Санкт-Петербурге.

Развитие ТЭС шло по пути увеличения единичной мощности агрегатов, повышения параметров пара (давления и температуры), что позволило значительно повысить КПД. В 1920-х годах в СССР был принят план ГОЭЛРО, предусматривавший строительство крупных районных тепловых электростанций (ГРЭС). В 1930-х годах началось строительство ТЭЦ для централизованного теплоснабжения городов.

Во второй половине XX века широкое распространение получили газотурбинные и парогазовые установки, а также ТЭС на природном газе. В 1970-х годах, после нефтяного кризиса, начался переход на уголь и атомную энергию. В настоящее время основными направлениями развития ТЭС являются повышение КПД, снижение вредных выбросов и внедрение технологий улавливания и хранения углерода (CCS).

Экономические и экологические аспекты

Экономика

ТЭС характеризуются относительно низкими капитальными затратами на строительство по сравнению с атомными и гидроэлектростанциями, но требуют постоянных эксплуатационных расходов на закупку топлива. Стоимость электроэнергии на ТЭС сильно зависит от цены на топливо. Наиболее экономичными являются крупные ПГУ на природном газе и современные угольные блоки с суперкритическими параметрами пара.

Экология

Работа ТЭС на органическом топливе сопряжена со значительным воздействием на окружающую среду:

Выбросы в атмосферу: диоксид углерода (CO₂), оксиды серы (SOₓ), оксиды азота (NOₓ), твёрдые частицы (зола, сажа), тяжёлые металлы. ТЭС являются одним из крупнейших источников парниковых газов.
Тепловое загрязнение: сброс нагретой воды из конденсаторов в водоёмы приводит к повышению температуры воды, что может нарушать экосистемы.
Золоотвалы: для угольных ТЭС требуется отведение больших площадей под золоотвалы, которые могут быть источниками пыления и загрязнения грунтовых вод.
Водопотребление: ТЭС потребляют значительные объёмы воды для охлаждения и подпитки пароводяного цикла.

Для снижения экологического воздействия на ТЭС применяются фильтры, системы очистки дымовых газов, замкнутые циклы водоснабжения, а также перевод станций с угля на газ.