Специфика технологии тепловой энергетики

Доля тепловых паротурбинных или тепловых электростанций (ТЭС) в выработке электроэнергии в России составляет примерно 70%. Для привода электрогенератора используется паровая турбина. Тепловые электростанции, отпускающие потребителям только энергию, называются государственными районными электрическими станциями (ГРЭС). Тепловые электростанции, отпускающие потребителям помимо электроэнергии и тепловую, получаемую от отработавшего в турбинах пара, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Источником энергии для работы тепловых электростанций (ТЭС) являются газ, уголь, мазут; реже – торф, сланцы. Удельный расход условного топлива равен примерно 340 г/кВт.-ч. Специфика технологии производства заключается в том, что техническое водопотребление – обеспечение турбоагрегатов водой, необходимой для охлаждения отработавшего пара, на конденсационных электростанциях составляет 25-30 м³/сек в расчете на турбину мощностью 1 ГВт. В связи с этим вблизи ТЭС должен быть крупный источник водозабора (водохранилище, река, озеро, море). С целью экономии воды большей частью применяют оборотное водоснабжение с созданием охлаждающих прудов или градирен (на конденсационных электростанциях). Прямоточное водоснабжение с однократным пропусканием охлаждающей воды через турбины применяется гораздо реже.

В отличие от других производств (например, черной и цветной металлургии), дымовые выбросы современных ТЭЦ осуществляются через небольшое количество очень высоких труб, высотой 180-350 м. Поэтому загрязнители рассеиваются в обширном пространстве нижней тропосферы. При этом превышение концентрации веществ обычно не превышает ПДК или составляет не более первых десятков процентов. Лишь в исключительных случаях при неблагоприятных метеорологических условиях выбросы превышают ПДК в два-три раза.

Рис. 19. Схема простейшей паротурбинной конденсационной электростанции (по М. П. Ратановой, 1999)

Рассмотрим схему паротурбинной конденсационной электростанции, работающей на угле (рис. 19). Из угольного бункера (1) топливо поступает в шахту (2), где размалывается мельницей в пыль. Далее размолотое топливо вместе с воздухом поступает в топочную камеру (3), где сгорает. Выделяющееся тепло нагревает воду и пар в котле (4). Газы из топки и газоходов котла отсасываются дымососом и через дымовую трубу (5) выбрасываются в атмосферу. Из котла перегретый пар поступает в турбину (6), приводя рабочий вал во вращение, который в свою очередь вращает вал генератора (7). Электроэнергия от генератора поступает на сборные шины и от них отводится потребителям. Отработавший пар поступает в конденсатор получения (8), в котором поддерживается давление ниже атмосферного для получения наибольшей разности давления, что позволяет обеспечить максимальное использование энергии пара.

Для интенсивного охлаждения и быстрой конденсации отработавшего пара через трубы конденсатора пропускают холодную воду, подаваемую насосом (9) из естественного водоема или башни-охладителя (градирни). Конденсат откачивается из конденсатора насосом (10) в питательный бак (11). Из питательного бака вода подается насосом (12) в котел (4). Таким образом, техническая вода, конденсат и пар обращаются по замкнутому циклу.

КПД полезного действия ТЭС составляет примерно 30-34%, т.е. только около ⅓ потенциальной энергии топлива превращается в товарный продукт – электроэнергию; остальное ее количество рассеивается в окружающую природную среду в виде горячих газов и теплой воды.

Описанную технологическую схему дополним функциональной схемой ТЭС, мощностью 2,4 млн. кВт, работающей на каменном угле (рис. 20). Она позволяет судить о степени и направлении влияния ТЭС на природную среду. При удельном потреблении топлива 1060 т/ч, потребление кислорода и воды составляет 1820 т/ч и 300 000 т/ч. Влияние ТЭС проявляется в выбросах веществ в атмосферу (загрязнении и далее их поступлении в почву, поверхностные и грунтовые воды, осаждении в слое растительного покрова); в значительном изъятии вод и земельных площадей.

Наибольшая землеемкость и водопотребление характерны для ТЭС, работающих на твердом топливе (бурый уголь, сланцы); заметно меньше – у ТЭС, использующих в качестве топлива мазут и газ. Повышенная землеемкость угольных ТЭС связана с большими площадями, требующимися под топливохранилища и золо- и шлакоотвалы. С наличием системы гидрозолоудаления связано и повышенное водопотребление на этих ТЭС. В целом, вне зависимости от топлива, большое водопотребление (испарение при охлаждении) и водоотведение приводят к тепловому загрязнению водоемов. Площади, занимаемые современными тепловыми электростанциями и их сопутствующими сооружениями, составляют 3-3,5 км². Удельная площадь водоемов-охладителей составляет 6-9 м²/кВт мощности.

Воздействие теплоэнергетики на природную среду характеризуется тремя типами выбросов: щелочными от ТЭС, работающими на твердом топливе с малоэффектным золоулавливанием; кислыми от ТЭС на жидком и газообразном топливах; нейтральным от ТЭС, которые используют малосернистое твердое топливо с высоким КПД золоулавливания. Типизация представлена на рис. 21.

Рис. 20. Функциональная схема современной тепловой электростанции и ее связи с природной средой (по Л. К. Казакову)

Сравнение удельных выбросов в атмосферу различными типами электростанций показывает, что наиболее сильное загрязнение создается в том случае, когда ТЭС или ТЭЦ работает на угле (табл. 6).

Рис. 21. Типизация воздействия дымовых выбросов различных ТЭС на природную среду

При проектировании и экспертировании крупных ТЭС важен точный расчет выбросов загрязняющих веществ. Компоненты дымовых выбросов ТЭС в зависимости от влияния на них технологии производства можно подразделить на две группы: загрязняющие вещества, количество которых в продуктах сгорания может быть с достаточной точностью рассчитано по составу топлива и мало зависит от технологии сжигания (сернистый ангидрид, количество и состав золы, соединения ванадия и др.).

Таблица 6

Потребление топлива и выбросы в атмосферу основных загрязняющих веществ с ТЭС мощностью 1000 мВт, тыс. т/год (источник: Казаков Л.К., 1992)

Показатели	Виды топлива
Каменный уголь	Мазут	Природный газ
(КПД золоуловителя 96%)
Потребление топлива, млн. м3
Выбросы:
SO2	80,0	60,0	7,0
Золы	18,0	0,7	0,5
Noх	21,0	22,0	12,1
СХНХ	-	9,3	1,6

Наибольшую сернистость имеют подмосковные и украинские бурые угли; донецкий, кизеловский, интинский каменные угли и эстонские горючие сланцы. Повышена сернистость мазута, получаемого из нефти Волго-Уральского района. Сибирские угли имеют небольшое содержание серы.

Другая группа вредных примесей зависит от состава топлива и технологии его сжигания. Сюда относятся окислы азота, углерода, сероводорода, количество летучей золы. За последние 10 лет все большую роль в характере дымовых выбросов играют тип и эффективность работы фильтров.

Зола, представляющая собой твердую фракцию выбросов, является одним из основных загрязняющих веществ прилегающих территорий к ТЭС, работающих на угле. Зола – это частицы диаметром от 1 до 100 мкм. Анализ фазово-минералогического состава золы различных топлив показывает, что ее основная фаза – стекло, а кристаллическая представлена различными количествами кварца, гематита, магнезита, силикатами кальция.

Химический состав золы, которым характеризуют негорючую массу топлива, представляется обычно в виде суммы окислов SiО₂, Аl₂O₃, Fe₂O₃, CaO, K₂O, Na₂O. Состав летучих зол, работающих на твердом топливе, как правило, определяет ее нейтральную или щелочную реакцию, что ведет обычно к подщелачиванию поверхностных вод и почв на прилегающей территории. Однако содержание в атмосферных выбросах двуокиси серы и азота способствует возникновению кислотных дождей, поскольку во влажной атмосфере происходит цепь химических реакций, в результате которых образуется серная и азотная кислоты.

Существенны выбросы продуктов недожога при использовании углей, особенно полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Их содержание определяется типом сжигаемого топлива, а также количеством и режимом выбросов дымовых газов и метеорологическими условиями. Велико и загрязнение бенз(а)пиреном – веществом первого класса вредности.

Выбросы вредных веществ от сжигания мазута меньше, чем при сжигании угля (см. табл. 6). Однако при сжигании мазута выделяются окислы различных элементов: V₂O₅, NiO₃, MnO₂, А1₂О₅, Fe₂O₃, SiO₂, MgO. Высок также выход бенз(а)пирена. Наиболее экологически чистым видом топлива является природный газ. При его сжигании существенно сокращается выброс сернистых соединений и твердых частиц.

Таким образом, специфика функционирования ТЭС и ее влияния на природную среду обусловлена выбором топлива, технологией охлаждения пара, землеемкостью и размером зоны шлако- и золоотвалов и местными климатическими условиями.