Электрической станцией называется энергетическая установка, служащая для преобразования природной энергии в электрическую. Наиболее распространены тепловые электрические станции (ТЭС), использующие тепловую энергию, выделяемую при сжигании органического топлива (твердого, жидкого и газообразного).
На тепловых электростанциях вырабатывается около 76% электроэнергии, производимой на нашей планете. Это обусловлено наличием органического топлива почти во всех районах нашей планеты; возможностью транспорта органического топлива с места добычи на электростанцию, размещаемую близ потребителей энергии; техническим прогрессом на тепловых электростанциях, обеспечивающим сооружение ТЭС большой мощностью; возможностью использования отработавшего тепла рабочего тела и отпуска потребителям, кроме электрической, также и тепловой энергии (с паром или горячей водой) и т.п.
Высокий технический уровень энергетики может быть обеспечен только при гармоничной структуре генерирующих мощностей: в энергосистеме должны быть и АЭС, вырабатывающие дешевую электроэнергию, но имеющие серьезные ограничения по диапазону и скорости изменения нагрузки, и ТЭЦ, отпускающие тепло и электроэнергию, количество которой зависит от потребностей в тепле, и мощные паротурбинные энергоблоки, работающие на тяжелых топливах, и мобильные автономные ГТУ, покрывающие кратковременные пики нагрузки.
1.1 Типы тэс и их особенности.
На рис. 1 представлена классификация тепловых электрических станций на органическом топливе.
Рис.1. Типы тепловых электростанций на органическом топливе.
Рис.2 Принципиальная тепловая схема ТЭС
1 – паровой котёл; 2 – турбина; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатор; 5 – конденсатный насос; 6 – подогреватели низкого давления; 7 – деаэратор; 8 – питательный насос; 9 – подогреватели высокого давления; 10 – дренажный насос.
Тепловой электрической станцией называется комплекс оборудования и устройств, преобразующих энергию топлива в электрическую и (в общем случае) тепловую энергию.
Тепловые электростанции характеризуются большим разнообразием и их можно классифицировать по различным признакам.
По назначению и виду отпускаемой энергии электростанции разделяются на районные и промышленные.
Районные электростанции – это самостоятельные электростанции общего пользования, которые обслуживают все виды потребителей района (промышленные предприятия, транспорт, население и т.д.). Районные конденсационные электростанции, вырабатывающие в основном электроэнергию, часто сохраняют за собой историческое название – ГРЭС (государственные районные электростанции). Районные электростанции, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию (в виде пара или горячей воды), называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Как правило, ГРЭС и районные ТЭЦ 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. Промышленные электростанции входят в состав тех промышленных предприятий, которые они обслуживают. Их мощность определяется потребностями промышленных предприятий в тепловой и электрической энергии и, как правило, она существенно меньше, чем районных ТЭС. Часто промышленные электростанции работают на общую электрическую сеть, но не подчиняются диспетчеру энергосистемы.
По виду используемого топлива тепловые электростанции разделяются на электростанции, работающие на органическом топливе и ядерном горючем.
За конденсационными электростанциями, работающими на органическом топливе, во времена, когда еще не было атомных электростанций (АЭС), исторически сложилось название тепловых (ТЭС – тепловая электрическая станция). Именно в таком смысле ниже будет употребляться этот термин, хотя и ТЭЦ, и АЭС, и газотурбинные электростанции (ГТЭС), и парогазовые электростанции (ПГЭС) также являются тепловыми электростанциями, работающими на принципе преобразования тепловой энергии в электрическую.
В качестве органического топлива для ТЭС используют газообразное, жидкое и твердое топливо. Большинство ТЭС России, особенно в европейской части, в качестве основного топлива потребляют природный газ, а в качестве резервного топлива – мазут, используя последний ввиду его высокой стоимости только в крайних случаях; такие ТЭС называют газомазутными. Во многих регионах, в основном в азиатской части России, основным топливом является энергетический уголь – низкокалорийный уголь или отходы добычи высококалорийного каменного угля (антрацитовый штыб - АШ). Поскольку перед сжиганием такие угли размалываются в специальных мельницах до пылевидного состояния, то такие ТЭС называют пылеугольными.
По типу теплосиловых установок, используемых на ТЭС для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения роторов турбоагрегатов, 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.
ПТУ, имеющие в качестве привода электрогенераторов конденсационные турбины и не использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называются конденсационными электростанциями. ПТУ оснащённые теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).
Газотурбинные тепловые электростанции (ГТЭС) оснащаются газотурбинными установками (ГТУ), работающими на газообразном или, в крайнем случае, жидком (дизельном) топливе. Поскольку температура газов за 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.).
Традиционная современная газотурбинная установка (ГТУ) – это совокупность воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу. Совокупность ГТУ и электрического генератора называют газотурбинным агрегатом.
Парогазовые тепловые электростанции комплектуются парогазовыми установками (ПГУ), представляющими комбинацию ГТУ и ПТУ, что позволяет обеспечить высокую экономичность. ПГУ-ТЭС могут выполняться конденсационными (ПГУ-КЭС) и с отпуском тепловой энергии (ПГУ-ТЭЦ). В настоящее время в России работает четыре новых ПГУ-ТЭЦ (Северо-Западная ТЭЦ Санкт-Петербурга, Калининградская, ТЭЦ-27 ОАО «Мосэнерго» и Сочинская), построена также теплофикационная ПГУ на Тюменской ТЭЦ. В 2007 г. введена в эксплуатацию Ивановская ПГУ-КЭС.
Блочные ТЭС состоят из отдельных, как правило, однотипных энергетических установок – энергоблоков. В энергоблоке каждый котел подает пар только для своей турбины, из которой он возвращается после конденсации только в свой котел. По блочной схеме строят все мощные ГРЭС и ТЭЦ, которые имеют так называемый промежуточный перегрев пара. Работа котлов и турбин на ТЭС с поперечными связями обеспечивается по другому: все котлы ТЭС подают пар в один общий паропровод (коллектор) и от него питаются все паровые турбины ТЭС. По такой схеме строятся КЭС без промежуточного перегрева и почти все ТЭЦ на докритические начальные параметры пара.
По уровню начального давления различают ТЭС докритического давления, сверхкритического давления (СКД) и суперсверхкритических параметров (ССКП).
Критическое давление – это 22,1 МПа (225,6 ат). В российской теплоэнергетике начальные параметры стандартизованы: ТЭС и ТЭЦ строятся на докритическое давление 8,8 и 12,8 МПа (90 и 130 ат), и на СКД – 23,5 МПа (240 ат). ТЭС на сверхкритические параметры по техническим причинам вполняется с промежуточным перегревом и по блочной схеме. К суперсверхкритическим параметрам условно относят давление более 24 МПа (вплоть до 35 МПа) и температуру более 5600С (вплоть до 6200С), использование которых требует новых материалов и новых конструкций оборудования. Часто ТЭС или ТЭЦ на разный уровень параметров строят в несколько этапов – очередями, параметры которых повышаются с вводом каждой новой очереди.
Несмотря на бурное развитие возобновляемой энергетики, тепловые электростанции (ТЭС) остаются главными генераторами в мире. Суммарно они обеспечивают порядка 2/3 от общей выработки всей электроэнергии на планете, и, по мнению специалистов, в ближайшие десятилетия данное соотношение сохранится. В тепловой энергетике, как и в любой другой промышленной сфере, есть свои уникальные объекты. «Переток» собрал интересные факты о тепловых электростанциях-рекордсменах.
Крупнейшая в мире ТЭС Tuoketuo
Монстры мира энергетики
Крупнейшей ТЭС в мире является китайская Tuoketuo установленной мощностью 6600 МВт. Станция состоит из пяти энергоблоков, каждый из которых включает в себя два блока мощностью 600 МВт. Помимо основного оборудования на станции установлены два блока суммарной мощностью 600 МВт для собственных нужд. Ежегодно станция производит 33,3 млрд кВт⋅ч электрической энергии.
Кстати
Китай является мировым лидером по числу ТЭС, работающих на угле. Он потребляет около половины мирового объёма энергетического угля, а доля угольной генерации в стране превышает 70%. В десятку крупнейших ТЭС мира входят пять станций из Поднебесной.
Второе место принадлежит Тайчжунской ТЭС на острове Тайвань с установленной мощностью 5824 МВт. Кстати, данная станция считается самым крупным загрязнителем атмосферы на Земле. На ней установлены десять энергоблоков по 550 МВт каждый, которые используют в качестве топлива уголь, привезённый из Австралии, и четыре дополнительных блока по 70 МВт на природном газе. Среднегодовая выработка Тайчжунской ТЭС составляет 42 млрд кВт⋅ч.
4 сентября 1882 года в 82 нью-йоркских домах загорелись 400 электрических лампочек. Ток для них давала первая в мире ТЭС – тепловая электростанция. Называлась она незатейливо – «Pearl Street Station» («Пёрл Стрит Стейшн», англ. «Станция на Жемчужной улице»). Её придумал и построил легендарный Томас Алва Эдисон.
Электростанция Эдисона работала примерно по той же схеме, по которой многие ТЭС работают и сейчас. Уголь, сжигаемый в топках котлов, нагревал воду, превращая её в перегретый пар. Этот пар вращал вал динамо машин, а те, в свою очередь, вырабатывали ток.
«Pearl Street Station» за два года смогла не только окупить свою работу, но и оправдала затраты на прокладку кабелей. Тогда их клали под землёй, поэтому пришлось перекопать изрядную часть Манхэттена. И несмотря на все затраты – проводку в помещениях также монтировала компания Эдисона, за столь короткий срок ТЭС смогла выйти на нулевую рентабельность и стала давать прибыль.
Эдисон постепенно увеличивал мощность «Pearl Street Station» , пока в 1890 году электростанцию не уничтожил пожар. Сгорело всё, кроме одной динамо-машины, сейчас являющейся ценным экспонатом одного из музеев в США.
Несмотря на недолгий срок работы, «Pearl Street Station» показала эффективность работы подобной схемы. Более того, Эдисон уже тогда догадался, что теплу, которое получается на выходе из динамо-машины, тоже можно найти применением – паром электростанции отапливались несколько соседних домов.
ТЭС Эдисона располагалась в подвале обыкновенного жилого дома. Современные ТЭС – это настоящие гиганты. Над энергозалами площадью в десятки тысяч квадратных метров вздымаются огромные трубы. Высота некоторых из них превышает высоту Эйфелевой башни. Сооружение тепловой электростанции требует огромных затрат и занимает несколько лет.
В современной электроэнергетике на долю ТЭС приходится около двух третей всей вырабатываемой энергии. Чаще всего в виде топлива используется уголь, вторым по популярности источником энергии является природный газ, далее идёт нефть, доля которой в последние годы быстро сокращается.
ТЭС принято делить на два основных вида – те, которые работают и на отопление (ТЭЦ), и «чисто электрические», их называют КЭС или ГРЭС. Крупнейшие в мире тепловые электростанции работают по схеме ГРЭС, то есть используется только вырабатываемая на них электроэнергия.
Самой мощной в мире является электростанция Туокетуо, расположенная в китайской провинции Внутренняя Монголия.
Долгое время эта станция была третьей по мощности, уступая китайской Тайчжунской ТЭС и российской Сургутской ГРЭС-2. Однако после того, как в 2017 году на Туокетуо были введены в строй ещё два блока мощностью по 660 МВт, суммарная мощность 12 энергоблоков станции достигла 6 720 МВт, что сделало её мощнейшей в мире. Сургутская-2 отодвинулась не третье место, но осталось самой мощной в России.
10. Сургутская ГРЭС-2 (5 600 МВТ)
Сургутская ГРЭС-2 расположена в Ханты-Мансийском автономном округе на берегу Оби примерно на одинаковом расстоянии между Нефтеюганском и Ханты-Мансийском. Строительство станции было начато в 1979 году, первый энергоблок был запущен через шесть лет. В течение 1985 – 1988 годов были введены в эксплуатацию все шесть энергоблоков мощностью по 800 МВт каждый. Все они работают на попутном газе, то есть используют ресурс, который при добыче газа нужно было бы ещё и утилизировать.
Планировалось построить ещё два аналогичных энергоблока, однако уже в 21-м веке было принято решение построить два энергоблока мощностью 400 МВт, работающие на очищенном природном газе. После сдачи в работу этих двух блоков общая мощность Сургутской ГРЭС-2 составила 5 600 МВТ.
9. Рефтинская ГРЭС (3 800 МВт)
Рефтинская ГРЭС – крупнейшая тепловая электростанция в стране, использующая в качестве топлива каменный уголь. Она находится примерно в 100 км от Екатеринбурга.
Строительство ГРЭС продолжалось 17 лет – от забивки первого колышка в 1963 году до ввода в эксплуатацию последнего энергоблока в 1980. Над станцией возвышаются четыре трубы высотой от 180 до 320 метров.
10 энергоблоков Рефтинской ГРЭС имеют общую мощность 3 800 МВт. Этой энергии хватает на то, чтобы обеспечить половину энергопотребления Свердловской области с её мощной промышленностью.
8. Костромская ГРЭС (3 600 МВт)
Эта электростанция расположена в европейской части России, в Костромской области на берегу Волги. Для выработки электроэнергии на Костромской ГРЭС используется природный газ, в качестве резервного топлива может применяться мазут.
Девять энергоблоков станции вводились в строй с 1969 по 1980-й год. После запуска 9-го энергоблока мощностью 1 200 МВт суммарная мощность Костромской ГРЭС достигла 3 600 МВт.
7. Сургутская ГРЭС-1 (3 268 МВт)
Первая Сургутская ГРЭС старше своей более мощной тёзки почти на полтора десятилетия – её первый энергоблок был запущен в 1972 году. Затем каждый год начиналась эксплуатация ещё одного энергоблока. В итоге их было построено 16. Их общая мощность составляет 3 268 МВт.
40% электроэнергии, вырабатываемой на станции, производится на попутном газе, остальная часть на природном.
6. Пермская ГРЭС (3 260 МВт)
5. Рязанская ГРЭС (3 130 МВт)
Несмотря на название, Рязанская ГРЭС расположена довольно далеко (80 км) от Рязани в городе Новомичуринск. Строительство ГРЭС было начато в 1971 году, завершено через 10 лет.
Изначально станция работала на каменном угле. Однако после модернизации в середине 1980-х годов два энергоблока перевели на природный газ. Всего 6 энергоблоков Рязанской ГРЭС могут вырабатывать 3 130 МВТ электроэнергии. Дымовые трубы электростанции имеют высоту 180 и 320 метров.
4. Киришская ГРЭС (2 600 МВт)
Станция расположена в Ленинградской области, в городе Кириши (это около 150 км от Петербурга). Проект Киришской ГРЭС был утверждён правительством СССР в 1961 году, тогда же и началось строительство. Станция, работавшая на мазуте, дала первый ток в октябре 1965 года.
Киришская ГРЭС уникальна тем, что с начала своей эксплуатации она практически непрерывно достраивается или модернизируется. Процесс прерывался лишь в 1983 – 1999 годах. В остальное время вводились в строй новые мазутные энергоблоки, переводились на природный газ старые, строились парогазовые блоки и т. п. В результате Киришская ГРЭС вышла на мощность 2 600 МВт.
3. Конаковская ГРЭС (2 520 МВт)
С 1965 по 1982 год Конаковская ГРЭС работала на привозном мазуте, сжигая до 10 000 тонн топлива в сутки. Затем её перевели на природный газ. Расположенная в Тверской области электростанция имела проектную мощность 2 400 МВт, однако после модернизации её мощность увеличилась до 2 520 МВт.
2. Ириклинская ГРЭС (2 430 МВт)
Ириклинская ГРЭС была построена на берегу водохранилища, образованного одноимённой гидроэлектростанцией в Оренбургской области. Через семь лет после начала строительства в 1963 году станция, работающая на природном газе, дала первый ток. На максимальную мощность 2 430 МВт Ириклинская ГРЭС вышла в 1979 году. Интересно, что дымовые трубы станции одновременно используются кА опоры линий электропередач.
1. Ставропольская ГРЭС (2 419 МВт)
Самая южная из крупных ТЭС России расположена в посёлке Солнечнодольск Ставропольского края. Как и многие другие ГРЭС, Ставропольская изначально (с 1974 года) работала на мазуте, а в 1980-х годах была переведена на газ. 8 энергоблоков станции вырабатывают 2 419 МВт электроэнергии. В 2010-х годах планировалось построить ещё один энергоблок, но затем это решение отменили.
Расположение электростанций диктуется прежде всего потребностями экономики и населения страны, по возможности недалеко от основных потребителей энергии. Как следствие, строятся они в основном в традиционных промышленных районах и вблизи крупных городов. Исключением являются гидроэлектростанции, расположение которых диктуется в первую очередь природными условиями - наличием подходящих для строительства ГЭС участков на крупных реках. Самые мощные ГЭС расположены на сибирских реках, и в этом случае не электростанции следовали за потребителями, а потребители (в основном характеризующиеся высокой энергоемкостью предприятия по производству первичного алюминия) располагались рядом с электростанциями.
Электростанцией с наибольшей установленной мощностью - 6,4 ГВт - в России до аварии в 2009 году была Саяно-Шушенская ГЭС, расположенная на Енисее. По состоянию на июнь 2012 года введены в строй агрегаты суммарной установленной мощностью 3,2 ГВт. До восстановления Саяно-Шушенской ГЭС крупнейшей электростанцией России является построенная на той же реке Красноярская ГЭС (6 ГВт).
Три крупные ГЭС расположена на реке Ангаре: Братская с установленной мощностью 4,5 ГВт, Усть-Илимская (3,4 ГВт) и Богучанская (3 ГВт - в процессе строительства).
В России находится крупнейшая в мире тепловая электростанция - Сургутская ГРЭС-2 с установленной мощностью 5,6 ГВт. Установленная мощность Сургутской ГРЭС-1 - 3,3 ГВт, обе электростанции работают на газовом топливе.
Крупнейшая угольная ТЭС - Рефтинская ГРЭС мощностью 3,8 ГВт.
Использующая мазут в качестве топлива Костромская ГРЭС обладает установленной мощностью 3,6 ГВт. Крупнейшие атомные станции мощностью 4,0 ГВт: Балаковская, Курская, Ленинградская АЭС.
Структура и объёмы потребления в России
В структуре потребления электрической энергии большая часть - 54,3% - приходилась в 2010 году на промышленность и коммунальное хозяйство, в том числе 11,3% пришлось на добывающие отрасли, 30,3% - на обрабатывающую промышленность. Потребление населения составило 12,5%, транспорта и связи - 8,7%, сельского хозяйства -1,7%, строительства -1 %. На потери пришлось 10,3% от общего объема потребления электрической энергии.
В географическом разрезе (по федеральным округам) максимальная доля от суммарного объема потребления в Российской Федерации пришлась на Сибирский федеральный округ - 21,4%. Доля Центрального федерального округа составила 20,3%, Приволжского - 17,9%, Уральского - 17,7%, Северо-Западного - 10,4%, Южного - 6%, Дальневосточного - 4,2%, Северо-Кавказского - 2,2%.
Следует отметить, что структура потребления электрической энергии по регионам может существенно отличаться в зависимости от местных условий. Так, если в Чеченской Республике и Республике Дагестан доля населения в суммарном потреблении электрической энергии составляла в 2010 году 36,5% и 33,1% соответственно, то в Республике Хакасия и Тюменской области - 4,3% и 5,3%. Доля потребления электрической энергии промышленностью колебалась от 86% в Республике Хакасия до 5,6% в Чеченской республике.
Динамика потребления электрической энергии и мощности в Российской Федерации демонстрирует падение с 1990 по 1998 годы, и постепенный рост спроса с 1999 года, с падением в 2009 году.
В целом динамика электропотребления совпадает с динамикой промышленного производства. Наиболее быстрое падение потребления отмечалось в 1991-1994 годах, наиболее тяжелых для российской экономики. После кризиса 1998 года начинается десятилетний период экономического роста, сопровождающийся ростом спроса на электрическую энергию.
Динамика потребления электрической энергии и мощности в 1990-2010 гг представлена на рис.6
Гидроэнергетика России
По степени освоения экономически эффективных гидроэнергетических ресурсов Россия значительно уступает таким экономически развитым странам, как США и Канада.
В таблице1 приведены данные об экономическом потенциале гидроэнергетических ресурсов рек некоторых стран и степени его использования.
Табл. 1 Данные об экономическом потенциале гидроэнергоресурсов рек некоторых стран и степени его использования.
Водные ресурсы России составляют около 11% мировых ресурсов. Согласно исследованиям проведенным около 30 лет назад, экономический потенциал водных ресурсов нашей страны оценен в 852 млрд. кВтч. В России наибольший экономический потенциал сосредоточен в Восточно-Сибирском регионе – 350 млрд. кВтч, Дальневосточном – 294 млрд. кВтч и Западно-Сибирском – 77 млрд. кВтч. На начало 2000 г. этот потенциал использован на 23,4 %, в том числе в Европейской части на 46,6%, в Сибири на 19,7%, на Дальнем Востоке всего лишь на 3,3%.
Табл. 2 Региональное распределение гидроэнергетического потенциала России.
Таблица 3 Действующие ГЭС России мощностью свыше 1000 МВт
