ТЭЦ: что такое, принцип работы

Электростанции, применяющие тепловую энергию, подразделяются на конденсационные (КЭС) и теплоцентрали (ТЭЦ). Блоки этих станций производят электроэнергию и тепло с помощью сжигания разнообразных видов топлива. Различают их по тому, какой тип энергии производят и используют различные виды топлива в своей работе.

Что такое ТЭЦ?

Теплоцентраль — это тип электростанции, который создает тепловую энергию параллельно с электричеством. По системам труб и кабелей энергия передается для использования в жилых домах или промышленных объектах. Тепло передается в виде горячей воды или пара. Различия между конденсационной и теплоцентралью связаны с долей выработки тепловой, электрической энергии, а также конструкций паровой турбины.

Теплоэлектроцентральные станции (ТЭЦ) функционируют в двойном режиме:

• тепловой — когда производство тепла играет первостепенную роль, а генерация электроэнергии зависит от этого;
• электрическом — когда производство электроэнергии является приоритетным, а производство тепла снижается или приостанавливается, к примеру, летом.

Как правило, на ТЭЦ устанавливают паровые турбины для производства тепла, так как они одновременно генерируют и тепло, и энергию.

Данный тип станций имеет в своём арсенале тепловые двигатели, работающие по различным принципам.

• с возможностью регулировки объема пара;
• с избыточным давлением при выпуске среды через клапан;
• с одновременным противодавлением и регулированием.

Подавляющая часть пара в тепловых двигателях с регулированием объёма происходит через конденсатор, остальная же доля – сквозь две ступени. Давление пара регулируется специальной системой с лопатками в форме диафрагмы за отборной камерой. Лопатки разделены на две половины, которые имеют возможность поворачиваться относительно друг друга. 

Для различных технологических процессов, направленных на отопление используются агрегаты имеющие противодавление. Потребности пользователей влияют на мощность оборудования. Турбины с противодавлением работают параллельно с конденсационным модулем для компенсации недостатка в производстве электроэнергии.

В комбинированных устройствах с избыточным давлением при выпуске, часть пара отводится через промежуточные ступени, а отработанный пар направляется в отопительную систему или к котельным для подогрева энергоносителя.

Теплоэлектроцентрали имеют высокий КПД по сравнению с генерирующими только электроэнергию станциями. Производство электроэнергии и тепла вместе увеличивает КПД на 5–7% (для теплоэлектроцентралей 35–43%, для электростанций – 30%). Турбины ТЭЦ имеют возможность отбора определенного количества пара, чего нет в обычных электростанциях.

Устройство и принцип работы

Принцип работы теплоэлектростанций очень сложен, состоит из нескольких этапов. Сперва топливо сгорает в парогенераторе, где осуществляется нагрев пара до водяного состояния. Потом данная жидкость передается в котел с внутренними  трубками. Влажный воздух с высокой температурой и разным напором направляется в турбогенератор, который является комбинацией генератора электричества (паровой машины) вместе со вспомогательными механизмами – греющим насосом.

Тепловая энергия частично преобразуется в механическую для обеспечения вращения вала, на котором установлен электрогенератор. Часть энергии направляется в тепловую магистраль или котельные для подогрева теплоносителя.

Главное здание включает очистные сооружения для дымовых выбросов, архитектурно составляющие основу плана теплоэлектростанции. Наружный облик корпуса с турбинами статичен, в то время как другая сторона имеет изменяемый характер.

Сортировочные устройства могут быть открытыми или закрытыми в зависимости от конкретных нужд отрасли электроэнергетики. В этом случае они располагаются рядом с турбинной частью основного корпуса. От распределительной установки идут высоковольтные линии электропередачи.

Градирня, расположенная у постоянной стороны фронта турбинной части, находится на расстоянии, чтобы пары не воздействовали на нее. Отсеки подогрева воды могут быть установлены параллельно или перпендикулярно  основному зданию.

Бытовые и административные помещения находятся с постоянной стороны фасада для обеспечения удобства связи с основным отсеком. ТЭЦ имеет возможность расширения главных строений, систем очистки и отопления. Ещё параллельно с основным корпусом возводятся дороги и железнодорожные пути, которые соединяют все здания на участке.

Технологическая последовательность процессов включает в себя несколько этапов:

• разгрузка и складирование топлива, его подача к топке;
• сжигание топлива и образование пара;
• применение пара для вращения турбин и производства электричества;
• отбор части пара для отопления и подогрева;
• поставка энергоносителей и горячей воды потребителям;
• преобразование электрической энергии и ее передача потребителям.

При сжигании топлива в топке осуществляется нагрев воздуха, который является окислителем. Конечными продуктами можно назвать тепловые ресурсы и производство электричества.

Теплоэлектроцентрали могут иметь различные конструкции: с поперечными связями или блочным расположением, что характеризует современные энергетические комплексы.

Данное различие заключается в технологическом способе соединения котлов и турбин.

Вариант с поперечными связями предусматривает соединение паровых и водяных турбин, что дает возможность перемещать пары между установками. Данный вариант имеет гибкое управление и быструю реакцию на изменения потребностей. Все системы должны иметь одинаковый рабочий график, и для переноса пара вдоль основного корпуса используются паропроводы.

Приборы с блочной компоновкой имеют независимые процессы в каждом модуле. Проводится управление через специально разработанные модели регулирования и согласования для различных блоков.

По типу производимых агрегатов можно выделить ТЭЦ с парогазовыми котлами, паровыми установками, атомными реакторами. Также можно встретить теплоэлектроцентрали, где отсутствуют паровые турбины, а используют газотурбинные комплексы. На станции часто стоит различное оборудование, так как ТЭЦ модернизируются и расширяются в соответствии с потребностями.

Данные установки классифицируют в зависимости от типа используемого топлива, среди них:

• твердотопливные (как бурый и каменный уголь, антрацит и полуантрацит, сланцы, торф);
• Газовые варианты (доменный газ, коксовый, природный газ);
• Также жидкотопливные устройства (мазут).

Все более популярным становится использование газотурбинных комплексов, которые применяют смесь нагретых газов, которые образовываются при сжигании жидкого или газообразного топлива, для вращения лопастей турбины. После этого нагретая газовая смесь имеет достаточную температуру, чтобы питать парогенератор или применяться для обеспечения теплоснабжения.

Еще одно отличие основано на типе производства тепла:

• Многие агрегаты имеют раздельный отбор пара, обозначаемый буквой Т в маркировке турбин (например: Т-110/130);
• Другие агрегаторы оборудованы координируемыми отборами энергии для производственных нужд (обозначаются буквой П, а если агрегат имеет противодавление, то дополнительно буквой Р).

Обычно устанавливают комбинации регулируемых типов отбора, где число нерегулируемых откачиваний для поддержания работы турбины может быть любым, однако не больше девяти. В производственных отборах напор всегда выше, чем в теплоснабжающих (1 – 2 МПа и 0,05 – 0,3 МПа).

Если есть противодавления, то это указывает на отсутствие конденсатора у турбины, а отходящий пар направляется на производственные цели комплекса. Однако данные модули не имеют возможности работать, если отсутствует связь с потребителем.

Преимущества и недостатки тепловых электростанций (ТЭС)

Преимущества и недостатки тепловых электростанций (ТЭС) можно выделить следующим образом:

Преимущества:

• Относительная доступность в строительстве самих станций.
• При применении определенных типов топлива, стоимость производства энергии может быть относительно невысокой.
• Присутствует возможность генерировать не только электроэнергию, но и тепло для конечных потребителей.
• Широкий спектр применения: от обеспечения маленьких поселений электричеством до поддержки крупных предприятий и городов.

Недостатки:

• Необходимость строить инфраструктуру для непрерывной поставки топлива. Это могут быть дороги для автомобильного или железнодорожного транспорта, или же проведение газопроводов для газовых станций.
• Возможное загрязнение окружающей среды, особенно в случае угольных ТЭС. 
• Потери энергии при процессе производства электричества.

ТЭС, ТЭЦ, ГРЭС, ГЭС — в чем разница?

ТЭС создают простые процессы для генерации энергии. Они могут работать на самых разных видах топлива, включая уголь, газ или мазут. Начинается данный процесс с горения топлива, выделяющего тепло, которое потом преобразуется в механическую энергию через турбину. Турбина, вращая ротор генератора, создает электрическую энергию. Но эффективность ТЭС не более 40%, так как основная часть энергии тратится на охлаждение и в системе трубопроводов.

ТЭЦ, в свою очередь является тепловой электрической станцией, но с фокусом на централизованном использовании тепла. В отличии от ТЭС, в которых избыточное тепло уходит на охлаждение, в ТЭЦ оно применяется для центрального отопления зданий где бы то ни было: жилых или административных. Это даёт ТЭЦ возможность повышать КПД до 70%, при этом перерабатывая паразитное тепло в полезное для отопления.

Гидроэлектростанции, или ГЭС, применяют потенциальную энергию воды для вращения турбин и генерации электричества. Они находятся на реках и могут работать исходя из объема воды, что делает их мощность зависящей от погодных условий. За счет использования воды как потенциальной энергии КПД может достигать до 95%.

ГРЭС , или гидрорециркуляционные электростанции, отличаются от прочих. Сегодня они известны как конденсационные электростанции. Данное наименование устарело и не всегда соответствует их повседневной функциональности.

Можно ли организовать собственную выработку электроэнергии и тепла на предприятии?

Классические ТЭЦ обеспечивают совместную выработку электрической и тепловой энергии, однако строительство такой станции требует подходящей инфраструктуры, значительных капитальных вложений и учета особенностей потребления тепла и электроэнергии. Для отдельных промышленных предприятий альтернативой может стать собственная распределенная генерация.

Одно из решений для таких задач — газопоршневые электростанции (ГПЭС). Они используют газовый двигатель внутреннего сгорания, который приводит в действие электрогенератор. В отличие от классической паротурбинной схемы ТЭЦ, электроэнергия здесь производится непосредственно за счет работы двигателя.

При оснащении системы утилизацией тепла можно использовать энергию системы охлаждения двигателя и выхлопных газов для отопления, горячего водоснабжения и технологических нужд. Такой подход называют когенерацией — совместной выработкой электрической и тепловой энергии.

Газопоршневые электростанции могут применяться на промышленных предприятиях, производственных площадках, в логистических комплексах и других объектах с регулярным потреблением электроэнергии. Их целесообразность зависит от доступности газа, графика нагрузки, тарифов на электроэнергию, потребности в тепле и стоимости подключения к внешним сетям.

Если предприятие рассматривает переход к собственной генерации, важно сравнить не только тип оборудования, но и экономику проекта в целом: затраты на строительство и обслуживание, стоимость топлива, режим работы и возможную экономию.

Посмотреть доступные решения можно в каталоге газопоршневых электростанций. Чтобы подобрать оборудование под параметры конкретного объекта, оставьте заявку на консультацию.

Часто задаваемые вопросы о ТЭЦ

Может ли промышленное предприятие построить собственную ТЭЦ?

Да, собственная энергоустановка может быть актуальна для предприятий с высоким и регулярным потреблением электрической и тепловой энергии. При этом необходимо оценить потребную мощность, доступность топлива, требования к подключению, капитальные затраты, эксплуатационные расходы и сроки реализации проекта. Не во всех случаях строительство классической ТЭЦ будет оптимальным решением.

Чем газопоршневая электростанция отличается от классической ТЭЦ?

В классической паротурбинной ТЭЦ топливо используется для получения пара, который приводит в движение турбину. В газопоршневой электростанции газ сгорает в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, а двигатель вращает электрогенератор. При этом ГПЭС также может вырабатывать полезное тепло за счет его утилизации. Выбор технологии зависит от требуемой мощности, графика потребления, инфраструктуры и экономики проекта.

Когда предприятию выгодно рассматривать газопоршневую электростанцию?

ГПЭС стоит рассмотреть, если предприятие потребляет значительные объемы электроэнергии, работает продолжительное время и имеет доступ к подходящему газовому топливу. Дополнительным преимуществом может стать потребность в тепле, которое можно использовать в производственных процессах или системах отопления. Окончательное решение принимается на основании технико-экономического расчета.

Заключение

Теплоэлектроцентрали позволяют совместно производить электроэнергию и тепло, повышая эффективность использования топлива при наличии потребителя для обеих форм энергии. Однако выбор источника энергоснабжения зависит от масштаба объекта, требуемой мощности, доступной инфраструктуры и характера потребления.

Для крупных энергетических комплексов может быть оправдано строительство классической ТЭЦ. Для отдельных промышленных предприятий и производственных площадок альтернативным решением может стать собственная газопоршневая генерация. При использовании утилизации тепла газопоршневая электростанция позволяет организовать когенерацию без классической паротурбинной схемы.

Чтобы определить, какое решение подходит конкретному объекту, необходимо учитывать стоимость электроэнергии из внешней сети, расход газа, график нагрузки, потребность в тепле и расходы на эксплуатацию оборудования. Такой расчет позволяет оценить потенциальную экономию и выбрать оптимальную конфигурацию системы энергоснабжения.