Проблемы теплоэнергетики в России

Содержание

С

1 Введение 3

2 Тепловая энергетика 3

3 Теплоэнергетика  или Как работает  ТЭС? 4

4 Проблемы теплоэнергетики  в России 5

5 Основные понятия  взаимодействия теплоэнергетики  и окружающей среды 9

6 Примесные выбросы  теплоэнергетических  объектов и их  распространение 11

Список  литературы 15 

       1 Введение

Теплоэнергетика, отрасль теплотехники, занимающаяся преобразованием теплоты в другие виды энергии, главным образом в механическую и электрическую. Для генерирования механической энергии за счёт теплоты служат теплосиловые установки; полученная в этих установках механическая энергия используется для привода рабочих машин (металлообрабатывающих станков, автомобилей, конвейеров и т. д.) или электромеханических генераторов, с помощью которых вырабатывается электроэнергия. Установки, в которых преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется без электромеханических генераторов, называются установками прямого преобразования энергии. К ним относят магнитогидродинамические генераторы, термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи энергии.

       2 Тепловая энергетика

В тепловой энергетике производство электрической  энергии производится на тепловых электростанциях, использующих последовательное преобразоване естественной энергии органического топлива в тепло- и электро- энергию. ТЭС делятся на:

• Паротурбинные;
• Газотурбинные;
• Парогазовые.

Теплоэнергетика в мире занимает ведущую роль среди  остальных видов. Из нефти производится 39 % всей электроэнергии в мире, на основе угля — 27 %, на основе газа — 24 %. 

В Польше и ЮАР  энергетика по большей части основана на сгорании угля, а в Голландии  — на основе газа. Большая доля теплоэнергетики  в таких странах как Китай, Австралия и Мексика. 
Основополагающим оборудованием ТЭС являются такие составляющие как котел, турбина и генератор. При сжигании топлива в котле выделяется теплоэнергия, которая преобразуется в водяной пар. Энергия водяного пара в свою очередь поступает в турбину, которая вращаясь, превращается в механическую энергию. Генератор же эту энергию вращения преобразует в электрическую. Теплоэнергия при этом может также использоваться для нужд потребителя. 
Теплоэлектростанции имеют как свои плюсы, так и минусы. 
Положительные факторы:  
- относительно свободное месторасположение, связанное с месторасположением ресурсов топлива; 
- способность производить электроэнергию не зависимо от сезонных колебаний. 
Отрицательные факторы: 
- ТЭС обладает низким КПД, если точнее, то всего около 32% энергии природных ресурсов преобразуется в электрическую; 
 -топливные ресурсы - ограничены. 
 - негативное влияние на окружающую среду.

       3 Теплоэнергетика или Как работает ТЭС?

   Теплоэнергетика, по справедливости, является основным ускорителем темпов развития мировой экономики. 
    Теплоэнергетика - отрасль тепловой техники, которая занимается превращением теплоты  в другие виды энергии (как правило в механическую и электрическую). 
    На данный момент одними из самых распространенных источников электрической энергии являются тепловые электростанции (ТЭС), в основе которых прослеживается такая  цепочка превращения энергии: 
ТЕПЛО --> МЕХАНИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ --> ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ 
    Топливо (уголь, природный газ и мазут)  и окислитель (подогретый воздух) постоянно подаются  в топку парового котла. 
    При сжигании топлива выделяется тепло, за счет которого вода в паровом котле преобразуется в пар с температурой около 550 градусов по Цельсию и высоким давлением. 
    Затем пар направляется в паровую турбину, где происходит превращение тепловой энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбогенератора. 
    Вал турбины и вал электрогенератора соединены между собой. Пар, вращая ротор паровой турбины, который находится на одной оси с ротором электрического генератора, вращает и ротор электрогенератора. 
    Пар, передавая энергию турбине, затем остывает и с низким давлением направляется в конденсатор. Там пар превращается в воду (при этом используется охлаждающая вода, прокачивающаяся по расположенным внутри конденсатора трубкам), которая снова спецнасосом направляется в паровой котел. Затем эта последовательность преобразования энергии повторяется снова. 
    Стоит отметить, что объем охлаждающей воды должен во много раз превышать объем конденсируемого пара. Поэтому ТЭС, как правило, сооружают вблизи крупных водоемов. 

       4 Проблемы теплоэнергетики в России

В настоящее  время топливно-энергетический комплекс России переживает очень сложное  состояние, связанное с мировым  кризисом, низкими инвестициями в  энергетику, старением энергетического  оборудования и общим падением промышленного  производства.

Тепловые  электростанции (ТЭС), призванные решать проблемы тепла и электроснабжения, были построены в середине прошлого века и давно выработали свой ресурс.

Статистика: 76% всех ТЭС имеют возраст более 30 лет, 90% всех действующих турбин имеют  возраст более 15 – 20 лет.

Высокая доля изношенного оборудования ведет  к снижению показателей эффективности  отечественной энергетики, которые  уступают зарубежным мировым аналогам. Энергоемкость отечественного производства в 2-3 раза превышает удельную энергоемкость  экономик развитых стран, при этом удельный расход топлива на выработку 1 квт*ч  в нашей стране не оправданно велик, и требует снижения до приемлемых величин – с 360 до 280 грамм условного  топлива. Перечисленные недостатки приводят к энергодефициту, который является естественным ограничителем экономического роста страны.

По общепринятому  мнению, наращивание энергетических мощностей должно быть пропорционально  экономическому росту. При общем  объёме энергетических мощностей страны более 200 Гигаватт и ожидаемом росте  ВВП в ближайшие 2-3 года в 3-4%, для  обеспечения потребностей экономики  страны в энергии необходимо вводить 6-8 Гигаватт генерирующих мощностей  ежегодно. При более же благоприятных  условиях роста ВВП в период после  кризиса - еще больше. В соответствии с «Энергетической стратегией развития России на период до 2020 года» планировалось  в ближайшие четыре года ввести 27-28 Гигаватт генерирующих мощностей, по 7 Гигаватт в год. Реально дело обстоит  иначе, за 2009 год было всего введено 1,7 Гигаватт мощностей, что в 5 раз меньше необходимого.

Что касается структуры произведенной электрической  энергии на сегодняшний день в  РФ , то на тепловых станциях вырабатывается 60% всей электроэнергии и 32% всей тепловой энергии, причем выработка электроэнергии в комбинированном режиме (вместе с теплом) составляет всего лишь треть, остальная электроэнергия на ТЭС вырабатывается в конденсационном  режиме, т.е. с кпд всего лишь 25-37%.

В сегодняшней  теплоэнергетике положение усугубляется еще и тем, что сокращение объемов  промышленного производства в промышленных регионах не сопровождалось адекватным снижением объемов потребления  электрической энергии. При наличии  большого резерва электрической  мощности на ТЭС, но из-за снижения потребности  у потребителя в производимом рабочем паре, противодавленческие турбоагрегаты простаивали, а турбины типа ПТ (с промышленным отбором тепла) были не загружены. В период развала СССР была утрачена единая плановая система эксплуатации и обслуживания централизованных систем энерго и тепло снабжения. Не было средств для своевременного ремонта и замены генерирующих мощностей, по этим причинам ориентация на централизованное тепло-электроснабжение от крупных источников становится проблематичной. Традиционные централизованные теплофикационные системы не обеспечивают расчетной экономии топлива и общей эффективности по двум причинам:

а) кпд котельных практически доведен до кпд энергетических котлов,

б) имеются  огромные потери (до 30%) при транспортировке  тепла к потребителю. 82% магистральных  тепловых сетей требуют кап. ремонта  или замены, где на каждые 100 км ежегодно регистрируется до 70 повреждений, с  ежегодной, до 250 млн.тн. утечкой теплофикационной воды.

В этих условиях наметилась тенденция на строительство  децентрализованных комбинированных  источников электроснабжения и теплоснабжения, с более короткими сроками  ввода в эксплуатацию и меньшими капитальными затратами в сравнении  с традиционными электростанциями. Для решения проблем электроэнергетики  и ресурсного роста экономики  необходимо повсеместно, массово вводить  новые генерирующие мощности, используя  при этом только эффективные технологии на основе инноваций. Требуется заменять паросиловую генерацию на парогазовую, внедрять газотурбинные и газопоршневые установки (в зависимости от стоящих задач, условий и требуемых мощностей), необходимо применять высоко эффективные установки с когенерацией и тригенерацией на базе газотурбинных электростанций, имеющих большую температуру тепла выхлопа, которая используется в ТЭС с использованием когенерации и тригенерации, что в свою очередь позволяет достичь высокого КПД сжигаемого топлива до – 86% и более.

Применение  газовых машин в котельных, где  подведен газ, позволит вырабатывать электроэнергию для проблемных районов и собственных  нужд, что в свою очередь повышает надежность теплоснабжения потребителей, позволяет снизить удельные расходы  топлива на единицу получаемой тепловой и электрической энергии. При  широкомасштабной реконструкции котельных  с тепло производительностью 50 Гкал/час  и более, с размещением в них  газотурбинных установок, их суммарная  установленная мощность только в  европейской части России (включая  Урал) может достичь 10 000-15 000 Мвт. При правильном выборе теплофикационного оборудования, кпд таких когенерационных проектов может находиться в пределах 80-90%. Имея время запуска 10-15 минут (включая синхронизацию и набор нагрузки) можно довольно быстро реагировать на рост пиковой мощности, тем самым разгружая другие электростанции. Еще одно преимущество когенерационных проектов - возможность «развязать» выработку электроэнергии и тепла, летом такая когенерационная станция работает в режиме потребления тепла, с производством дополнительной электроэнергии. 
 
 

       5 Основные понятия взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды

Теплоэнергетика является одной из основных составляющих энергетики и включает в себя процесс  производства тепловой энергии, транспортировки, рассматривает основные условия  производства энергии и побочные влияния отрасли на окружающую среду, организм человека и животных.

Процесс производства тепловой энергии осуществляется на тепловых электрических станциях. Существует несколько видов тепловых электростанций:

1. Котлотурбинные электростанции:

• конденсационные электростанции (КЭС, исторически получили название ГРЭС - государственная районная электростанция) – это тепловые паротурбинные электростанции, назначение которых — производство электрической энергии с использованием конденсационных турбин; на КЭС применяется органическое топливо: твердое топливо, преимущественно уголь разных сортов в пылевидном состоянии, газ, мазут и т. п.

• теплоэлектроцентрали (теплофикационные электростанции, ТЭЦ; главное отличие ТЭЦ от КЭС состоит в возможности отобрать часть тепловой энергии пара, после того, как он выработает электрическую энергию. В зависимости от вида паровой турбины, существуют различные отборы пара, которые позволяют забирать из нее пар с разными параметрами.)

2. Газотурбинные электростанции;

• Электростанции на базе парогазовых установок;
• Электростанции на основе поршневых двигателей:
• с воспламенением от сжатия (дизель);
• с воспламенением от искры;
• Комбинированного цикла.

Основными являются ТЭС и ТЭЦ. Эти два  вида предприятий на данный момент являются основными поставщиками тепловой, а также электрической энергии, поскольку эти виды энергоресурсов очень тесно связаны. В настоящее  время широкое применение находит  способ поместная система снабжения  тепловой энергией, которая применяется  как на крупных промышленных предприятиях, так и для отопления жилых площадей.

В соответствии с установившейся терминологией, теплоэнергетика  включает в себя получение, переработку, преобразование, переработку, хранение и использование энергоресурсов и энергоносителей всех типов.

Согласно  определению, теплоэнергетика обладает развитыми внешними и внутренними  связями и её развитие неотделимо от всех направлений жизнедеятельности  человека, связанных с использованием энергии (в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, на транспорте и в быту).

Развитие  теплоэнергетики характеризуется  ускорением темпов роста, изменением всех количественных показателей и структуры  топливно-энергетического баланса, глобальным охватом всех видов ресурсов органического топлива, вовлечением  в сферу использованием ядерного горючего.

В общем  случае различаются 4 основные стадии трансформации первичных тепловых ресурсов (от их природного состояния, находящегося в динамическом равновесии с окружающей средой, до конечного  использования).

1. Извлечение, добыча или прямое использование  первичных природных ресурсов  тепловой энергии.

2. Переработка  (облагораживание) первичных ресурсов  до состояния, пригодного для  преобразования или использования.

3. Преобразование  связанной энергии переработанных  ресурсов в тепловую энергию  на тепловых станциях (ТЭС), централях  (ТЭЦ), на котельных.

4. Использование  энергии.

Несмотря  на единство всех этих стадий, каждая из них основана на различных физических, физико-химических и технологических  процессах, различающихся по масштабам, времени функционирования и другим признакам.

Взаимодействие  теплоэнергетики и окружающей среды  происходит во всех стадиях иерархии топливно-энергетического комплекса: добыче, переработке, транспортировке, преобразование и использование  тепловой энергии. Это взаимодействие обусловлено как способами добычи, переработки и транспортировки  ресурсов, связанных с воздействием на структуру и ландшафты литосферы, потребление и загрязнение вод  морей, озёр, рек, изменением баланса  грунтовых вод, выделением теплоты, так и использованием тепловой энергии от источников. 

       6 Примесные выбросы теплоэнергетических объектов и их распространение

 В  первую очередь при анализе  взаимодействия теплоэнергетики  и окружающей среды должны  быть рассмотрены элементарные  процессы происходящие при сжигании  топлива (в особенности органического), так как при его сжигании  образуется большое количество  вредных соединений (оксиды азота,  серы, сажа, соединения свинца, водяной  пар).

 Различные  компоненты продуктов сгорания  топлива, выбрасываемые в атмосферу,  гидросферу, литосферу и во время  пребывания ведущие себя по-разному  (изменяется t, свойства) называются примесными выбросами.

 При  выходе в атмосферу, выбросы  содержат продукты реакций в  твёрдой, жидкой и газообразной  фазах.

Изменение состава выбросов.

После их выпадения могут проявляться  в виде: осаждения тяжёлых фракций, распада на компоненты по массе и  размерам, химических реакций с компонентами воздуха, взаимодействием с воздушными течениями, с облаками, с атмосферными осадками, фотохимические реакции. В  результате, состав выбросов может  существенно измениться, могут появиться  новые компоненты, поведение и  свойства которых (в частности, токсичность, активность, способность к новым  реакциям) могут значительно отличаться от данных.

 Газообразные  выбросы образуют соединения  углерода, серы и азота. 

Оксиды  азота практически не взаимодействуют  с другими веществами в атмосфере  и время их существования почти  не ограничено. Сернистый ангидрид (SO2)один из токсичных газообразных выбросов теплоэнергоустановок, с небольшой продолжительностью пребывания в атмосфере, в присутствии кислорода воздуха (О2) доокисляется до SO3 и, вступая в реакцию с водой(Н2О)образует слабый раствор серной кислоты (Н2SO4). В процессе горения в атмосфере кислорода воздуха азот, в свою очередь образует ряд соединений:N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 и N2O5.

В присутствии  влаги NO2 легко вступает во взаимодействие с кислородом воздуха, образуя азотную  кислоту (НNO3).

 Неуклонный  рост поступлений токсичных веществ  в окружающую среду, прежде  всего отражается на здоровье  населения Земли, ухудшает качество  продукции сельского хозяйства,  снижает урожайность, оказывает  влияние на климатические условия  отдельных регионов мира, состояние  озонового слоя Земли, приводит  к гибели флоры и фауны. 

 Можно  выделить несколько основных  групп наиболее важных взаимодействий  теплоэнергоустановок с конденсированными компонентами окружающей среды.

 а)  Водопотребление и водоиспользование, обуславливающее изменение естественного материального баланса водной среды(перенос солей, питательных веществ).

 б) Осаждение на поверхности твёрдых выбросов продуктов сгорания органических топлив из атмосферы, вызывающее изменение свойств воды, её цветности, альбедо.

 в) Выпадение на поверхности в виде твёрдых частиц и жидких растворов продуктов выброса в атмосферу, в том числе: кислот и кислотных остатков, металлов и их соединений, канцерогенных веществ.

 г)Выбросы непосредственно на поверхность суши и воды продуктов сжигания твёрдых топлив(зола, шлаки), а также продуктов продувок, очистки поверхностей нагрева (сажа, зола).

 д)Выбросы на поверхность воды и суши твёрдых топлив при транспортировке, переработке, перегрузке.

 е)Выбросы твёрдых и жидких радиоактивных отходов, характеризуемых условиями их распространения в гидросфере и литосфере.

 ж)Выбросы теплоты, следствиями которых могут быть: постоянное локальное повышение температуры в водоёме, временное повышение температуры, изменение условий ледосостава, зимнего гидрологического режима, изменение условий паводков, изменение распределения осадков, испарений, туманов.

 з)Создание водохранилищ в долинах рек или с использованием естественного рельефа поверхности, а также создание искусственных прудов-охладителей, что вызывает: изменение качественного и количественного состава речных стоков, изменение гидрологии водного бассейна, увеличения давления на дно, проникновение влаги в разломы коры и изменение сейсмичности, изменение условий рыболовства, развития планктона и водной растительности, изменение микроклимата, изменение условий отдыха, спортивных занятий, бальнеологических и других факторов водной среды.

 и)  Изменение ландшафта при сооружении разнородных теплоэнергетических объектов, потребление ресурсов литосферы, в том числе: вырубка лесов, изъятие из сельскохозяйственного оборота пахотных земель, лугов, взаимодействие берегов с водохранилищами.

 к)Воздействие выбросов, выносов и изменение характера взаимодействия водных бассейнов с сушей на структуру и свойства континентальных шлейфов.

Примесные загрязнения могут суммарно воздействовать на естественный круговорот и материальные балансы тех или иных веществ  между атмосферой, гидросферой и  литосферой.

 Из  анализа общих схем взаимодействия  теплоэнергетических установок  с окружающей средой, следует,  что основным фактором взаимодействия  ТЭЦ и ТЭС с водной средой  является потребление воды системами  технического водоснабжения, в  том числе безвозвратное потребление  воды. Основная часть расхода  воды в этих системах на  охлаждение конденсаторов паровых  турбин. Остальные потребители технической  воды (системы золо- и шлакоудаления, химводоочистки, охлаждения и промывки оборудования) потребляют 7% общего расхода воды, являясь при этом , основным источником примесного загрязнения.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Список  литературы

1 Энергоконсультант//Современная теплоэнергетика. Дата обновления 30.06.2008. URL: http://www.energocon.com/pages/id1100.html

2 Все об энергетике. Дата обновления 26.12.2010 URL : http://energomir.blogspot.com/2011/05/blog-post.html

3 В.Р.Битюкова, В.О.Бурденко. Тепловая энергетика России. М., 2004

4 В.В. Алексеев Энергетика и экология / В.В. Алексеев, Н.А. Рустамов // Экология и жизнь. – 1997. – №2-3. – С. 41-46

5 В.А. Григорьев Промышленная теплоэнергетика и теплотехника / В.А. Григорьев, В.М. Зорин. – М.: Энергопромиздат, 1991. – 558 с.