Теплоенергетика. Основні поняття.

Теплоенергетика, галузь теплотехніки, що займається перетворенням теплоти в інші види енергії, головним чином у механічну й електричну. Для генерування механічної енергії за рахунок теплоти використовують теплосилові установки; отримана в цих установках механічна енергія використовується для приведення вдію робочих машин (металообробних верстатів, автомобілів, конвеєрів і т.д.) чи електромеханічних генераторів, за допомогою яких виробляється електроенергія. Установки, у яких перетворення теплоти в електроенергію здійснюється без електромеханічних генераторів, називаються установками прямого перетворення енергії. До них відносять магнітогідродинамічні генератори, термоелектричні генератори, термоемисійні перетворювачі енергії.

Перетворення теплоти в механічну енергію в теплосилових установках засновано на здатності газо- чи пароподібного тіла робити механічну роботу при зміні його об’єму. При цьому робоче тіло повинне зробити замкнуту послідовність термодинамічних процесів (цикл). У результаті такого циклу від одного чи декількох джерел теплоти відбирається визначена кількість теплоти Q₁ і одному чи декільком джерелам теплоти віддається кількість теплоти Q₂, менше, ніж Q₁; при цьому різниця Q₁ – Q₂ перетворюється в механічну роботу А_теор. Відношення отриманої роботи до витраченої теплоти називається термічним ККД цього циклу

У найпростішому випадку цикл може бути здійснений при одному джерелі теплоти з температурою T₁, що віддає теплоту робочому тілу, і одному джерелі теплоти з температурою T_2,  що сприймає теплоту від робочого тіла. При цьому в температурному інтервалі T₁ - T₂ найвищий ККД h_к = 1 - T₂/T₁ серед усіх можливих циклів має Карно цикл, тобто h_к h_t. Кпд, рівний 1, тобто повне перетворення теплоти Q₁ у роботу, можливий або при T₁ = ¥;, або при T₂= 0. Зрозуміло, що жодну з цих умов на практиці реалізувати неможливо. Важливо ще підкреслити, що для земних умов температура Т₂ для теплоенергетичних установок повинна в кращому випадку прийматися рівній температурі Т₀ навколишнього середовища. Одержати джерело теплоти з температурою Т₂ < Т₀ можна лише за допомогою холодильной машини, яка для своєї дії в загальному випадку вимагає витрати роботи. Неможливість повного перетворення теплоти в роботу за умови, що всі тіла, що беруть участь у цих перетвореннях, будуть повернуті у вихідні стани, встановлюється другим законом термодинаміки.

Процеси, що протікають у реальних установках, що перетворять теплоту в інші види енергії, супроводжуються різними втратами, у результаті чого одержувана дійсна робота А_дійсн. виявляється меншою за теоретично можливу роботу А_теор. Відношення цих робіт називається відносним ефективної ККД установки h_oe, тобто,

                                                                                                             (2)

Теплові електростанції. Основу сучасної теплоенергетики складають теплосилові установки паротурбінних електростанцій, що складаються з котла і турбіни. У СРСР на таких електростанціях у 1975 було вироблено більш 80% всієї електроенергії. У великих містах найчастіше будуються ії (ТЕЦ), а в районах з дешевим паливом - конденсаційні електростанциї (КЕС).

Відмінність ТЕЦ від КЕС полягає в тому, що ТЕЦ віддає споживачу не тільки електроенергію, але і теплоту з мережною водою, нагрітої в бойлерах до 150-170 °С. Мережна вода по магістральних теплопроводах подається в житлові масиви і далі або безпосередньо, або через проміжні теплообмінники направляється на опалення і гаряче водопостачання. Турбіни ТЕЦ крім регенеративних доборів пари мають один чи кілька регульованих теплофікаційних доборів. Така турбіна працює за графіком теплового споживання, і в найбільш холодний час року пропуск пари в конденсатор практично дорівнює нулю. Опалення від ТЕЦ економичныше,ніж від індивідуальних і навіть центральних котелень, тому що на ТЕЦ мережна вода підігрівається парою, що відробила. У котельнях для підвищення економічності використовується теплота при максимальній температурі горіння палива.

Одна з основних тенденцій розвитку теплових електростанцій - збільшення потужності одиничних агрегатів (парогенераторів і парових турбін), що дозволяє швидкими темпами нарощувати енергооснащеність народного господарства. У СРСР (1976) на КЕС освоюються енергетичні блоки потужністю 800 Мвт, а на ТЕЦ - 250 Мвт.

На дизельних електростанціях (ДЕС), на відміну від теплових і атомних електростанцій, електромеханічні генератори приводяться в обертання не турбінами, а двигунами внутрішнього згоряння - дизелями. ДЕС служать для постачання електроенергією районів, що не підключені до ліній електропередач і вмісцях, де неможливе спорудження теплових чи гідроелектричних станцій. Потужність окремих стаціонарних дизельних електростанций перевищує 2,2 Мвт.

Установки прямого перетворення теплової енергії. Розглянуті вище теплосилові установки перетворять теплоту в механічну енергію, що на електростанціях перетворюється в електроенергію за допомогою електромеханічних генераторів або затрачається на рух у рухових установках. Однак можливо безпосереднє перетворення теплоти в електроенергію за допомогою так званих установок прямого перетворення енергії. Найбільш перспективні установки з магнітогідродинамічним генератором (МГД-генератором). Термодинамічний цикл електростанції з МГД-генератором, що працює на продуктах згоряння органічного палива, аналогічний циклу газотурбінної установки. У камеру згорання подаються паливо і стиснене повітря, попередньо підігріте до максимально можливої температури або збагачений киснем. Це необхідно, для того щоб одержати теоретичну температуру горіння палива - близько 3000 С. Потужність окремих МГД-генераторів на продуктах згоряння складає кілька десятків Мвт (1975). Тому що температура газів після генератора дуже велика (більш 2000 С), раціонально використовувати МГД-установку в комплексі зі звичайною паротурбінною станцією. У цьому випадку теплота, що відбирається від газів, йде на виробництво пари для паротурбінної установки. ККД такої комбінованої установки може досягати 50-60%. Таке підвищення ККД дуже важливо також з погляду зменшення теплових викидів електростанцій у навколишнє середовище. Так, якщо прийняти, що ККД теплової електростанції складає близько 40%, те при збільшенні ККД до 60% кількість теплоти, що скидається, зменшиться приблизно в 2,3 рази (при однаковій електричній потужності станцій).

Передумови і фактори розміщення підприємсв ТЕК.

Напрям, динаміка, склад і структура господарства України зумовлювалися значною мірою її політичним статусом. Він характеризувався тим, що Україна в основному не мала своєї повноцінної державності. У ті короткі періоди, коли ця державність формувалася, не було змоги організувати господарське життя, виходячи з національних інтересів українського народу. Крім того, Україна у більшості випадків була поділена між сусідніми державами. У різний час це були Польща, Росія, Литва, Австрія, Туреччина та інші.

Теплоенергетика, як галузь народного господарства зародилася фактично в 20-му ст., більшу частину якого Україна входила до складу Раднського Союзу. Україна майже повністю копіювала динаміку господарства СРСР, а довготривалий період застою (від 60-х років) повністю відобразився в такомуж застої на Україні. Окремі злети в в господарському розвитку України пояснюється тим, що її активно залучали до розв’язання всесоюзних програм, втому числі і енергетичної.

У розвитку та розміщенні господарсива України важливу, часом вирішальну, роль відігравали позаекономічні фактори – військово-політичні чи навіть ідеологічні. Це деякою мірою стосується і підприємсв енергетики, особливо атомної. На розміщення підприємств теплоенергетичної галузі все таки більшою мірою впливали економічні та природні фактори. Це пояснюється тим, що теплоенергетика має значний ступінь залежності від природних ресурсів.

Проаналізуємо трохи детальніше фактори, що вплинули на сруктуру теплоенергетичного комплексу України.

Паливний фактор. До паливомістких відносять виробництва, що поглинають багато тепла. Такі підприємства розташовуються поблизу паливних баз. Особливе місце серед паливомістких галузей належить теплоелектростанціям.. Для ДРЕС потужністю 3 млн. кВт (таку потужність має низка теплоелектростанцій у Донбасі і Придніпров’ї) треба приблизно 6,5 млн. т. у. п. на рік. Зрозуміло, що ДРЕС, які обслуговують широке коло споживачів електроенергії, повині розташовуватися поблизу джерел палива. Оскільки передавати електроенергію на великі відстані не вигідно через чималі втрати в мережі, ДРЕС притягують до себе енергомісткі виробництва. Це можна сказати про великі електростанції Донецько-Придніпровського району (Придніпровська, Слов’янська, Вуглегірська тощо).

Фактор робочої сили. Фактор робочої сили останім часом все менше впливає на формування галузевої структури господарства. Скоріш навпаки, структура господарства визначає географію розміщення трудових ресурсів. Це значною мірою стосується енергетичної галузі. Багато електростанцій породили такзвані міста супутники, в яких живуть в основному енергетики. Наприклад Бурштинська і Добротворська ТЕС. Не можна в зв’язку з цим не згадати сумновідоме місто Прип’ять, породжене Чорнобильською АЕС.

Споживчий фактор. Як вже говорилося, географія розміщення споживачів електроенергії суттєво впливає на структуру теплоенергетики. Якщо електричний струм ще можна передавати на великі відстані, то то тепло від теплоцентралей не можна транспортувати далі ніж 30 км. (інакше воно розгубиться в мережі). Тому ТЕЦ споруджуються лише у великих містах.

Згадаємо ще екологічний фактор. Цей фактор протягом багатьох років мало враховувався або просто ігнорувався, за що ми, наші діти і онуки будемо ще довго розплачуватися. Не виняток і підприємства енергетичної галузі (ЧАЕС, Дніпровські ГЕС та ін.). Екологічні проблеми сучасної Української теплоенергетики будуть розглянуті в цій роботі окремим пунктом.

Екологічні проблеми Української теплоенергетики.

Енергетична галузь — одна з основних галузей промисловості, від функціонування якої залежить стан економіки країни. Основна частина електроенергії України (близько 70%) виробляється на теплових електростанціях за рахунок спалювання викопного органічного палива. Менш 25% зробленої енергії забезпечується процесами горіння рідкого і газоподібного палива. Інша частина продукції теплоенергетики України визначається процесами горіння твердого палива — вугілля, причому спостерігається тенденція до скорочення споживання мазуту і природного газу і зростанню частки твердого палива, споживаного теплоелектростанціями.

Однак при цьому має місце погіршення якості енергетичних вугіль. За останні 15–20 років зольність твердого палива зросла від 26 до 35–38%, вологість — від 8 до 10%, а теплотворна здатність знизилася до 17–19 МДж/кг. При загальному падінні вироблення електроенергії в Україні частка її виробництва на вугільних електростанціях зростає. Відходи виробництва електроенергії на теплоелектростанціях ускладнюють і без того непросту екологічну ситуацію в країні. Відомо, що загальна маса відходів теплоелектростанції перевищує масу використаного палива за рахунок кисню й азоту повітря, що беруть участь у реакціях горіння. Відходи, що утворилися, надходять в усі геосфери: атмосферу, гідросферу, розміщаються на поверхні літосфери.

Склад відходів, що попадають в атмосферу, залежить від хімічного складу палива, режимів горіння і прийнятої системи очищення. Вуглецева складова палива переходить у диоксид вуглецю (продукт повного згоряння палива) у випадку кінетичного режиму горіння й у токсичний оксид вуглецю (продукт неповного згоряння палива) при реалізації дифузійного режиму горіння.

Азот, що входить до складу вугілля, частково окисляється й утворить “паливний” оксид азоту (до змісту азоту в паливі менш 0,01%), інша частина азоту палива переходить до складу хінолінів, піридинів, нітридів, аміаку і молекулярного азоту, обумовлених у складі димових газів. Органічна сірка палива утворить при горінні палива диоксид сірки. Термоліз сульфатів, що входять у баласт палива, приводить до утворення триоксида сірки.

Крім газоподібних продуктів горіння в димових газах присутні недопалені частки палива, а також частки мінеральної частини палива — баласту, що мають розміри менш 100 мкм і утворюючі золу виносу. Присутні в димових газах кислотні оксиди азоту і сірки, розчиняючись в атмосферній волозі, утворюють суміш азотної, азотистої і сірчистої кислот і є причиною кислотних дощів.

Вплив теплоелектростанцій на водяні об'єкти визначається їхнім тепловим забрудненням і скиданням стічних вод. З охолодними водами теплоелектростанції губиться для споживачів і розсіюється в навколишнім середовищі понад 50% енергії органічного палива

Особливу небезпеку представляють стічні води системи гідрозоловилученняення (ГЗУ), що можуть бути дуже агресивні (рн12) і тримати в розчиненому стані шкідливі і токсичні компоненти баласту палива (фториди, миш'як, ізотопи урану, калію, торію та ін.). Дуже агресивні і токсичні стічні води, що утворяться в результаті проведення профілактичних і ремонтних робіт з хімічного очищення устаткування. У їхній склад входять мінеральні (соляна, сірчана) і органічні (лимонна, оцтова, щавлева) кислоти.

Таким чином, збільшення частки вугільних теплоелектростанцій у системі енергозабезпечення України з одночасним погіршенням якості використовуваного викопного органічного палива збільшує кількість відходів, що надходять в усі геосфери, і дестабілізує стан навколишнього середовища.