Тепловая электростанция, конструкция и принцип работы

Тепловая электростанция, конструкция и принцип работы.

 

 

Тепловая электростанция (или тепловая электрическая станция) – электростанция, вырабатывающая электрическую энергию за счёт преобразования химической энергии топлива в процессе горения в тепловую, а затем в механическую энергию вращения вала электрогенератора.

 

Тепловая электростанция. Принцип работы тепловой электростанции

Процесс и этапы производства электроэнергии на тепловой электростанции

Конструкция и устройство тепловой электрической электростанции

КПД тепловой электростанции

Преимущества тепловой электростанции

Недостатки тепловой электростанции

 

Тепловая электростанция. Принцип работы тепловой электростанции:

Тепловая электростанция (или тепловая электрическая станция, ТЭС) – электростанция, вырабатывающая электрическую энергию за счёт преобразования химической энергии топлива в процессе горения в тепловую, а затем в механическую энергию вращения вала электрогенератора.

Тепловая электростанция – это тип электростанции, который генерирует электроэнергию путем сжигания топлива, такого как уголь, газ или нефть, чтобы создать пар, направляемый на паровую турбину. Паровая турбина затем приводит в движение генератор, который производит электричество.

Тепловые электростанции обычно предназначены для генерации большого объема электроэнергии, которую можно подавать в сеть.

В качестве топлива широко используются различные горючие ископаемые: уголь, природный газ (пропан, метан), реже – мазут, водород, биогаз, сланцевый газ, нефть, бензин, дизельное топливо, спирт отходы, торф, горючие сланцы, дрова.

Первая теплоэлектростанция «Pearl Street Station» появилась в Нью-Йорке на Перл-стрит в 1882 году.

Тепловые электростанции являются одним из наиболее распространенных типов электростанций в мире, особенно в странах с большими запасами угля и других невозобновляемых источников энергии. Однако они являются значительным источником выбросов углекислого газа, что способствует изменению климата.

 

Процесс и этапы производства электроэнергии на тепловой электростанции:

Процесс и этапы производства электроэнергии на тепловой электростанции довольно прост.

Если говорить вкратце, то сначала сжигается топливо, создавая тепло. Тепло используется для кипячения воды, создавая пар, который приводит в движение турбину. Турбина связана с генератором, который производит электричество.

Если рассмотреть более детально, то процесс выработки электроэнергии на тепловой электростанции обычно включает в себя следующие этапы:

1. подача топлива. Уголь, нефть или природный газ доставляются на электростанцию и хранятся в бункерах или резервуарах, готовые к сжиганию для получения тепла;
2. сжигание топлива. Топливо сжигается в печи (камере сгорания), создавая тепловую энергию. На данном этапе химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию. Затем тепловая энергия используется для выработки пара;
3. производство пара. Вода закачивается в котел, где она нагревается за счет тепла, выделяемого при сгорании топлива, и преобразуется пар. Как правило, вырабатывается перегретый пар с высокой температурой (до 400-650 градусов Цельсия) и давлением (от единиц до десятков МПа).
4. подача пара в паровую турбину и выработка электроэнергии. Пар, вырабатываемый в котле, направляется через паропровод в паровую турбину. Энергия пара используется для вращения лопастей турбины, которая, в свою очередь, вращает генератор для выработки электрической энергии. Генератор при этом соединяется с паровой турбиной с помощью вала. На этом этапе тепловая энергия пара частично превращается в механическую энергию вращения вала паровой турбины, а последняя через общий вал паровой турбины и генераторы – в электрическую энергию;
5. охлаждения пара. Пар, который использовался для выработки электроэнергии, охлаждается в конденсаторе и превращается в воду. После охлаждения вода возвращается обратно в котел, где ее снова нагревают и повторно используют в качестве пара.
6. передача электроэнергии. Электрическая энергия, вырабатываемая генератором, преобразуется в электричество высокого напряжения для эффективной передачи на большие расстояния.
7. распределение электроэнергии. Передаваемая высоковольтная электроэнергия понижается трансформаторами до более низкого напряжения и распределяется по местным электросетям, где она может использоваться домашними хозяйствами и предприятиями.

В целом, этот процесс обеспечивает получение надежной и предсказуемой энергии, что является важным аспектом работы электрической сети.

 

Конструкция и устройство тепловой электрической электростанции:

Типичная тепловая электростанция состоит из нескольких ключевых компонентов:

1. котел. Он представляет собой большой резервуар, в котором сжигается ископаемое топливо, такое как уголь или природный газ, для получения тепла;
2. паровая турбина. Это машина, которая преобразует тепловую энергию пара в механическую энергию путем вращения лопастей ротора;
3. генератор – машина, преобразующая механическую энергию турбины в электрическую;
4. конденсатор. Это теплообменник, который охлаждает пар, выходящий из турбины, и превращает его обратно в воду;
5. градирня. Представляет собой сооружение, используемое для рассеивания тепла, вырабатываемого электростанцией, обычно с использованием испарительного охлаждения;
6. распределительный пункт – зона, где вырабатываемая электрическая энергия повышается до высокого напряжения для передачи на большие расстояния;
7. диспетчерская – помещение, где операторы станции осуществляют мониторинг и контроль за работой электростанции.

 

КПД тепловой электростанции:

КПД тепловой электростанции выражается как отношение вырабатываемой электрической энергии к потребляемой тепловой.

Эффективность тепловой электростанции зависит от нескольких факторов, включая тип используемого топлива, конструкцию установки и условия эксплуатации.

Типичный КПД современных тепловых электростанций колеблется от 33% до 48%. Это означает, что на каждую единицу потребляемой тепловой энергии от 33% до 48% тепловой энергии преобразуется в электрическую энергию, а остальное теряется в виде отработанного тепла. Наиболее эффективные тепловые электростанции используют технологию комбинированного цикла, которая позволяет достичь КПД до 62%.

Как и у всех тепловых двигателей, эффективность тепловой электростанции ограничена и регулируется законами термодинамики. Цикл Карно диктует, что более высокой эффективности можно достичь за счет повышения температуры пара. Однако последнее (повышение температуры пара) имеет известные ограничения.

Существует несколько способов повысить эффективность тепловой электростанции, в том числе:

1. усовершенствованные турбины. Высокоэффективные турбины могут извлекать больше энергии из вырабатываемого пара, увеличивая электрическую мощность;
2. регенеративный нагрев. Отходящее тепло турбины можно использовать для предварительного нагрева питательной воды, уменьшая количество энергии, необходимой для производства пара;
3. гибридные системы. Сочетание выработки тепловой энергии с возобновляемыми источниками энергии, такими как энергия солнца или ветра, может помочь сократить общее количество необходимого топлива;
4. улучшенные процессы сжигания. Передовые процессы сжигания, такие как сверхкритическая технология, могут повысить эффективность и сократить выбросы.

Повышение эффективности тепловых электростанций может привести к значительному сокращению потребления топлива, а также к снижению выбросов парниковых газов и других воздействий на окружающую среду.

 

Преимущества тепловой электростанции:

У тепловой электростанции есть несколько преимуществ, в том числе:

– высокая выходная мощность. Тепловые электростанции способны вырабатывать большое количество электроэнергии, что делает их идеальными для удовлетворения потребностей крупных городов или густонаселенных районов;

– низкая стоимость топлива. Ископаемые виды топлива, такие как уголь и природный газ, относительно недороги и распространены в изобилии, что делает их доступным источником энергии;

– эффективная выработка электроэнергии. Тепловые электростанции способны преобразовывать тепловую энергию ископаемого топлива в электрическую с высокой степенью эффективности, что делает их эффективным способом выработки электроэнергии;

– наличие инфраструктуры. Во многих частях мира уже имеется разветвленная сеть тепловых электростанций с необходимой инфраструктурой для их поддержки, что делает их удобным выбором для многих стран и регионов.

Хотя тепловые электростанции обладают рядом преимуществ, у них также есть существенные недостатки, включая загрязнение окружающей среды и выбросы парниковых газов. Воздействие ископаемого топлива на окружающую среду становится все более значительным, что делает жизненно важным разработку новых технологий и альтернативных источников энергии.

 

Недостатки тепловой электростанции:

Существует несколько недостатков, связанных с тепловыми электростанциями:

– загрязнение окружающей среды. При сжигании ископаемого топлива в котле тепловой электростанции в воздух выбрасывается большое количество загрязняющих веществ, таких как диоксид серы, оксиды азота и твердые частицы, которые вредны для здоровья человека и способствуют загрязнению воздуха;

– выбросы парниковых газов. Тепловые электростанции являются значительным источником выбросов парниковых газов, особенно углекислого газа, которые способствуют изменению климата;

–  деградация земель. Крупным тепловым электростанциям для функционирования требуется много земли, включая добычу ископаемого топлива, что может привести к обезлесению, вытеснению дикой природы и деградации естественной среды обитания;

– потребление воды и загрязнение воды. Тепловые электростанции потребляют большое количество воды в процессе выработки электроэнергии, что может повлиять на местные водные ресурсы и экосистемы. Одновременно они могут также сбрасывать нагретую воду в близлежащие реки, озера или океаны, что может негативно сказаться на водной флоре и фауне и экосистемах;

– риски для безопасности. Тепловые электростанции могут представлять угрозу безопасности для работников и окружающих сообществ, особенно в случае аварий.

В целом, воздействие тепловых электростанций на окружающую среду становится все более значительным, что заставляет многие страны искать альтернативы и работать над переходом на более чистые источники энергии, такие как солнечная, ветровая и гидроэлектростанции.