Буров В.Д. и др. Тепловые электрические станции

Подождите немного. Документ загружается.

16.6.

Энергосбережение и энергоэффективность

терием успеха являются снижение расхода энергоресурсов

на

единицу валового

продукта страны, улучшение состояния окружающей среды.

Актуальность энергосбережения

для

условий России,

также

мировом мас-

штабе обусловлена тем,

что

добыча нефти

природного газа близка

потенциаль-

ному максимуму.

По

данным международных экспертов (Американский институт

нефти),

при

сохранении нынешнего уровня добычи нефти

(80

•

баррелей

сутки,

•

баррелей

в год)

половина доказанных резервов будет добыта

уже к

середине

2005

г.

Вновь открываемые запасы нефти

не

восполняют

ее

добычу начиная

с 1990 г. Определенная надежда возлагается

на

применение горизонтального буре-

ния скважин, впервые использованное

СССР

в 50-х

годах прошлого века

позво-

ляющее разрабатывать старые месторождения.

Аналогичное состояние

и в

газовой области,

где

добывающие компании пере-

сматривают свои оценки резервов природного газа

направлении

их

снижения.

Глава 17

РАЗРАБОТКА

СОЗДАНИЕ

ЭКОЛОГИЧЕСКИ

БЕЗОПАСНЫХ

ТЭС

17.1.

Влияние

работы ТЭС на

окружающую

среду

Одним из основных источников экологически негативных воздействий на окру-

жающую среду являются предприятия топливно-энергетического комплекса (ТЭК).

Из отраслей ТЭК наибольшее воздействие на экологию оказывает энергетика. Теп-

ловые электростанции служат основным источником загрязнения окружающей

среды в энергетике.

Воздействие ТЭС на природу может рассматриваться в двух аспектах: для того

или иного участка поверхности Земли в тот или иной отрезок времени (локальное

воздействие) или общее воздействие на биосферу с учетом нарастающих темпов

развития промышленности (глобальное воздействие).

Рассмотрим сначала вопросы, относящиеся к локальному воздействию тепло-

вых электростанций на окружающую среду, которое при высоких дымовых трубах

оценивается для территории диаметром 20—50 км.

На ТЭС в процессе горения органического топлива наряду с другими продуктами

сгорания образуются вредные соединения — оксиды серы, азота и летучая зола.

Они выбрасываются в атмосферу через дымовые трубы ТЭС.

При неполном сгорании топлива в топке котла образуются весьма вредные для

человека оксид углерода и канцерогенные вещества. Однако при использовании

современной техники сжигания топлива на ТЭС выделение продуктов неполного

сгорания можно исключить или свести к минимуму.

В результате обработки и использования воды на ТЭС образуются сточные

воды, содержащие вредные вещества. Эти сбросы оказывают негативное воздейст-

вие на живую природу, водоемы и водотоки.

Все выбросы и сбросы ТЭС оказывают вредное влияние на весь комплекс живой

природы — биосферу.

Анализируя выбросы вредных веществ в атмосферу, отметим, что наиболее чув-

ствительными к воздействию S0

в атмосферном воздухе являются растения. Ток-

сичное влияние диоксида серы на растения связано с повреждением поверхности

листьев и хвои путем разрушения содержащегося в них хлорофилла. Лиственные

деревья, ежегодно сбрасывающие листву, менее подвержены воздействию S0

Хвойные деревья страдают сильнее. У людей наличие S0

в атмосферном воздухе

приводит к атеросклерозу, заболеваниям сердца, хроническому бронхиту, бронхи-

альной астме.

Весьма токсичны для человека оксиды азота NO^.. Они обладают резко выра-

женным раздражающим действием, особенно на слизистую оболочку глаз, и спо-

собны глубоко проникать в легкие, вызывая повреждения альвеолярного эпителия

и бронхов. У людей снижаются дыхательные функции, повышается число респира-

торных заболеваний.

432

17.2.

Классификация ТЭС по экологическим показателям

Длительное воздействие оксидов азота

даже

при

концентрациях

мг/м

приводит

хлорозу растений. Диоксид азота, находящийся

воздухе

концентра-

цией

4—6

мг/м

, вызывает острое повреждение растений. Оксиды азота, поглощая

естественную радиацию, снижают прозрачность атмосферы

способствуют обра-

зованию фотохимического тумана

—

смога.

Вредное влияние

на

человека

природу оказывает также летучая зола, обеспе-

чивая повышенное поступление тяжелых металлов

почву

водоемы.

Водоемы

водотоки представляют собой сложные экологические системы

сосуществования животных

растений (биоценозы),

где

протекает непрерывный

процесс изменения

их

состава

приближения

его к

состоянию равновесия.

Отклонение этой экосистемы

от

равновесного состояния, вызванное,

частности,

сбросом

водоем сточных

вод

ТЭС, может привести

отравлению

(а

часто

и к ги-

бели) определенного вида (популяции) гидробионтов, которое затем приводит

к цепной реакции угнетения всего биоценоза (сообщества живых организмов

—

животных

растений).

Действие ядовитых (токсичных) соединений

на

гидробионты зависит

от

концен-

трации этих соединений.

При

больших концентрациях происходит гибель гидро-

бионтов,

при

меньших

—

изменяются обмен веществ, темп развития, происходят

метагенез (нарушение наследственных признаков), потеря способности

размно-

жению

и др.

Так

как

отдельные популяции (например, зоопланктон) очень чувствительны

к токсичным веществам,

то уже

небольшие концентрации последних вызывают

их гибель,

что

влияет

на

биоценоз

целом.

итоге сброс сточных

вод ТЭС в во-

доемы оказывает серьезное влияние

на

биоценоз

в них.

В атмосфере практически

не

наблюдается накопления пыли, оксидов серы

и азота

ощутимых количествах.

Это

объясняется тем,

что

время нахождения

в ат-

мосфере большинства загрязняющих компонентов

не

превышает нескольких суток.

За последнее столетие наблюдается заметное возрастание содержания

С0

атмо-

сфере

от

0,029

до

0,032

%, что не

оказывает влияния

на

людей

животный

мир,

но может

при

дальнейшем повышении содержания этого вещества определенным

образом повлиять

на

климат планеты.

Это

влияние связано

возникновением

так

называемого парникового эффекта, обеспечивающего общее негативное воздейст-

вие

на

биосферу, т.е. глобальное воздействие.

17.2.

Классификация

ТЭС

по

экологическим показателям

В настоящее время

мировой практике существуют

два

методологических под-

хода

области борьбы

загрязнением окружающей природной среды.

Первый, получивший название «наилучших практически достижимых мер»,

состоит

том,

что

независимо

от

степени загрязнения окружающей природной среды

внедряются наилучшие технологические меры борьбы

загрязнением

помощью

современной техники.

соответствии

этим подходом тепловые электростанции

должны квалифицироваться

как

объекты, технологические решения которых

предусматривают минимальное негативное воздействие

на

окружающую при-

родную среду.

433

Глава 17.

РАЗРАБОТКА

И СОЗДАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ

БЕЗОПАСНЫХ

ТЭС

Второй подход, названный «управление качеством», предполагает наличие

стандартов качества, на базе которых осуществляются мероприятия по контролю

и борьбе с загрязнением (в виде запретов, штрафов и платежей). Этот подход при-

нят сейчас в России как более действенный. В соответствии с этим подходом

тепловые электростанции должны квалифицироваться как промышленные объек-

ты,

технологические решения которых предусматривают нормативное воздействие

на окружающую природную среду. В реальных условиях предприятия находят эко-

номический компромисс между технологическими решениями, которые пре-

дусматривают нормативное воздействие на окружающую природную среду,

и штрафами или платежами.

С точки зрения взаимодействия с окружающей средой ТЭС можно рассматри-

вать как объект производства электрической и тепловой энергии из первичных

энергоресурсов с образованием отходов производства.

При оценке экологической эффективности ТЭС иногда пользуются понятием

«экологически чистая ТЭС». В этом случае, если этот термин не употребляется для

обозначения малоотходного производства, под «экологически чистой ТЭС» можно

понимать электростанцию, эксплуатация которой не оказывает воздействия на окру-

жающую среду. Практически существование такой ТЭС невозможно, поскольку

в этом случае все отходы производства электростанции по количеству и качеству

должны быть равны первичным ресурсам (по топливу, воздуху, воде). Это противо-

речит первому закону термодинамики, ибо полезная энергия была бы выработана

без затрат первичной энергии.

На практике справедливость этого положения подтверждается тем, что не наблю-

далось ни одного случая, противоречащего этому факту.

Естественно, что при классификации электростанций по экологическим показа-

телям рассматривается только период их эксплуатации, ибо при строительстве,

изготовлении оборудования и производстве материалов уже был нанесен природе

определенный экологический ущерб. Исходя из вышеизложенного, рассмотрим

другое понятие «ТЭС с предельными экологическими показателями», или «безот-

ходная ТЭС». Под ТЭС с предельными экологическими показателями можно пони-

мать электростанцию, которая наряду с получением электрической и тепловой

энергией из 100 % отходов производства вырабатывает товарные продукты (вто-

ричные ресурсы). В результате этого снижается экологическая нагрузка на окру-

жающую среду. Эксплуатация такой ТЭС не нарушает первый закон термодинамики,

но как бы противоречит второму закону термодинамики, поскольку предполагает

все технологические процессы обратимыми. Как нельзя всю подведенную в цикле

двигателя теплоту превратить в работу, так невозможно и первичные энергоресурсы

полностью перевести во вторичные без экологических последствий. Поэтому суще-

ствование такой ТЭС также невозможно. Вместе с тем история развития тепло-

энергетики была связана со стремлением приблизиться к таким ТЭС.

Появившееся в последнее время в теплоэнергетике стремление к созданию

на базе ТЭС крупных энерготехнологических комплексов является движением

именно в этом направлении.

Таким образом, исключая идеальные представления о тепловой электростан-

ции, рассмотрим реальные ТЭС. Наибольший интерес вызывают тепловые элек-

тростанции с минимальным негативным воздействием на окружающую природ-

ную среду. Если минимальное негативное воздействие ТЭС на окружающую среду

434

17.2.

Классификация ТЭС по экологическим показателям

в процессе

ее

эксплуатации находится

пределах

так

называемой хозяйственной

емкости биосферы

(с

учетом

ее

способности

самоочищению),

то

такую

ТЭС,

не разрушающую природную основу для воспроизводства жизни

на

Земле, можно

от-

нести

разряду экологически безопасных.

На

такой электростанции максимально

реализуются технологические процессы,

не

приводящие

образованию вредных

газообразных, жидких, твердых

тепловых отходов, сточные воды используются

многократно

замкнутых циклах, твердые отходы получаются

товарном виде

или

виде сырья

для

смежных производств. Уходящие газы

неиспользованные

стоки подвергаются глубокой очистке. Оставшееся ограниченное количество твер-

дых отходов поступает

на

длительное безопасное хранение. Такую электростан-

цию можно назвать малоотходной.

Программы строительства малоотходных электростанций реализуются

инду-

стриально развитых странах Западной Европы, Америки

и в

Японии. Например,

в Германии

эти ТЭС

получили название «ТЭС, благоприятные

для

окружающей

среды» (Umweltfreundliche Waimekraftwerke).

разряду таких

ТЭС

следует отнести

экологически чистые

ТЭС,

разрабатываемые

нашей стране

соответствии

госу-

дарственной научно-технической программой «Экологически чистая энергетика».

К числу реальных электростанций можно отнести

ТЭС с

нормативным воздей-

ствием

на

окружающую среду.

частности,

для

строящихся электростанций норма-

тивное воздействие

на

окружающую среду ограничено стандартом,

а для

действую-

щих электростанций

—

значениями предельно допустимых выбросов (ПДВ).

К сожалению, среди действующих электростанций имеются

ТЭС с

низкими экологи-

ческими показателями. Такие

ТЭС

сбрасывают

окружающую среду недостаточно

очищенные газы

стоки, занимают огромные территории

под

фильтруемые шламо-

и золоотвалы. Деятельность таких

ТЭС

сопровождается заметными изменениями

в природной среде,

их

можно отнести

разряду экологически опасных объектов.

За последние 15—20

лет в

различных странах Западной Европы,

США и

Япо-

нии построено большое число электростанций, которые можно отнести

катего-

рии экологически безопасных ТЭС.

К их

числу относится,

частности, блок

№ 5

ТЭС Альтбах-Дейцизау (Германия).

На рис.

17.1

представлен общий

вид

этого блока. Энергоблок работает

по

теп-

лофикационному циклу, производит электроэнергию

поставляет горячую воду

для теплоснабжения.

Он был

присоединен

энергосистеме

1985

г.

Технологиче-

ская схема энергоблока приведена

на

рис.

17.2.

Для удобства пользования схемой

ее

целесообразно разделить

на

отдельные

комплексы оборудования. Ниже приводится состав оборудования отдельных ком-

плексов.

Установка

по

снижению выбросов оксидов азота:

— бак

запаса аммиака

испарителем

для

СКВ-установки;

2 —

смеситель

аммиака

воздухом;

3 —

каталитический реактор «горячей» СКВ-установки;

4 —

зона смешения дымовых газов

аммиаком;

5 —

трехслойный каталитический

реактор;

6 —

дутьевый вентилятор;

7 —

регенеративный воздухоподогреватель.

Золоулавливание:

—

электрофильтр;

9 —

бункеры сбора летучей золы;

10 —

дымосос;

11 —

дымосос перед регенеративным газо-газовым теплообменником;

12 —

регенера-

тивный газо-газовый теплообменник.

435

Глава

17.

РАЗРАБОТКА

СОЗДАНИЕ

ЭКОЛОГИЧЕСКИ

БЕЗОПАСНЫХ

ТЭС

Рис.

17.1. Общий вид энергоблока № 5 ТЭС Альтбах-Дейцизау

Установка

по

десулъфуризации дымовых газов (МИС-установка):

—

реакционная колонка сероочистки (абсорбер);

14 —

газоход очищенных

газов после сероочистки;

75 —

гидроциклон

для

отделения гипсовой суспензии;

16— техническая вода

для

абсорбера;

17 —

ввод известнякового шлама

предо-

чистки

в бак

приготовления водоизвестняковой суспензии;

18 — бак

приготовле-

ния водоизвестняковой суспензии;

19 —

устройство

для

дозировки известняка;

—

расходный бункер известняка (известняковой пушенки);

21 —

бункер запаса

известняка.

436

Глава 17.

РАЗРАБОТКА

И СОЗДАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ

БЕЗОПАСНЫХ

ТЭС

Устройство для получения товарного осушенного гипса:

23 — промежуточный бак для гипсовой суспензии; 24 — вакуумный барабан-

ный фильтр; 25 — установка для сушки гипса; 26 — циклон для отделения сухого

гипса; 27 — установка для брикетирования гипса; 28 — установка для переработки

сточных вод системы сероочистки.

Топливоподача, пылеприготовление и котел:

29 — прямоточный котел башенной компоновки; 30 — горелки; 31 — узел

пылеприготовления с мельницей; 32 — подогреватель мазута и мазутопроводы;

33 — мазутохранилище (мазутные баки); 34 — конвейерная установка для подачи

угля в котельную; 35 — склад угля; 36 — разгрузка угля из железнодорожных ваго-

нов;

37 — пристань.

Паровая турбина:

38 — пар промежуточного перегрева к цилиндру среднего давления турбины;

39 — цилиндр высокого давления турбины; 40 — ЦСД турбины; 41 — цилиндр

низкого давления турбины.

Электрическая часть ТЭС:

42 — генератор с возбудителем; 43 — распредустройство; 44 — линии электро-

передачи.

Дальнее теплоснабжение и вспомогательное оборудование турбоустановки:

45 — теплофикационные отборы пара; 46 — сетевые подогреватели; 47 — тру-

бопроводы сетевой воды; 48 — тепловые потребители; 49 — регенеративные

подогреватели низкого и высокого давлений; 50 — деаэратор; 57 — питательный

насос.

Система оборотного охлаждения:

52 — конденсатор; 53 — гибридная (комбинированная) полусухая градирня;

54 — система подготовки добавочной воды для градирни; 55 — уплотнитель (сгу-

ститель) шлама; 56 — камерный фильтр-пресс; 57 — река Некар; 58 — сброс про-

дувочной воды из системы оборотного охлаждения в реку Некар.

На технологической схеме обозначены еще дымовая труба 22 и шлаковый бун-

кер 59.

Электрическая мощность этого энергоблока составляет 465 МВт, теплофикаци-

онная мощность равна 280 МВт.

Прямоточный котел сжигает каменный уголь Саарского и Рурского месторожде-

ний, имеет твердое шлакоудаление и промежуточный перегрев пара. Начальные

параметры пара котла составляют 19,5 МПа и 540 °С при промежуточном перегре-

ве до 540 °С. Трехцилиндровая турбина имеет три нерегулируемых теплофикаци-

онных отбора пара, поступающего в три сетевых подогревателя. Температура пря-

мой сетевой воды в нормальном режиме составляет 130 °С. Регенеративная система

включает в себя шесть подогревателей и деаэратор. Температура питательной воды

составляет 250 °С.

Отработавший пар турбины с давлением 0,0075 МПа направляется в конденсатор,

имеющий оборотное охлаждение (ОО) водой, охлаждаемой в комбинированной вен-

тиляторной градирне с секциями поверхностного и испарительного охлаждений.

Продувка циркуляционной системы конденсатора осуществляется со сбросом

в реку Некар, откуда также забирается вода для восполнения утечек энергоблока.

438

17.2.

Классификация ТЭС по экологическим показателям

ДЛЯ

энергоблока используются высокоэффективные пятипольные электрофильтры

с четырьмя параллельными ходами

для

дымовых газов, обеспечивающие степень

их

очистки

от

летучей золы

до

99,74

Высота дымовой трубы составляет

250 м.

Содержание

дымовых газах

до

сероочистки составляет

1517

мг/м

а после сероочистки

— 180

мг/м

при

нормах

Германии

для

котлов этого типа

400 мг/м

. Сероочистка

на

энергоблоке работает

по

мокроизвестняковому способу

с получением товарного продукта

—

гипса. Установка очищает дымовые газы

от

не

менее

чем на 85 %.

Для снижения содержания

дымовых газах

качестве меры предваритель-

ного

их

подавления используются специальные горелки

ступенчатое сжигание

топлива

топке,

что

позволяет предварительно снизить

их

концентрацию

до

550

мг/м

. Дальнейшее снижение содержания

N0^ в

дымовых газах котла

до

200

мг/м

реализуется

помощью СКВ-установки.

Для сокращения выбросов водяного пара

атмосферу

исключения образова-

ния тумана

над

градирней применена полусухая гибридная (комбинированная)

вентиляторная градирня высотой

45 м. При

комбинированном режиме работы

охлаждение циркуляционной воды осуществляется частично

поверхностном

охладителе

частично

при

испарительном охлаждении. Вода

сухой части гра-

дирни охлаждается

на 20 %, а

потеря воды

испарением снижается

со 170 до

135 л/с. Расход продувочной циркуляционной воды составляет 0,83

л/с, или

0,01

Для снижения выброса углекислого газа

атмосферу предусмотрена комбини-

рованная выработка электрической энергии

теплоты

сетевых подогревателях.

Из отечественных экологически безопасных

ТЭС

представляет интерес проект

ГРЭС, работающей

на

экибастузском угле, который

был

разработан ЭНИН

им.

Г.М. Кржижановского

по

программе «Экологически чистая энергетика».

этом про-

екте рассматривается

ТЭС

мощностью 2000

МВт с

блоками

по 500 МВт с

пара-

метрами свежего пара

23,5 МПа и 540 °С и

промежуточным перегревом пара

до

540 °С.

Технологическая схема установки показана

на

рис.

17.3.

Дробленое топливо

из

бункера

поступает

реактор

куда

из

бункера

в качестве теплоносителя вводится также высокотемпературная зола.

На

схеме

показан бункер

2 с

молотым известняком, который используется

для

связывания

содержащейся

топливе серы.

реакторе

поддерживается температура 750—

900

°С,

здесь происходит газификация топлива

режиме

без

доступа воздуха.

Образующаяся смесь подается

горелки парового котла

и в

камеру сгорания 11

га-

зовой турбины.

схеме наличие такой установки

не

обязательно, однако очевидно,

что

при

использовании

ГТУ

общие показатели тепловой экономичности

ТЭС

воз-

растают. Образовавшийся после газификации

реакторе коксозольный остаток

охлаждается питательной водой парового котла

направляется

аэрофонтанную

топку

5, где

сжигается

восходящем потоке воздуха, подаваемого высоконапор-

ным дутьевым вентилятором. Продукты сгорания после аэрофонтанной топки про-

ходят

циклоны

6, где

выделяется большая часть золы грубых фракций. Часть этой

золы используется

качестве теплоносителя

реакторе,

оставшаяся часть охла-

ждается водой

из

питательной линии парового котла

(на

схеме

эти

линии

тепло-

обменники

не

показаны)

направляется

на

склад. Очищенные продукты сгорания

из циклонов

отводятся

горелки парового котла.

Отсутствие

реакторе-газификаторе кислорода

пониженный уровень темпе-

ратур уменьшают общее количество образующихся оксидов азота.

Так как

большая

439

Глава 17.

РАЗРАБОТКА

И СОЗДАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ

БЕЗОПАСНЫХ

ТЭС

Рис. 17.3.

Технологическая

схема экологически

чистой

КЭС,

работающей

на

экибастузском

угле:

1—3 —

бункер

соответственно

топлива,

оксида кальция

теплоносителя;

4 — реактор; 5 — аэро-

фонтанная

топка;

6 — циклон; 7 —

смесь

золы

с CaS0

; 8 —

топка

парового

котла;

9 —

поверхности

экономайзера,

промежуточного

основного

пароперегревателя;

10 — турбогенератор; 11 —

камера

сгорания

ГТУ; 12 — компрессор; 13 —

газовая

турбина;

14 — охладитель; 15 —

воздухоподогрева-

тель; 16 —

дутьевой

вентилятор; 17 — электрофильтр; 18 —

блок

доочистки

от S0

и NCy 19 —

фильтр

доочистки; 20 — дымосос; 21 —

дымовая

труба

часть золы выводится из цикла до парового котла, то общее количество золы,

поступающей в топку котла, резко снижается. Очистка газов от золы до необходи-

мых минимальных значений (100 мг/м

) производится в электрофильтре 17 при

температуре около 100 °С.

Итак, глубокая очистка уходящих газов от оксидов азота и серы по имеющимся

разработкам производится по следующей схеме: газификация топлива в смеси

с известняком с последующими сжиганием газов в камере сгорания газовой турби-

ны и в топке парового котла при температуре до 900 °С и тонкой совместной очи-

сткой от S0

и NO

в электронно-лучевой установке. Образующиеся при использо-

вании этой установки твердые вещества (нитрит и сульфат аммония) выводятся

из цикла и используются как товарный продукт.

Создание экологически безопасных ТЭС требует высоких дополнительных

капитальных затрат по сравнению с затратами на строительство современных ТЭС

обычного типа. Резко возрастают также затраты на эксплуатацию электростанции

из-за повышения расходов топлива, энергии на собственные нужды и затрат

на содержание обслуживающего персонала. По сравнению с работающей на экиба-

стузских углях ГРЭС-2 мощность тягодутьевых машин увеличивается немногим

более чем на 10 МВт (с 10,22 до 20,48 МВт), а мощность собственных нужд повы-

шается на 17,34 МВт. КПД (нетто) станции понижается с 38,15 до 35,9 %, а удель-

ный расход условного топлива возрастает с 322,4 до 342,7 г/(кВт

•

ч).

Кроме проекта ГРЭС на экибастузском угле разработан проект ГРЭС мощно-

стью 6400 МВт, работающей на канско-ачинских углях. Прототипом этой экологи-

чески безопасной КЭС является любая из электрических станций, эксплуати-

руемых на канско-ачинских углях, построенных вблизи Канско-Ачинского бассейна.

Станция такого типа имеет восемь турбоагрегатов мощностью по 800 МВт, рабо-

тающих на паре закритических параметров (23,5 МПа и 540 °С) по циклу с проме-

жуточным перегревом пара до той же начальной температуры 540 °С. Производи-

тельность парового котла при этом равна 2630 т/ч.

440