Как работает ТЭС: от топлива до электричества
Тепловая электростанция (ТЭС) служит для преобразования химической энергии, заключенной в органическом топливе (угле, нефти, газе, сланцах), в электрическую. Этот процесс многоступенчатый: сначала топливо сжигается, выделяющееся тепло нагревает воду и превращает ее в пар. Затем пар под высоким давлением вращает лопатки паровой турбины, которая, в свою очередь, приводит во вращение ротор генератора. Именно генератор производит электрический ток. Таким образом, ключевыми компонентами любой ТЭС являются котельная установка, паровая турбина и электрогенератор.
Сердце станции: котельная установка
Котельная установка — это комплекс, предназначенный для получения перегретого водяного пара. Она включает в себя топку для сжигания топлива, систему отвода дымовых газов и сам паровой котел, где вода превращается в пар. Поверхность котла, контактирующая с пламенем, называется поверхностью нагрева.
Типы паровых котлов
Существует три основных типа котлов, различающихся конструкцией:
- Дымогарные: В них горячие газы проходят по трубкам, окруженным водой. Такая конструкция обеспечивает большую площадь нагрева.
- Водотрубные: Здесь, наоборот, вода циркулирует по трубкам, а горячие газы омывают их снаружи. Это более современная и эффективная схема, включающая топку, кипятильные трубки, паровой барабан и пароперегреватель для повышения температуры пара.
- Прямоточные: В этих котлах вода, нагнетаемая насосом, однократно проходит через длинный змеевик, полностью испаряясь и перегреваясь.
Современные мощные ТЭС используют энергоблоки «котел — турбина», где котельные установки могут производить тысячи тонн пара в час при сверхвысоких давлениях и температурах.
Два основных типа ТЭС: ТЭЦ и КЭС (ГРЭС)
В зависимости от того, как используется тепло отработанного пара, тепловые станции делятся на два принципиально разных вида.
Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ)
ТЭЦ — это комбинированная станция, которая производит не только электричество, но и тепловую энергию для отопления зданий и снабжения горячей водой. Пар, уже отработавший в турбине, но еще сохранивший тепло, направляется либо напрямую потребителям, либо отдает свое тепло воде в теплообменниках. Это позволяет значительно повысить общий коэффициент полезного действия (КПД) станции до 50–60%. ТЭЦ строят вблизи крупных городов или промышленных предприятий, так как передача тепла на большие расстояния затруднена.
Конденсационная электростанция (КЭС или ГРЭС)
Конденсационные станции (в России их традиционно называют ГРЭС — государственная районная электростанция) предназначены исключительно для выработки электроэнергии. Здесь весь пар после турбины направляется в конденсатор, где охлаждается водой и превращается обратно в жидкость (конденсат), которая возвращается в котел. Тепло, уносимое охлаждающей водой, рассеивается в окружающей среде (чаще всего в водоемах), что является потерей. Поэтому КПД КЭС ниже — около 35–42%. Такие станции строят у источников воды и в районах с доступным дешевым топливом.
Технологическая цепочка на примере КЭС
Работа КЭС — это непрерывный цикл. Топливо (например, уголь) доставляется, разгружается, измельчается в мельницах до пылевидного состояния и вдувается в топку котла. Выделяющееся тепло генерирует пар, который вращает турбину. Отработанный пар конденсируется, а конденсат насосами возвращается в котел. Механическая энергия вращения от турбины передается генератору, где и рождается электрический ток.
Преимущества и значение тепловой энергетики
Главное преимущество ТЭС — их универсальность и независимость от географических условий. Их можно построить в любом месте, близко к потребителям, и они способны работать на различных видах топлива. Это позволяет равномерно распределять генерирующие мощности по территории страны. Крупнейшие КЭС, такие как Рефтинская или Костромская, имеют мощность свыше 3000 МВт каждая. Также на базе тепловой схемы работают и атомные электростанции, где источником тепла является ядерный реактор.