Теплоэлекктроцентрали и газы

     СОДЕРЖАНИЕ 

      1. ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ 

     В Республике Беларусь более 95 % энергии  вырабатывается на ТЭС, которые по назначению делятся на два типа:

     - конденсационные тепловые электростанции (КЭС), предназначенные для выработки  только электрической энергии;

     - теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых  осуществляется комбинированное  производство электрической и тепловой энергии.

     Теплоэлектрацентраль (ТЭЦ) - это тепловая электростанция, вырабатывающая не только электрическую энергию, но и тепло, отпускаемое потребителям в виде пара и горячей воды для коммунально-бытового потребления. При такой комбинированной выработке тепловой и электрической энергии в тепловую сеть отдается главным образом теплота отработавшего в турбинах пара (или газа), что приводит к снижению расхода топлива на 25-30 % по сравнению с раздельной выработкой энергии на КЭС или ГРЭС (государственные районные электростанции) и теплоты в районных котельных [3, c.46].

     Тепловая  электростанция включает комплект оборудования, в котором внутренняя химическая энергия топлива (твердого, жидкого или газообразного) превращается в тепловую энергию воды и пара, преобразующуюся в механическую энергию вращения, которая и вырабатывает электрическую энергию. Схема выработки электроэнергии на ТЭС представлена на рисунке 1.

     Как видно из представленной схемы, поступающее  со склада (С) в парогенератор (ПГ) топливо при сжигании выделяет тепловую энергию, которая, нагревая подведенную с водозабора (ВЗ) воду, преобразует ее в энергию водяного пара с температурой 550 °С. В турбине (Т) энергия водяного пара превращается в механическую энергию вращения, передающуюся на генератор (Г), который превращает ее в электрическую. В конденсаторе пара (К) отработанный пар с температурой 123 …125 °С отдает скрытую теплоту парообразования охлаждающей его воде и с помощью циркулярного насоса (Н) в виде конденсата вновь подается в котел-парогенератор [3, c.42].

     Рисунок 1 - Схема работы ТЭС 

     Схема ТЭЦ отличается от ТЭС тем, что  взамен конденсатора устанавливается  теплообменник, где пар при значительном давлении нагревает воду, подаваемую в главные тепловые магистрали.

     Котельная установка представляет собой комплекс устройств для получения водяного пара под давлением или горячей воды. Она состоит из котлоагрегата и вспомогательного оборудования, газо- и воздухопроводов, трубопроводов пара и воды с арматурой, тягодутьевых устройств и др.

     Районные, или производственные котельные предназначены для централизованного теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства или самого предприятия. С вводом в действие ТЭЦ некоторые из них остались без дела и могут использоваться как резервные и пиковые, и тогда их называют резервно-пиковыми.

     Газотурбинная установка - это двигатель, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую энергию и затем частично превращается в механическую работу, которая преобразуется в электрическую энергию [3, c.43].

     Рисунок 2 - Схема газотурбинной установки с подводом тепловой энергии при r = сonst

     1 - воздушный компрессор; 2 - газовая  турбина; 3  - электрогенератор; 4  - топливный насос;  5 - камера сгорания 

     В простейшей газотурбинной установке постоянного горения (рисунок 2) воздух, сжатый до некоторого давления в компрессоре 1, поступает в камеру сгорания 5, где его температура повышается за счет сжигания топлива, подающего топливным насосом 4, при постоянном давлении. Продукты сгорания под давлением и при высокой температуре подводятся к турбине 2, в которой совершается работа расширения газа. При этом давление и температура падают. Далее продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

     Парогазовая установка - это турбинная теплосиловая установка, в тепловом цикле которой используются два рабочих тела - водяной пар и дымовые газы, поступающие из котлоагрегата [3, c.44].

     Поступающий из атмосферы в компрессор 1 (рисунок  3) воздух сжимается с повышением температуры и подается в камеру сгорания 5, в которую при помощи топливного насоса и впрыскивается топливо. В камере сгорания 5 происходит горение топлива, а образующиеся газы поступают в газовую турбину 2, где и совершается работа.

     Рисунок 3 - Схема парогазовой установки

     1 - воздушный компрессор; 2 - газовая турбина; 3 - электрогенератор; 4 – топ-ливный насос; 5 - камера сгорания; 6 - подогреватель; 7 - котел; 8 - паровая турбина; 9 - конденсатор водяного пара; 10 - питательный насос 

     Отработанные  газы с температурой 350 °С и пониженным давлением поступают в подогреватель 6, где отдают часть теплоты для подогрева питательной воды, поступающей в котел 7 и, охладившись при этом, сбрасываются в атмосферу. Питательная вода используется в котле для получения пара, который поступает в паровую турбину 8 с температурой 540°С. В ней пар расширяется, производя техническую работу. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор 9, в котором конденсируется, а образовавшийся конденсат при помощи насоса 10 направляется сначала в подогреватель 6, где воспринимает тепло отработавших в газовой турбине газов, а затем - в паровой котел 7. Расходы пара и газа подбираются таким образом, чтобы  вода воспринимала максимальное количество теплоты газов. Термический коэффициент полезного действия установок - свыше 60 % [3, c.45].

     Итак, теплоэлектростанции (ТЭС) по назначению делятся на два типа: конденсационные тепловые электростанции (КЭС); теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Теплоэлектрацентраль (ТЭЦ) - это тепловая электростанция, вырабатывающая не только электрическую энергию, но и тепло, отпускаемое потребителям в виде пара и горячей воды для коммунально-бытового потребления.

      2. ГАЗЫ – МОГУЧИЙ ИСТОЧНИК  ЭНЕРГИИ И ХИМИЧЕСКОГО СЫРЬЯ 

     Газообразными видами топлива являются природный газ, добываемый как непосредственно, так и попутно с добычей нефти, называемый попутным. Основным компонентом природного газа является метан СН₄ и в небольшом количестве азот N₂, высшие углеводороды  С_nН_m, двуокись углерода СО₂. Попутный газ содержит меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов, и поэтому выделяет при сгорании больше теплоты [3, c.26].

     В промышленности и, особенно в быту, находит широкое распространение  сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти. На металлургических заводах в качестве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы. Они используются здесь же на заводах для отопления печей и технологических аппаратов. В районах расположения угольных шахт своеобразным «топливом» может служить метан, выделяющийся из пластов при их вентиляции. Газы, получаемые путем газификации (генераторные) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив, в большинстве стран практически вытеснены природным газом, однако в настоящее время снова возрождается интерес к их производству и использованию.

     В последнее время все большее  применение находит биогаз - продукт анаэробной ферментации (сбраживание) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т. д.) [3, c.27].

     Основные  разведанные запасы газа в мире сосредоточены в России (32 %), Иране (15,7 %), Катаре (6 %). Добыча газа в России составляет 25,1, в США - 24,1, Канаде -8,1 % от мировой. Владельцами крупных газовых месторождений также являются: Казахстан, Туркменистан, Ирак, Саудовская Аравия, Объединенные Арабские Эмираты, Египет, Алжир, Ливия. Активно осваиваются газовые шельфы в Северном и Норвежском морях. Суммарные запасы природного газа здесь превышают российские.

     В настоящее время природный газ  составляет 74 % в топливном балансе  Республики Беларусь. От надежности состояния и функционирования системы газоснабжения зависят экономика страны и жизнеобеспечение населения. Газ прочно вошел в нашу повседневную жизнь, стал незаменимым в народном хозяйстве. Он используется в качестве топлива для коммунально-бытовых нужд населения в 92 административных районах, является важнейшим топливным ресурсом для производства электрической и тепловой энергии.

     Кроме того, газ - ценное сырье для химической промышленности, производства минеральных  удобрений, синтетических волокон, различных видов пластмасс, других современных материалов, составляющих основную часть экспортного потенциала республики. Он используется как моторное топливо для автомобилей, по другому назначению.

     Преимуществами  использования сжиженного газа в качестве топлива являются:

     1. Экономия топлива

     Экономия  топлива газового двигателя –  наиболее важный показатель двигателя  – определяется октановым числом топлива и пределом воспламенения  топливовоздушной смеси. Октановое  число является показателем детонационной  стойкости топлива, которая ограничивает возможность применения топлива в мощных и экономичных двигателях с высокой степенью сжатия. В современной технике октановое число является главным показателем сортности топлива: чем оно выше, тем качественнее и дороже топливо. СПБТ (смесь пропанобутановая техническая) имеет значение октанового числа от 100 до 110 единиц, поэтому ни на одном режиме работы двигателя не возникает детонация.

     Анализ  теплофизических свойств топлива  и его горючей смеси (теплота  сгорания и теплотворность горючей смеси) показывает, что все газы превосходят бензин по теплотворной способности, однако в смеси с воздухом их энергетические показатели снижаются, что является одной из причин уменьшения мощности двигателя. Уменьшение мощности при работе на сжиженном пропан-бутане составляет до 7%. Аналогичный двигатель при работе на сжатом (компримированном) метане теряет до 20% мощности.

     Вместе  с тем высокие октановые числа  позволяют повысить степень сжатия газовых двигателей и поднять  показатель мощности, но дешево выполнить  эту работу по силам только автозаводам. В условиях монтажного участка произвести данную доработку слишком дорого, а зачастую просто невозможно.

     Высокие октановые числа требуют увеличения угла опережения зажигания на 5°…7°. Однако, раннее зажигание может привести к перегреву деталей двигателя. В практике эксплуатации газовых  двигателей наблюдались случаи прогара  днищ поршня и клапанов при слишком раннем зажигании и работе на сильно обедненных смесях.

     Удельные  расходы топлива двигателем тем  меньше, чем беднее топливовоздушная смесь, на которой работает двигатель, то есть чем меньше топлива приходится на 1 кг воздуха, поступающего в двигатель. Однако очень бедные смеси, где топлива слишком мало просто не воспламеняются от искры. Это и ставит предел повышению топливной экономичности. В смесях бензина с воздухом предельное содержание топлива в 1 кг воздуха, при котором воспламенение возможно, составляет 54 г. В предельно бедной газо-воздушной смеси это содержание составляет только 40 г. Поэтому на режимах, когда не требуется развивать максимальную мощность двигатель, работающий на природном газе значительно экономичнее, чем бензиновый. Опыты показали, что расход топлива на 100 км при движении автомобиля, работающего на газе, со скоростями в пределах от 25 до 50 км/час в 2 раза меньше чем у того же автомобиля в тех же условиях, работающего на бензине. Компоненты газового топлива имеют пределы воспламенения, значительно смещенные в сторону обедненных смесей, что дает дополнительные возможности повышения экономии топлива.

     2. Экологическая безопасность газовых  двигателей 

     Газообразные  углеводородные топлива относятся  к наиболее чистым в экологическом отношении моторным топливам. Выбросы токсичных веществ с отработанными газами, по сравнению с выбросами при работе на бензине в 3-5 раз меньше.

     Бензиновые  двигатели в силу высокого значения предела обеднения (54 г топлива  на 1 кг воздуха) вынужденно регулируются на богатые смеси, что приводит к недостатку кислорода в смеси и неполному сгоранию топлива. В результате в выхлопе такого двигателя может содержаться значительное количество угарного газа (СО), который всегда образуется при недостатке кислорода. В случае же, когда кислорода достаточно, в двигателе при сгорании развивается высокая температура (более 1800 градусов), при которой происходит окисление азота воздуха избыточным кислородом с образованием окислов азота, токсичность которых в 41 раз превосходит токсичность СО. Кроме этих компонентов, в выхлопе бензиновых двигателей содержаться углеводороды и продукты их неполного окисления, которые образуются в пристеночном слое камеры сгорания, где охлаждаемые водой стенки не позволяют жидкому топливу испариться за короткое время рабочего цикла двигателя и ограничивают доступ кислорода к топливу. В случае применения газового топлива все указанные факторы действуют значительно слабее, в основном вследствие более бедных смесей. Продукты неполного сгорания практически не образуются, так как всегда есть избыток кислорода. Окислы азота образуются в меньшем количестве, так как при обедненных смесях температура сгорания значительно ниже. Пристеночный слой камеры сгорания содержит меньше топлива при бедных газо-воздушных смесях, чем при более богатых бензино-воздушных. Таким образом, при правильно отрегулированном газовом двигателе выбросы в атмосферу угарного газа оказываются в 5-10 раз меньше, чем у бензинового, окислов азота в 1,5 – 2,0 раза меньше и углеводородов в 2 –3 раза меньше. Это позволяет соблюдать перспективные нормы токсичности автомобилей («Евро-2» и возможно и «Евро-3») при надлежащей отработке двигателей.