Оборудование ТЭЦ

ТЭЦ, схема и принцип работы

Тепловая электрическая станция (ТЭС) представляет собой комплекс теплоэнергетических сооружений, предназначенных для превращения химической энергии топлива в тепловую энергию, в дальнейшем преобразуемую в энергию механическую, предназначенную для выработки энергии электрической.

Одной из разновидностей ТЭС являются конденсационные электростанции (КЭС), преимущественно занятые выработкой электроэнергии. Своё название они получили за счёт наличия в технологической схеме конденсатора, что создаёт на выходе турбины вакуум, обеспечивающий необходимый уровень разряжения с целью преобразования потенциальной энергии пара во вращение генератора.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) работают по той же конденсационной схеме. Причиной их возникновения, помимо производства электроэнергии, является потребность в тепловой энергии (в виде пара и горячей воды), для организации централизованных систем теплоснабжения промышленных и гражданских объектов, испытывающих нужду в поставках пара, в отоплении и горячем водоснабжении.

Схема работы ТЭЦ весьма понятно представлена. Суть её заключается:

• в поступлении на электростанцию топлива – угля, газа, мазута, торфа, иных горючих материалов с высоким уровнем теплоотдачи;
• в сгорании топлива в паровом котле, сопровождаемом подачей туда воздуха и отводом дымовых газов через дымовую трубу тягодутьевыми механизмами;
• в нагревании внутри котла химически очищенной воды с образованием перегретого пара;
• в подаче пара на турбину, приводимую таким образом во вращение;
• в передаче от турбины к генератору вращательного усилия, что позволяет последнему вырабатывать электрический ток;
• в преобразовании электрической энергии трансформаторами с целью отпуска её через распределительное устройство электросетевым организациям.

В основу принципа работы теплоэлектроцентралей положена работа теплофикационной паровой турбины (именно такими турбинами обычно оснащают ТЭЦ), что даёт возможность регулировать поток отбираемого пара. На его основе в сетевых подогревателях конденсируется вода, в дальнейшем направляемая к пиковым водогрейным котлам и тепловым пунктам.

Выгода эксплуатации теплоцентралей заключена в когенерации – одновременной выработке тепла и электроэнергии. Что повышает КПД ТЭЦ на 5-8% по сравнению с КПД КЭС. А в зависимости от времени года, позволяет работать или по электрическому графику нагрузки (когда в приоритете пребывает производство электроэнергии), или по тепловому (в приоритете – выработка тепловой энергии). 

Проблемы устаревшего оборудования

Теплоэлектроцентрали в зависимости от установленного на них оборудования могут работать по паровому циклу (цикл Ренкина) и по парогазовому циклу. В первом варианте перечень основного оборудования включает:

• паровой котёл,
• паровую турбину,
• генераторы электрического тока,
• главные трансформаторы.

Во втором варианте это будут:

• газовая турбина, оснащённая воздушным компрессором,
• электрический генератор газовой турбины,
• котёл-утилизатор,
• паровая турбина,
• главные трансформаторы.

Основное оборудование теплоэлектроцентрали на примере Балаковской ТЭЦ-4

В том и другом случае станции оснащаются вспомогательным оборудованием:

• установками водоподготовки,
• системами охлаждения воды,
• установками приготовления пыли,
• системами удаления дымовых газов, золы и шлака,
• насосами,
• теплообменниками,
• вентиляторами
• и рядом иных устройств и агрегатов.

Описание проблемы: надёжность, эффективность, безопасность

Техническое состояние перечисленного оборудования и определяет надёжность, эффективность и безопасность эксплуатации ТЭЦ.

А оно в России пребывает далеко не в идеальном состоянии. По данным Минэнерго: лишь 1/4 часть энергетических котлов и 1/3 турбин отечественных тепловых станций изготовлены и переданы в эксплуатацию начиная с 1980 года. Практически все крупнейшие аварии последних лет на ТЭЦ связаны со значительным износом оборудования.

Физический износ объектов генерации (данные 2017 года, предоставленные 53 субъектами РФ по 306 объектам из 428)

Очевидным результатом высокого уровня износа оборудования электрических станций становится снижение надёжности, эффективности и безопасности их работы, что подтверждается техническими характеристиками российских ТЭС (куда относятся и теплоцентрали) на фоне мировых:

• КПД российских ТЭС равняется 36,6% (в мире: 39-41,5%).
• Давление пара – 25 МПа (30-35 МПа).
• Температура пара – 545-550 °С (610-620 °С).
• Улавливание вредных веществ – 96% (свыше 99% в странах ЕЭС). Вдобавок: российские тепловые станции не оборудованы установками по улавливанию оксидов азота и серы.

Эксперты отмечают в списке наиболее проблемных факторов современной российской теплоэнергетики:

• Износ оборудования, как физический, так и моральный, сопровождаемый отложением посторонних масс на нагреваемых поверхностях, низким уровнем теплоизоляции, отсутствием экономайзеров, неплотностями в газоходах, низким уровнем эффективности работы оборудования.
• Использование несовершенных горелочных устройств.
• Не лучшие настройки теплового режима котлов.

Угрозы и вызовы, характерные для данного сектора энергетики

Следствием неэффективного использования топливно-энергетических ресурсов на изношенном оборудовании ТЭЦ становятся значительные финансовые расходы, влекущие за собой удорожание цен на отпускаемую энергию. Обозначенные проблемы российской энергетики на 67% представленной тепловыми станциями оказывают негативное влияние на всю экономику страны в целом.

Сейчас лишь 26% мощностей отечественной тепловой генерации не старше 25 лет. В свыше 2/3 случаев её парковый ресурс израсходован более, чем на 100%! В среднем срок работы тепловых станций уже достигает 34 лет. Это означает, что если ничего не предпринимать – ежегодно не вводить и не модернизовать 3,8 ГВт тепловых мощностей, – то к 2035 году  свыше 3/4 российской энергетической мощи будет возрастом в 45 лет, к 2050 – возрастом в 50 лет и более.

Износ энергетических мощностей России (по данным Минэнерго)

В 2019 году в России стартовала программа модернизации ТЭС с сильно устаревшим оборудованием (гарантирующая возврат инвестиций за счёт последующего повышения уровня платежей со стороны потребителей). Она планирует обновить 41 ГВт установленных мощностей к 2031 году, на что необходимо будет израсходовать порядка 1,9 трлн рублей.

Однако по утверждению экспертов из Vygon Consalting первый этап её реализации не увенчался успехом. Отбор претендентов 2022-2024 года показал нереализованность намеченных планов. Так, в Тюменской области в результате проведённой модернизации возраст станций уменьшился с 27,6 до 25 лет. По утверждению авторитетных специалистов-энергетиков причина здесь кроется в необходимости не столько физического, сколько морального обновления оборудования.

Требования к новому оборудованию

Вопрос требований к оборудованию, устанавливаемому с целью модернизации эксплуатируемых и ввода в строй новых ТЭЦ – вопрос системный, достаточно разноплановый (в зависимости от тех или иных конструкционных и технологических особенностей станций) и глубокий по своему научно-техническому уровню. Поэтому, оставим его решение узкому кругу проектировщиков и эксплуатационников. Ограничимся лишь понятными широкому кругу лиц, интересующихся данной темой частностями. 

Экологические: снижение выбросов и уменьшение уровня воздействия на окружающую среду

Последовательное и непрерывное развитие мировой экономики подвело человечество к опасной с позиции экологии черте, во многом объясняемой глобальным изменением климата и негативным воздействием на природу. Одной из основных причин здесь выступает антропогенный фактор сжигания топлива, вызывающий постепенное увеличение CO₂ в атмосфере.

В связи с этим перед вновь вводимым/реконструируемым оборудованием теплоэлектроцентралей возникают цели:

• оптимизации работы с топливом – в особенности таким загрязняющим окружающую среду, как уголь, мазут, торф (здесь особенно отрадно отметить поэтапный переход российской энергетики на природный газ);
• организацию наиболее эффективной работы систем технического водоснабжения, завязанных на конденсаторы турбин, насосное оборудование, градирни (где действуют положения Водного кодекса, предписывающего по причине общемировых проблем в области водных ресурсов проектную разработку тепловых станций на основе оборотных систем водоснабжения, оснащённых градирнями);
• снижение вредных выбросов через дымовые трубы, что опять же предусматривает организацию оптимальной работы ряда устройств и агрегатов, задействованных в процессах предварительной подготовки и сжигания топлива.

Технические требования: повышенная эффективность, гибкость в управлении, высокий уровень автоматизации

Стандартные требования к выбору основного оборудования для ТЭЦ предусматривают его адаптацию к величине и структуре тепловых нагрузок. Именно они определяют выбор типа котлов и турбин, а также – формирование необходимых схем их взаимодействия.

И не только. С учётом нынешних экономических реалий на повестку дня выходят вопросы экономической эффективности, как в плане извлечения прибыли, так и в плане работы в условиях энергетического рынка. Это влечёт за собой высокий уровень автоматизации и управления, реализуемый на базе современных технических средств учёта и контроля, подкрепляемых необходимостью обеспечить опять же с их помощью и с помощью современного оборудования должную систему безопасности работы теплоэлектроцентрали.

Достоинства современного оборудования

Внедрение инновационного оборудования на ТЭЦ даёт:

• увеличение надёжности и продолжительности работы станции, что особенно ощутимо в случае использования высокопрочных материалов и устойчивых к продолжительным температурным и механическим воздействиям конструкций;
• снижение эксплуатационных расходов, вследствие оптимизации режимов работы станционного оборудования, не требующего частого обслуживания со стороны эксплуатационного и ремонтного персонала;
• повышение энергетической эффективности, вследствие применения принципиально новых технологий (мини-ТЭЦ, газотурбинные ТЭЦ).

Мини-ТЭЦ в г. Руза, созданная на основе газопоршневых электростанций компании FG Wilson модель PG475B и котельного оборудования фирмы Buderus, предназначенная для Дворца Водных видов спорта

Технологические инновации в структуре оборудования ТЭЦ и принципах его работы

Использование «чистого» угля, газификация, нейтрализация и выбросов

Одной из важных инноваций в обеспечении экологической безопасности и эффективности работы теплоэлектроцентралей становятся системы и технологии, направленные на снижение воздействия угля на окружающую среду и на наиболее эффективное его использование. Причина заключается в том, что до сих пор значительная часть в мире ТЭЦ работает на угле.

Здесь можно выделить три отдельных процесса, выполняемых на разных стадиях использования угля и нейтрализации образующихся вредных веществ:

Первый из них направлен на обогащение угля и удаление из него вредных примесей, типа диоксида серы, оксидов азота, провоцирующих кислотные дожди газов, загрязняющих воздух твёрдых частиц, а также на сокращение количества летучей золы, уменьшение выбросов радиоактивных материалов и ртути.

Второй подразумевает чистые технологии сжигания и газификации (превращение угля в газ необходимо отметить в связи с активным внедрением газовых турбин, неспособных к использованию обычного угля). Сюда входят способы и методы направленные как на сжигание твёрдого топлива, так и на его газификацию. А именно:

• сжигание в пузырьковом и циркулирующем кипящем слое (ПКС и ЦКС) при атмосферном давлении;
• те же процессы – ПКС и ЦКС, но проводимые в условиях повышенного давления;
• газификация в пузырьковом горящем слое под давлением (ПКСД);
• газификация в циркулирующем кипящем слое под давлением (ЦКСД);
• двух стадийные способы переработки топлива в кипящем слое под давлением (КСД);
• газификация в потоке и слое;
• ступенчатое сжигание;
• применение горелок с низким выбросом оксидов азота
• и множество иных технологий, обеспечивающих уменьшение вредных выбросов на единицу вырабатываемой энергии, типа использования пылеугольных котлов с ультрасверхкритическими параметрами пара.

     Третий сосредоточен на очистке и контроле уходящих в атмосферу дымовых газов посредством:

• удаления оксидов азота и серы, а также твёрдых частиц;
• учёта выбросов углекислого газа;
• десульфуризации дымовых газов с целью получения строительных материалов.

Чертёж дымовой трубы

Что также сопровождается утилизацией твёрдых отходов, очисткой сточных вод, селективном каталитическом (СКВ) и некаталитическом восстановлении (СНКВ), использованием керамических фильтров под давлением с целью очистки газовых потоков.

Внедрение возобновляемых источников энергии

Одно из перспективных направлений в теплоэнергетике, хорошо зарекомендовавшее себя в случае использования мини-ТЭЦ, работающих на ВИЭ (древесных отходах, биотопливе, биогазе, различные виды газообразного топлива). В качестве примеров можно сослаться:

• на патент Ясакова Николая Васильевича RU 2 643 877 C2 «Мини-ТЭЦ, работающая на возобновляемых источниках энергии»;
• на мини-ТЭЦ «Белый Ручей» из Вологодской области, что использует в качестве топлива низкосортную древесину, отходы лесопереработки и торф (установка на ней специального золоулавливающего оборудования в 20 раз снизила концентрацию золы в дымовых газах!).

Мини-ТЭЦ «Белый ручей»

Использование новых технологий, конструкций и материалов

Ряд сотрудников ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова» выступили авторами публикации «Основные направления повышения эффективности энергетического оборудования ТЭЦ». По их мнению «важным резервом повышения тепловой эффективности действующих ТЭЦ являются снижение выработки электроэнергии в конденсационном цикле турбин типов Т и ПТ, повышение отпуска тепловой энергии из нерегулируемых отборов высокоэкономичных конденсационных турбин, а также модернизация оборудования и тепловых схем». Акцент при этом акцент был сделан на следующие направления:

• Применение на газовых ТЭЦ газотурбинных установок.
• Использование водогрейных котлов на уходящих газах (как вариант рассматривалась разработка ВТИ: всережимная парогазовая установка (ПГУ) 20-25 МВт установленной мощности).
• Современные методы расчёта и тепловые схемы, применяемые на стадии проектирования ТЭЦ.
• Необходимость системного подхода.
• Совершенствование турбин типа Р и ТР (с теплофикационным противодавлением), а также нерегулируемых отборов пара на конденсационных турбинах большой мощности.

На фоне этого была отмечена эффективность работы отечественных ГТУ мощностью в 16 и 25 МВт, оснащённых котлами-утилизаторами и конденсационного цикла ПГУ в плане выработки энергии.

Тема нововведений для тепловых электростанций нашла продолжение в рамках проведённой в Москве, в ГК «Измайлово» 6 июня 2023 года по инициативе «ООО ИНТЕХЭКО»» «XV ежегодной Всероссийской конференции «РЕКОНСТРУКЦИЯ ЭНЕРГЕТИКИ-2023»

Материалы XV ежегодной Всероссийской конференции «Реконструкция энергетики-2023»

В рамках состоявшегося мероприятия представители более 100 российских компаний «получили отличную возможность подробно обсудить примеры модернизации технологического оборудования электростанций, действующие и разрабатываемые системы автоматизации и контрольно-измерительные приборы, оборудование систем вентиляции и газоочистки, водоподготовки и водоочистки, средства защиты персонала, важные насущные вопросы импортозамещения и экологической безопасности электростанций». Не обошли они своим внимание столь насущные в наше время вопросы цифровизации электростанций.

Что касается принципиально новых материалов, задействованных в оборудовании ТЭЦ. Здесь на фоне санкций и замещения импорта начали проявлять свои интересные качества:

• фильтровальный материал московской компании «Монтем»,
• твёрдооксидные варианты топливных элементов, разработанные учёными из СамГТУ,
• золоотходы, выступающие  в роли сырья, предназначенного «для производства цемента, силикатных и керамических материалов, асфальтобетона, шлакоблоков, сборного и монолитного бетона, алюмосиликатных огнеупорных материалов, клеев в качестве нового минерального наполнителя для производства полимерных, рулонно-кровельных, асботехнических материалов и изделий, коагулянтов для очистки питьевой воды, для заполнения подземных пустот и горных выработок».

Примеры успешных внедрений нового оборудования на теплоэлектроцентралях

Успешные проекты в разных странах

Несмотря на все потуги сторонников альтернативной энергетики, доминирующую роль в энергетической системе мира попрежнему продолжает (и ещё достаточно долго будут продолжать) играть теплоэнергетика, производящая на своих тепловых станциях 90% суммарной выработки всех электростанций мира. При этом на основе угля генерируется 46% мировой электроэнергии, на основе газа – 18%.

На основании чего в общемировом теплоэнергетическом масштабе стали прослеживаться две взаимно противоречивые, но, достаточно успешные тенденции.

Первая из них, нашедшая применение в странах Европы, США, Канады и Японии нацелена на полный уход от угольной генерации к 2030 году в основном в сторону внедрения парогазовых технологий, суть которых заключена в сжигании природного газа в ГТУ высокой мощности и при высокой температуре, что обеспечивает их высокую эффективность. Именно о таких разработках (великолепно продемонстрированных  иллюстрациями ГТУ ведущих компаний мира) сообщает в своей статье д.т.н. профессор кафедры паровых и газовых турбин НИУ «МЭИ» А.Д. Трухний.

Принципиально иной позиции придерживаются страны АТР (прежде всего, Индия и Китай), а также иные государства, не имеющие свободного доступа к природному газу и нефти, а потому делающие ставку угольную генерацию. Конкретно: на разработки новых конструкций пылеугольных энергетических котлов ССКП известных в мире производителей:

• Европы (Alstom),
• Японии (Mitsubishi Hitachi Power Systems, Ishikawajima-Harima Heavy Industries),
• Китая (Harbin Boiler Co. Ltd, Dongfang Boiler Co. Ltd и Shanghai Boiler Works Ltd).

А также – на производство пара суперсверхкритических параметров, что обеспечивает эффективную выработку электроэнергии и уменьшение вредных выбросов в атмосферу.

Россия может сослаться на положительный опыт таких организаций, как:

• ООО «Ново-Салаватская ТЭЦ», осуществившее реновацию собственного энергетического оборудования,
• Группу «Газпром Энергохолдинг» запустившую в эксплуатацию Слободненскую ТЭС в Амурской области и модернизировавшую Автозаводскую ТЭЦ в Санкт-Петербурге,
• АО «Татэнерго», обновившее ТЭЦ-2 в городе Казани,
• энергетическое подразделение СУЭК – Сибирскую генерирующую компанию, выполнившую модернизацию генераторов Красноярской ТЭЦ,
• ООО «ОДК Инжиниринг» «Ростеха», создавшего турбины для Сакской ТЭЦ в Крыму,
• Компанию «Силовые машины», нацеленную на выпуск турбин мощностью в 65 и 100 МВт, начиная с 2023 года,
• компанию ENPOWER, выполнившую строительство более сотни газовых мини-ТЭЦ на основе разработок чешской фирмы TEDOM a.s.

Преимущества и результаты внедрения

Преимущества здесь присутствуют. Они подтверждены как теоретическими расчётами, так и практикой работы обновлённых теплоэлектроцентралей. Модернизация оборудования ТЭЦ и внедрение принципиально новых решений на базе технологически разнообразных технологиям мини-ТЭЦ даёт:

• экономию топлива, что на фоне всё возрастающих цен на него становится всё более актуальным;
• наращивание производственных мощностей по выработке электрической и тепловой энергии;
• значительное уменьшение неблагоприятных воздействий на природу и человека;
• увеличение производственного ресурса станций;
• повышение эффективности работы ТЭЦ, сопровождаемого высоким уровнем автоматизации и безопасности эксплуатации задействованного оборудования;
• сокращение текущих расходов;
• энергетическую автономность и независимость (в случае возведения собственных энергетических мощностей);
• интенсификацию работы сопредельных отраслей промышленности – прежде всего машиностроения, задействованного и экономически заинтересованного в выпуске нового оборудования для тепловых станций.

Что делать, чтобы обновить оборудование?

Вопрос охватывает широкое поле деятельности, и потому его стоит разделить на две отдельные темы: модернизация и строительство ТЭЦ большой мощности, введение в строй мини-ТЭЦ.

Понятно, что в первом случае не обойтись без взаимодействия с государственными органами и глобальными энергетическими компаниями. Несмотря на регламент продолжительных взаимоотношений, вариант снимает проблемы финансирования, выбора проектных, строительно-монтажных и наладочных организаций, получения необходимых разрешений. Конечно же, придётся налаживать сотрудничество и с производителями оборудования.

Чего не избежать и в случае строительства автономных, локальных менее мощных объектов энергетической генерации. Но здесь на первый план выходят проблемы финансирования, влекущие за собой на базе технико-экономического обоснования проектов мини-ТЭЦ проблему привлечения инвесторов. Впрочем, и в том и в другом случае возникающие трудности и сложности вполне разрешимы, о чём говорит опыт прошедших десятилетий.

Важность обновления оборудования на ТЭЦ

Актуальность обновления оборудования на ТЭЦ настолько важна, что о ней говорят на самом высоком государственном уровне. Примером чего в нашей стране могут служить:

• Распоряжение Правительства Российской Федерации за № 1523-р от 9 июня 2020 года, утверждающее Энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2023 года (Энергостратегию).
• Сформированные 6 апреля 2021 года на заседании «круглого стола» рекомендации Комитета ГД РФ по энергетике на тему «Развитие когенерации и модернизация систем теплоснабжения России: текущее состояние, проблемы и пути их преодоления».

Примерно такой же линии придерживаются и остальные страны, самым активным образом на государственном и отраслевом уровне формирующие собственную политику в области теплоэнергетики.

Перспективы развития энергетической отрасли при использовании современного оборудования

Перспективы развития энергетической отрасли за счёт внедрения современного оборудования обоснованы:

во-первых, констатацией факта производства большей доли электрической и тепловой энергии в системе мирового энергохозяйства за счёт тепловых электростанций;

во-вторых, крайней необходимостью всячески воспрепятствовать дальнейшему изменению климата нашей планеты, обусловленного повсеместным сжиганием невозобновляемых энергоресурсов – угля, нефти и газа.

Основным результатом внедрения инновационного оборудования на ТЭЦ и на иных тепловых станциях должно стать и уже становится всестороннее повышение эффективности их работы, как в экономическом (производственно-техническом и финансовом), так и в экологическом плане.