Тепловая энергия

     Сооружать КЭС выгодно в непосредственной близости от мест добычи топлива. При  этом потребители    электроэнергии могут находиться на значительном расстоянии от станции.

     Теплоэлектроцентраль  отличается  от  конденсационной станции установленной на ней специальной теплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе 5 и затем поступает в конденсатор 6, а другая, имеющая большую температуру и давление (на рис. штриховая линия), отбирается от промежуточной ступени турбины и используется для теплоснабжения. Конденсат насосом 7 через деаэратор 8 и далее питательным насосом 9 подается в парогенератор. Количество отбираемого пара зависит от потребности предприятий в тепловой энергии.

     Коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 60—70%.

     Такие станции строят обычно вблизи потребителей — промышленных предприятий или жилых массивов. Чаще всего они работают на привозном топливе.

     Рассмотренные тепловые электростанции по виду основного  теплового агрегата —паровой турбины — относятся к паротурбинным станциям. Значительно меньшее распространение получили тепловые станции с газотурбинными (ГТУ), парогазовыми (ПГУ) и дизельными установками.

     Наиболее  экономичными являются крупные тепловые паротурбинные электростанции (сокращенно ТЭС). Большинство ТЭС нашей страны используют в качестве топлива угольную пыль. Для выработки 1 кВт-ч электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля. В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора.

     Современные паровые турбины для ТЭС —  весьма совершенные, быстроходные, высокоэкономичные  машины с большим ресурсом работы. Их мощность в одновальном исполнении достигает 1 млн. 200 тыс. кВт, и это  не предел. Такие машины всегда бывают многоступенчатыми, т. е. имеют обычно несколько десятков дисков с рабочими лопатками и такое же количество, перед каждым диском, групп сопел, через которые протекает струя пара. Давление и температура пара постепенно снижаются.

     КПД тепловых двигателей увеличивается с ростом начальной температуры рабочего тела. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 550 °С и давление —до 25 МПа. Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.

     По  мнению ученых в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется  теплоэнергетика на не возобновляемых ресурсах. Но структура ее изменится. Должно сократиться использование нефти.

       Начнется использование пока  еще не тронутых гигантских  запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибаcтузском бассейнах.

     К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать  эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут  за сотни лет. Сегодня в мире стали  всерьез задумываться над тем, как  не допустить разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века.

          Ученые предостерегают: разведанных  запасов органического топлива  при нынешних темпах роста  энергопотребления хватит всего  на 70-130 лет. Конечно, можно перейти  и на другие не возобновляемые источники энергии. Например, ученые уже многие годы пытаются освоить управляемый термоядерный синтез...

           К местным видам топлива относятся в первую очередь торф и дрова.  
 Общие запасы торфа на территории Российской Федерации оцениваются в размере 162,7 млрд. т (при влажности 40%). Наиболее обеспечены торфяными ресурсами северные районы европейской части страны, Западной Сибири, Урала и Северо-Запада страны.  
          Торф является природным ресурсом, запасы которого могут при соответствующих условиях возобновляться. Ежегодный прирост торфа на болотах России составляет 250 млн. т (при влажности 40%).  
         Благодаря низкой трудоёмкости и энергоёмкости добычи топливного торфа, простоте транспортных схем и коротким расстояниям вывозки торф сохраняет конкурентоспособность (в ряде регионов) с другими видами ввозимого твёрдого топлива. Кроме того, торф характеризуется низким содержанием серы и золы, что обеспечивает невысокий уровень вредных выбросов при его сжигании. В 2000 году на электростанциях России было использовано 1,7 млн. т торфа.  
 
Прогнозируются следующие показатели производства и использования в энергетике торфа на период до 2020 года:

• обеспечение новых тепловых электростанций мощностью по 20 - 30 МВт и котельных в обеспеченных торфом и энергодефицитных северных регионах – до 4 млн. т;
• расширение использования кускового торфа в качестве местного топлива за счёт увеличения его добычи – до 3 млн. т;
• восстановление и развитие производства торфяных брикетов – до 1 млн. т.

          Такой вид топлива, как дрова, в настоящее время используют более 5 млн. семей. На эти цели расходуется свыше 50 млн. м³ древесины. Централизованно топливоснабжающими предприятиями реализуется около 6 млн. м³ дров. Для ликвидации дефицита этого топлива необходимо обеспечить поддержание существующих мощностей по заготовке дров и создание новых на базе лесохозяйственных, лесопромышленных и топливных предприятий.  
         Важным местным видом топлива, особенно в целях теплоснабжения, являются городские бытовые отходы. Необходимо создать условия для включения их в топливно-энергетический баланс и решения одновременно экологических проблем.  
 
Децентрализованные потребители могут использовать также древесные и сельскохозяйственные отходы.  
         Для преодоления отставания России в использовании возобновляемых источников энергии, сохранения запасов истощаемого органического топлива для будущих поколений, существенного улучшения энергоснабжения удаленных от электросетей населенных пунктов, а также улучшения экологической обстановки в экологически напряженных районах необходимо:

• разработать и принять федеральный закон "О возобновляемых источниках энергии" и соответствующий акт Правительства Российской Федерации;
• осуществлять государственную поддержку создания межсезонных запасов торфяного и дровяного топлива.

 

Расчетный анализ содержания тепловой энергии в приходной и расходной частях энергетического баланса может быть выполнен на основе следующих соотношений: 

* содержание  химической энергии, теплота фазовых  превращений, Ткал,

Qп = Мr*10-6,

где М - расход материального потока за рассматриваемый  промежуток времени (час, год), кг или м3;

г - удельная химическая энергия, энергия фазовых превращений,    ккал/кг или ккал/м3; 

* теплосодержание  материальных потоков, Гкал,

QM = Mc Т*10-6,

где с - массовая или объемная удельная теплоемкость материального   потокаМ;

Т - температура  потока, °С; 

* расход теплоты  на отопление, Гкал,

QOT = qoV(TBH-Toc)t*10-6,

где q0 - объемная отопительная характеристика объекта;

V- внешний  объем объекта, м3;

Твн, Toc - температуры внутри и вне объекта,

°С; t - рассматриваемый промежуток времени, ч; 

* тепловой  эквивалент электрической энергии,  Гкал,

Q = W*0,86*10-6 ,

где W - подведенная (потребленная) за рассматриваемый  промежуток времени (час, год) электрическая энергия, кВт. 

        

 

 Нетрадиционные источники энергии

   Одним из нетрадиционных источников энергии является тепловая энергия океана.                      

     Известно, что запасы энергии в Мировом  океане колоссальны, ведь две трети  земной поверхности (361 млн. км2) занимают моря и океаны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, имеет величину около 1026 Дж.

     Кинетическая  энергия океанских течений оценивается  величиной 1018Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь малые доли этой энергии, да и то ценой больших  и медленно окупающихся капиталовложений.

     Последние десятилетие характеризуется определенными  успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность.

     Почти все источники энергии в какой-то степени используют энергию солнца: и уголь, и нефть, и природный  газ.

     Было  бы неплохо исключить эти превращения  и найти способ непосредственно  преобразовывать тепловое и световое излучение в энергию.

     Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной  электростанции.

     И хотя то в одной, то в другой стране появляются экспериментальные рефлекторы-нагреватели, а в публикуемых статьях напоминают о неиссякаемости светила, рентабельнее они от этого не становятся и широкого распространения пока не получают: слишком дорогое удовольствие это  даровое солнечное излучение.

     В значительно более широких масштабах  солнечную энергию используют после  ее концентрации при помощи зеркал – для плавления веществ, дистилляции  воды, нагрева,  отопления и т. д. Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой  площади, любая установка для  прямого использования солнечной  энергии должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной  поверхностью. Простейшее устройство – плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная  снизу. Она прикрыта стеклом или  пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между  плитой и стеклом чаще всего размещают  черные трубки, через которые текут  вода, масло, ртуть, воздух, сернистый  ангидрид и т. п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными  трубками и плитой и нагревает  рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем  значительно выше (па 200–500°С), чем  температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект.

     Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление аппаратуры, их перевозки.

Существует  также водородная энергетика.                        

     Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать  идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова  разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей н т. п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.

     Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам. Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ дальней передачи энергии.

     Водород может служить и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, например при производстве удобрений и продуктов питания, в металлургии и нефтехимии. Его можно использовать и для выработки электроэнергии на местных тепловых электростанциях.

             Учитывая  результаты существующих прогнозов по истощению к середине – концу следующего столетия запасов традиционных энергоресурсов, а также сокращение потребления угля (которого, по расчетам, должно хватить на 300 лет) из-за вредных выбросов в атмосферу, а также употребления ядерного топлива, которого при условии интенсивного развития реакторов - размножителей хватит не менее чем на 1000 лет можно считать, что на данном этапе развития науки и техники тепловые, атомные и гидроэлектрические источники будут еще долгое время преобладать над остальными источниками электроэнергии. Уже началось удорожание  нефти, поэтому тепловые электростанции на этом топливе будут вытеснены станциями на угле.  На рисунке 4 представлены источники и виды энергии, и, соответственно, типы установок. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тепловые  сети