у какой электростанции самый высокий кпд
У какой электростанции самый высокий кпд
Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. При производстве электрической энергии только часть (кинетической, тепловой и т.д.) преобразуется в электрическую энергию, остальное выделяется в виде тепла Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η («эта»). η = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:
где А — полезная работа, а Q — затраченная энергия.
В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.
КПД теплового двигателя — отношение совершённой полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле:
где Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику. Наибольшим КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах горячего источника T1 и холодного T2, обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно; этот предельный КПД равен:
Тепловой КПД электростанций
При производстве электрической энергии часть тепловой энергии утилизируется на теплоснабжение. Соотношение между потраченной энергией и утилизированной, выраженное в процентах называется тепловым КПД.
Общий или суммарный КПД электростанций
Сумма КПД электрического и теплового КПД называется КПД использования топлива. Чем выше электрический и суммарный КПД, тем экономичнее работа электростанции. На АЭС и ГРЭС чаще всего тепло не используется и суммарный КПД равен электрическому. При расчете технико-экономического обоснования строительства (ТЭО) станции берется суммарный КПД. При выполнении проета отдельно разрабатывается схема выдачи электрической и тепловой мощности. Для стимулирования более высокого коэффициента использования топлива принят ФЗ-261 энергосбережение и о повышении энергетической эффективности.
Электрический КПД станций, работающие на сжигании органического топлива
При сжигании органического топлива для расчетов КПД берется удельная теплоемкость топлива.
Теплоэнергетика России
Теплоэнергетика – это отрасль промышленности, которая занимается преобразованием теплоты в другие виды энергии. Она объединяет электростанции, работающие на ископаемом топливе. Уголь, нефть, природный газ являются наиболее часто используемыми источниками энергии в мире. Например, в РФ 358 тепловых станций вырабатывают более 60% всей генерируемой электроэнергии. Они по-прежнему имеют преимущество по сравнению с электростанциями, работающими от возобновляемых источников.
Ископаемое топливо: характеристика, проблематика
Природные запасы ископаемого топлива – это модифицированные продукты распада животных и растений, погибших миллионы лет назад. Когда они сжигаются на специализированных предприятиях, выделяется тепловая энергия, которая применяется для производства электрической.
Сегодня переход на чистые возобновляемые источники энергии является политической задачей всего мира. Это обусловлено тем, что ископаемое топливо будет исчерпано в течение последующих 200 лет, а мировые поставки сырой нефти и природного газа, по оценкам специалистов, иссякнут в течение 100 лет.
Но есть и преимущества ископаемого топлива:
Помимо того, что запасы ископаемого топлива постепенно истощаются, главным недостатком процесса извлечения энергии этим способом является негативное воздействие на окружающую среду. Горение сопровождается образованием тяжелых твердых частиц и высоким выбросом углекислого газа.
Каменный уголь более качественный, но многие электростанции используют бурый, который добывать намного дешевле. Количество получаемой энергии в расчете на 1 кг веса бурого угля по сравнению с каменным примерно в 3 раза ниже (первого – 3 кВт⋅ч на кг, второго – 9 кВт⋅ч на кг). Поэтому на электростанциях, работающих на буром угле, необходимо сжигать тройную массу на единицу энергии.
Для уменьшения ущерба, наносимого окружающей среде, ТЭС имеют высотные дымоходы, которые рассеивают эти частицы и локально уменьшают их вредное влияние. Кроме того, на электростанциях устанавливаются дымоходные фильтры.
Как функционируют тепловые электростанции
Принцип действия тепловых электростанций практически одинаков и не зависит от вида ископаемого топлива. Отличается только предварительная обработка и конструкция горелок и печей.
Поступающее топливо сжигается, а вода в котлах нагревается до кипения. Образующийся пар приводит в движение турбину, которая связана с ротором генератора и вызывает его вращение. Напряжение генерируемого переменного тока повышается трансформаторами, а затем транспортируется по линиям электропередачи и через сеть понижающих подстанций поступает к потребителям.
Большая тепловая электростанция состоит из одного или нескольких блоков, которые могут работать в значительной степени независимо друг от друга. Каждый имеет свое оборудование – паровые турбины и электрогенераторы.
КПД тепловых электростанций
Эффективность тепловых электростанций ограничена. Наибольший КПД – 60%. Он достигается на парогазовых электростанциях, а на современных угольных – ниже 50%, на старых – всего 40%. Указанные показатели эффективности применимы к работе при полной нагрузке. При частичной КПД может значительно снизиться.
Практически все крупные электростанции, за исключением ГЭС, являются тепловыми, во многих странах они производят большую часть электроэнергии. Из-за их ограниченной эффективности образуется значительное количество отработанного тепла, использование которого на месте возможно только в малом объеме. Поэтому оно выбрасывается в атмосферу через градирни, иногда через охлаждающую воду в реки.
Существуют ТЭС только для выработки электроэнергии и ТЭЦ – теплоэлектроцентраль. Последние предназначены также для использования вырабатываемого тепла посредством его транспортировки в отопительные системы и трубопроводы горячего водоснабжения. КПД ТЭЦ намного выше, он может превышать 70%.
История тепловой энергетики и перспективы развития
Первую теплоэлектростанцию построил немецкий инженер Зигмунд Шуккерт в Баварии в 1878 году. С ее помощью освещался грот в саду замка Линдерхоф. В 1882 году были введены в эксплуатацию электростанция в Лондоне, которая использовалась для электрического освещения, и в Нью-Йорке (500 кВт). На них применялись поршневые паровые двигатели.
Изобретение паровой турбины позволило строить более крупные и эффективные установки, и с 1905 года тепловые электростанции стали возводиться только с турбинами.
В России первая тепловая электростанция общего пользования мощностью 35 кВт была построена в 1883 году в Санкт-Петербурге. Она предназначалась для подачи электроэнергии на освещение Невского проспекта. Московская ГЭС-1 (городская электростанция) появилась в 1897 году. Ее мощность составляла 3,7 мВт.
Структура тепловых электростанций в России на сегодняшний день:
Переход к выработке электроэнергии от возобновляемых источников не так прост, хотя это желаемое направление развития электроэнергетики для человечества. В ближайшее время отказаться от тепловой энергетики будет невозможно, и она сохранит свою доминирующую роль.
Главным направлением развития этой отрасли является разработка прогрессивных технологий, которые позволят снизить количество вредных выбросов в атмосферу, а также повысить эффективность работы теплоэлектростанций.
Крупнейшие тепловые электростанции
Самыми крупными являются гидроэлектростанции, но тепловые также обладают внушительной мощностью.
Крупнейшими в мире считаются:
Крупнейшие тепловые электростанции России
Сургутская ГРЭС-2
Мощнейшая электростанция в России и самая крупная из работающих на газе в мире. Принадлежит ПАО «Юнипро». Полностью введена в эксплуатацию в 2011 г. Топливом служат природный газ – 30% и попутный нефтяной – 70%. Имеет 8 энергоблоков общей мощностью 5 657,1 мВт. Среднегодовая выработка электроэнергии – 39 млн кВт⋅ч.
Расположена в городе Сургуте в Тюменской области. Одна из самых эффективных российских ТЭС с условным расходом топлива – от 225 до 306 г/кВт⋅ч. Ее коэффициент использования установленной мощности несколько лет подряд превышал 80%. Тепловая производительность – 840 Гкал/ч.
Рефтинская ГРЭС
Мощнейшая твердотопливная электростанция России. Расположена в 100 км от города Екатеринбурга. Собственник – «Кузбассэнерго». Суммарная мощность десяти ее энергоблоков составляет 3 800 мВт. Среднегодовая выработка электроэнергии – 20 млн кВт⋅ч. Топливом служит каменный уголь Экибастузского месторождения.
Покрывает 40% энергопотребления Свердловской области. Основные потребители – промышленные предприятия Свердловской, Челябинской и Тюменской областей, Пермского края. Возведение первой очереди Рефтинской ГРЭС продолжалось с 1963 по 1975 год, второй этап строительных работ закончен в 1980 году. Одна из дымовых труб станции входит в число высочайших в мире (330 м).
Костромская ГРЭС
Построена в Костромской области на берегу Волги. Находится в составе Группы «Интер РАО». На станции установлены 8 генераторов по 300 мВт и один на 1200 мВт. Суммарная мощность – 3600 мВт. Основное топливо – природный газ, в качестве резерва используется мазут. Энергоблоки отечественного производства по 300 мВт впервые были установлены на этом предприятии для опытной эксплуатации так же, как и последний энергоблок с уникальной конструкцией.
Костромская ГРЭС снабжает электроэнергией области Центральной части РФ, а также осуществляет экспортные поставки. Она вырабатывает 3% всей российской электрической энергии.
Пермская ГРЭС
Мощнейшая электростанция Пермского края, находится на расстоянии 70 км от Перми. Собственник – «Интер РАО». Работает на природном газе. Общая мощность 4 энергоблоков – 3 363 мВт. Станция обладает современной системой управления, установленной швейцарской компанией АВВ и финскими фирмами Valmet и Energico.
Потребители электроэнергии – расположенные в данном регионе нефтедобывающие, нефтеперерабатывающие, нефтехимические предприятия, а также промышленные компании Верхнекамского узла (металлургические, лесоперерабатывающие, извлекающие полезные ископаемые).
Сургутская ГРЭС-1
Это первая теплоэлектростанция, построенная в городе Сургуте Тюменской области. Функционирует она на природном газе (60%) и попутном нефтяном (40%). Имеет 16 энергоблоков суммарной мощностью 3 333 мВт. Собственник – ПАО «ОГК-2».
Станция введена в эксплуатацию в 1972 году, когда был запущен первый энергоблок. В дальнейшем (вплоть до 1983 года) ежегодно вводили в эксплуатацию по дополнительному блоку. Среднегодовая выработка электроэнергии – около 20 млн кВт⋅ч. Потребителями являются нефтегазодобывающие предприятия Тюменской области.
Рязанская ГРЭС
Находится в Рязанской области в городе Новомичуринске. Принадлежит ПАО «ОГК-2». Содержит 7 энергоблоков, общая мощность – 3 130 мВт. Теплоэлектростанция функционирует на природном газе и каменном угле, а резервным топливом является мазут.
Первоначально станция строилась для работы на буром угле Подмосковного угольного бассейна. В 1984 году 5-й и 6-й блоки перевели на газ, а в 2008 г. рядом расположенная ГРЭС-24, работающая на газе, вошла в состав электростанции и получила название 7-го энергоблока. Максимальная годовая выработка электроэнергии достигала 9517 млн кВт⋅ч.
Киришская ГРЭС
Считается филиалом ПАО «ОГК-2». Это самая мощная теплоэлектростанция в Северо-Западном регионе. Находится в г. Кириши, в 150 км от Санкт-Петербурга. Электрическая мощность – 2 595 мВт, тепловая – 1234 Гкал/ч.
При проектировании ГРЭС в качестве топлива планировалось использовать мазут, а затем все котлы перевели на природный газ. Станция подает тепло и горячую воду в г. Кириши, тепловой энергией обеспечиваются также строительные, промышленные и сельскохозяйственные компании. Ее доля в производстве тепла – 43% от всех реализуемых теплоэлектростанций ПАО «ОГК-2».
Конаковская ГРЭС
Принадлежит к числу самых крупных в Центральной части РФ и расположена в Тверской области в г. Конаково. Собственник – «Энел Россия». Ранее станция функционировала на мазуте, который доставляли по железной дороге, а с 1982 г. ее котлы начали переводить на природный газ. Сейчас мазут используют только в качестве резервного топлива. В составе ГРЭС 8 энергоблоков суммарной установленной мощностью 2 520 мВт.
В 1967 г. рядом с теплоэлектростанцией построили электроподстанцию 750 кВ «Опытная». ГРЭС выдает мощность в Московское энергокольцо.
Ириклинская ГРЭС
Находится в Оренбургской области и является мощнейшей на Южном Урале. Собственник – «Интер РАО». Возведение теплоэлектростанции началось в 1963 г. из-за расширения нескольких промышленных предприятий Оренбургской области, строительства горно-обогатительного комбината в г. Гай, Буруктальского никелевого завода.
Станция содержит 8 энергоблоков. Суммарная мощность – 2 430 мВт. Сначала топливом для ГРЭС служил мазут, с 1976 г. она работает на природном газе, получаемом от газопровода «Бухара-Урал». По воздушным ЛЭП 500 кВ, отходящим от ГРЭС, получают электроэнергию газоперерабатывающий завод г. Оренбурга и металлургический комбинат г. Магнитогорска.
Ставропольская ГРЭС
Находится в Ставропольском крае в поселке Солнечнодольске. Собственник – ПАО «ОГК-2». Является ключевым звеном в обеспечении надежности электроснабжения ОЭС (объединенной энергосистемы) Юга. Единственный поставщик тепла в поселок Солнечнодольск для бытовых нужд.
На станции работает 8 энергоблоков по 300 мВт. Общая мощность – 2 423 мВт. Максимальный показатель годовой выработки электроэнергии – 11 379 кВт⋅ч. Основное топливо – природный газ, резервным и аварийным служит мазут. Из-за низкой рентабельности Ставропольскую ГРЭС планировали закрыть, но системный оператор не дал на это согласия по причине повышенного спроса на электроэнергию в энергосистеме.
Тепловые электростанции (ТЭС)
Превращение природных энергетических ресурсов в электричество осуществляется с помощью специальных установок, функционирующих на различных принципах. Среди них наиболее широкое распространение получили тепловые электростанции, применяющие для работы жидкое, твердое и газообразное органическое топливо. Они вырабатывают более 70% всей мировой электроэнергии и располагаются поблизости от месторождений природных ресурсов. Многие ТЭС производят не только электричество, но и тепловую энергию.
Виды тепловых электростанций
Стандартная тепловая электростанция представляет собой целый комплекс, включающий в себя различные устройства и оборудование, преобразующие топливную энергию в электричество и тепло.
Подобные установки отличаются параметрами и техническими характеристиками, по которым и выполняется их классификация:
Принцип работы тепловой электростанции
Основной принцип работы тепловой электростанции заключается в производстве тепловой энергии из органического топлива, которая в дальнейшем используется для выработки электрического тока.
Понятия ТЭС и ТЭЦ существенно различаются между собой. Первые установки относятся к так называемым чистым электростанциям, вырабатывающим только электрический ток. Каждая из них известна еще и как конденсационная электростанция – КЭС. ТЭЦ расшифровывается как теплоэлектроцентраль и является разновидностью ТЭС. Данные установки не только генерируют электричество, но и являются тепловыми, то есть дают тепло в системы отопления и горячего водоснабжения. Такое комбинированное использование требует специальных паровых турбин с противодавлением или системой промежуточного отбора пара.
Несмотря на разнообразие конструкций, работа всех ТЭС осуществляется по общей схеме. В котел постоянно подается топливо в виде угля, газа, торфа, мазута или горючих сланцев. На многих электростанциях используется заранее приготовленная угольная пыль. Вместе с топливом поступает воздух в подогретом виде, выполняющий функцию окислителя.
В процессе горения топлива создается тепло, нагревающее воду в паровом котле. Происходит образование насыщенного пара, подаваемого в паровую турбину через паропровод. Далее тепловая энергия становится механической.
Вал и остальные движущиеся части турбины связаны между собой и представляют единое целое. Струя пара под высоким давлением и при высокой температуре выходит из сопел и воздействует на лопатки турбины. Закрепленные на диске, они начинают вращаться и приводят в движение вал, соединенный с генератором. В результате вращения происходит преобразование механической энергии в электрический ток.
Пройдя через паровую турбину, пар снижает свою температуру и давление. Далее он попадает в конденсатор и прокачивается по трубкам, охлаждаемым водой. Здесь пар окончательно превращается в воду и поступает в деаэратор для очистки от растворенных газов. Очищенная вода с помощью насоса подается в котельную установку через подогреватель.
ТЭС на угле
Уголь уже давно стал одним из основных источников энергии в повседневной жизни и производственной деятельности людей. Широкое распространение данного вида топлива стало возможным благодаря его доступности. Во многих месторождениях он расположен в нескольких метрах от поверхности земли и может добываться более дешевым открытым способом. Кроме того, уголь не требует каких-то особых условий хранения и складируется в обычные кучи неподалеку от объекта.
Промышленное использование угля началось в конце 18-го века. В дальнейшем, когда появился железнодорожный транспорт, уголь стал источником движущей силы для паровозов. Позднее он стал применяться на первых тепловых электростанциях, построенных в конце 19-го века. Многие ТЭС и в настоящее время работают на угле.
На самых первых электростанциях сжигание угля осуществлялось путем его укладки на колосниковые решетки. Загрузка топлива и удаление шлака выполнялось вручную. Постепенно эти процессы были механизированы и уголь попадал на решетки из верхнего бункера. Решетка приводилась в движение и отработанный шлак ссыпался в специальный приемник.
Современные тепловые электростанции уже давно не пользуются кусковым углем. Вместо него в котлы загружается угольная пыль, получаемая в дробилках или мельницах. Подача топлива к горелкам производится сжатым воздухом. Попадая в топку, угольная пыль вперемешку с воздухом начинает гореть, выделяя большое количество тепла.
Газовые ТЭС
Вторым после угля по своей значимости является природный газ, используемый многими ТЭС. Данный вид топлива обладает несомненными преимуществами. Вредные выбросы, отравляющие атмосферу, значительно ниже, чем при сжигании угля. После сжигания не остается побочных продуктов в виде шлака или золы.
Эксплуатация ТЭС на газе становится значительно проще, поскольку в этом случае не требуется приготовление угольной пыли. Газу не требуется какая-либо специальная подготовка, и он сразу готов к использованию. Газовые тепловые электростанции считаются более маневренными, что немаловажно в ситуациях с изменяющимися нагрузками.
Эффективность и коэффициент полезного действия газовых ТЭС значительно увеличились при переходе в рабочий режим с циклом парогазовых установок. Сжигание топлива производится не в котле, а в газовой турбине. Такие установки предназначены только для газа и не могут работать на угольной пыли.
Другие виды топлива для ТЭС
Помимо традиционных видов топлива тепловые электростанции применяют в своей работе и другие источники энергии. Одним из таких энергоресурсов является мазут, который использовался на многих электростанциях во второй половине 20-го века.
В современных условиях цена продуктов нефтепереработки существенно увеличилась, поэтому мазут перестал быть основным топливом. Его частично используют угольные электростанции для растопки. Эксплуатационные качества мазута аналогичны с природным газом, однако при его сжигании в большом количестве выделяется оксид серы, загрязняющий окружающую среду.
В 20-м веке некоторые ТЭС работали на торфе. В настоящее время этот ресурс практически не используется из-за низкой эффективности по сравнению с газом и углем. Установки на дизельном топливе применяются на небольших объектах, где не требуются значительные объемы электроэнергии. В основном, они предназначены для удаленных районов, расположенных на значительном расстоянии от сетей централизованного электроснабжения.
КПД тепловой электростанции
Основным показателем любой тепловой электростанции является ее коэффициент полезного действия. Например, для угольных ТЭС существует термический КПД, определяемый количеством угля, необходимого для выработки 1 кВт*ч электроэнергии. Если в начале 20-х годов прошлого века этот показатель составлял 15,4 кг, то в 60-е годы он снизился до 3,95 кг. В дальнейшем расход угля вновь незначительно поднялся до 4,6 кг.
Причиной такого подъема стали газоочистители, уловители пыли и золы, из-за которых угольная электростанция снизила выходную мощность на 10%. Многие станции пользуются более чистым в экологическом плане углем, что также привело к увеличению потребления топлива.
Процентное выражение термического КПД тепловой электростанции составляет не более 36%, что связано с высокими тепловыми потерями, вызываемыми отходящими газами при горении. У атомных электростанций, отличающимися низкими температурами и давлением термический КПД еще ниже – 32%. Самый высокий показатель у газотурбинных установок, оборудованных котлами-утилизаторами и дополнительными паровыми турбинами. КПД электростанций с таким оборудованием превышает 40%. Этот показатель полностью зависит от величины рабочих температур и давления пара.
Современные паротурбинные электростанции используют промежуточный перегрев пара. После того как он частично отработает в турбине, происходит его отбор в промежуточной точке для последующего повторного нагрева до первоначальной температуры. Система промежуточного перегрева может состоять из двух ступеней и более, что способствует значительному увеличению термического КПД.
Самые мощные ТЭС
В настоящее время лидером тепловой энергетики по праву считается тепловая электростанция Туокетуо, находящаяся в Китае в провинции Внутренняя Монголия. До недавних пор она являлась лишь третьей в мире, уступая по мощности ТЭС, расположенным в Тайчжуне и Сургуте. В результате проведенной реконструкции в 2017 году добавились два энергоблока по 660 Мвт каждый, после чего общая мощность станции достигла 6720 мегаватт. После этого Сургутская ГРЭС стала занимать 3-е место в мире и 1-е – в России.
В российской Энергосистеме доля тепловых электростанций составляет около 70%, а общее количество в натуральных цифрах – 358 единиц. Самые крупные ТЭС расположены возле крупных месторождений полезных ископаемых, используемых в качестве топлива. Установки, применяющие мазут, привязаны к крупным нефтеперерабатывающим предприятиям.
Крупнейшей российской ТЭС является Сургутская, производительность которой составляет 5600 МВт. На карте географическое положение объекта определяется на примерно одинаковом расстоянии от Нефтеюганска и Ханты-Мансийска.
Строительство объекта началось в 1979 году, а в 1985 году был введен в эксплуатацию 1-й энергоблок. Далее за 3 года в строй вступили все оставшиеся энергоблоки, производительностью 800 МВт. Работа станции осуществляется на попутном газе, образованном в местах разрабатываемых газовых месторождений. Такой газ должен утилизироваться, однако он превратился в энергетический ресурс. К настоящему времени построены еще 2 энергоблока по 400 МВт, что позволило вывести станцию на проектную мощность.
Следует отметить еще одну крупную российскую ГРЭС – Рефтинскую. Она работает на каменном угле, а производительность составляет 3800 мегаватт. Объект расположен примерно в 100 км от Екатеринбурга. Строительство велось с 1963 по 1980 годы, в течение всего периода энергоблоки вводились в строй поэтапно.