Теплоэлектроцентраль: что такое, как устроена, отличия от ТЭС

en.wikipedia.org

Сегодня в сфере производства электрической и тепловой энергии на всей территории нашей планеты первенство принадлежит тепловым электростанциям. Несколько иная ситуация наметилась лишь в странах Латинской Америки, обладающих значительными гидроресурсами и потому предпочитающими выработку электроэнергии с помощью ГЭС. Безусловными странами-лидерами по производству электрической энергии как с помощью тепловых, так и иных электростанций являются Китай, США, Индия, Япония, Россия и Канада.

Какие бывают источники энергии

Работа каждой конкретной тепловой электростанции (ТЭС) влечёт за собой расход одного из видов источников энергии (ИЭ). Все известные сегодня науке ИЭ подразделяются на возобновляемые (ВИЭ) и невозобновляемые. Возобновляемые или достаточно быстро восстанавливаются, или неисчерпаемы в масштабах человеческой цивилизации. К ним относятся гидроэнергия, энергия Солнца, ветра, энергия приливов и отливов, геотермальная, температурного градиента морской воды, энергия биотоплива первого, второго и третьего поколений. Совсем другое дело – невозобновляемые (истощаемые в процессе длительной выработки) источники энергии, в список которых входят дерево, уголь, нефть и горючие газы. Именно последние три и находят применение на современных тепловых электростанциях. Что касается ядерного топлива, то по поводу отношения его к тому или иному виду ИЭ дискуссии всё ещё продолжаются.

Принципиальное отличие возобновляемых и невозобновляемых источников энергии заключается не только в природном ограничении запасов последних, но и в том, что сжигание угля, продуктов переработки нефти, газов наносит колоссальный вред окружающей среде. Однако в силу высокого уровня общемирового потребления электрической и тепловой энергии с этим приходится мириться, даже несмотря на то, что в последние десятилетия наметилась устойчивая тенденция постепенного и поэтапного перехода к ВИЭ. Так, по прогнозу, сделанному ИЭИ РАН и Центром энергетики Московской школы управления «Сколково», к 2040 году за счёт ВИЭ будет генерироваться 35-50% общемировой выработки электроэнергии, что должно обеспечить 15-25% потребления энергии в целом.

Отличия ТЭЦ от ТЭС

Экономика индустриального общества предусматривает значительный уровень потребления тепловой энергии. Именно этому факту мы и обязаны появлению теплоэлектроцентралей – ТЭЦ, являющимися лишь одной из разновидностей тепловых электростанций. В отличие от других видов ТЭС – КЭС, ГРЭС, теплоэлектроцентраль не только вырабатывает электрическую энергию, но и производит тепло в виде пара или горячей воды, используемых в системах централизованного теплоснабжения с целью организации отопления и горячего водоснабжения потребителей.

Достигается это за счёт установки специальных паровых турбин (в большинстве случаев – теплофикационных), позволяющих не только отбирать пар нужных параметров, но и регулировать его количество. Процесс совместной выработки электроэнергии и тепла – когенерация, представляет собой определённую выгоду, так как позволяет существенную часть тепла, не задействованную в производстве электроэнергии, использовать для нужд отопления и горячего водоснабжения.

Принцип работы

Поэтапное преобразование внутренней химической энергии в энергию тепловую и электрическую на теплоэлектроцентралях осуществляется следующим путём:

• в самом начале организуется подготовка специальной (тщательным образом очищенной) воды, подаваемой затем в котлы;
• в топках котлов производится сжигание топлива (торфа, угля, мазута, природного газа), что приводит к нагреванию воды и преобразованию её в пар;
• пар по паропроводам поступает на лопатки турбины, где отбирается с её ступеней для тепловых нужд;
• турбина приходит во вращение, увлекая за собой электрический генератор;
• вращение электрогенератора позволяет вырабатывать электрический ток, который через систему преобразований и передач поступает в электрическую сеть.

Преимущества и недостатки

Как и любой технический объект, ТЭЦ не лишена ряда существенных достоинств. Среди них можно отметить:

• быстроту и относительную дешевизну возведения, сочетаемую с небольшими по сравнению с ГЭС и АЭС площадями отчуждения земель;
• возможность работы на различных видах топлива, что значительным образом снижает себестоимость выработки энергии;
• генерацию электроэнергии и тепла, что повышает КПД станции и предоставляет возможность варьировать нагрузку, выбирая в качестве приоритета либо тепло, либо электричество;
• широту выбора места размещения станции;
• незначительность масштабов возможных аварий.

Вместе с тем теплоэлектроцентрали наделены серьёзными недостатками, а именно:

• необходимостью содержания значительного эксплуатационного персонала, отягощаемой к тому же существенными текущими расходами;
• инерционностью выхода на нужный режим работы, иногда достигающего продолжительности в несколько суток;
• зависимостью от регулярных поставок значительных объёмов топлива;
• вредным воздействием, наносимым близлежащим территориям; спровоцированным процессом сжигания топлива, его складированием и необходимостью утилизации конечных продуктов горения.

Крупнейшие в мире ТЭЦ

Вопрос не так прост, как может показаться на первый взгляд, хотя с аналитической точки зрения достаточно интересен (ведь речь здесь идёт именно о ТЭЦ, а вовсе не о ТЭС). Всё дело в централизованном теплоснабжении, мировой рынок которого к 2019 году составлял 150 млрд $. Данные от Global Market Insights.

Согласно публикации руководителя и одного из старших научных сотрудников Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева, датируемой окончанием 2021 года, на нашей планете задействовано порядка 80 000 рынков тепловой энергии. Абсолютное большинство их – 50 000 – функционируют в пределах РФ, ещё 24 000 приходятся на КНР, страны СНГ, США и ряд других государств. Лишь 6 000 работают в пределах ЕС (централизованное теплоснабжение в Дании, Германии и Финляндии).

Проще говоря, крупные и мощные ТЭЦ востребованы лишь в крупных северных населённых пунктах нашей планеты. Одним из них таких пунктов выступает столица РФ – город Москва, где, по всей видимости, и расположены самые мощные в мире ТЭЦ, принадлежащие ПАО «Мосэнерго»:

• ТЭЦ-26, тепловой мощностью в 4 214 Гкал/час;
• ТЭЦ-21 – 4 918 Гкал/час;
• ТЭЦ-23 – 4 530 Гкал/час;
• ТЭЦ-25 – 4 088 Гкал/час.

Безопасность

Говоря о работе теплоэлектроцентралей, нельзя обойти вниманием вопросы безопасности. Ведь выход из строя ТЭЦ в результате аварии влечёт за собой серьёзные последствия, связанные и с жизнью и здоровьем персонала и с необходимостью обеспечения теплом жителей населённых пунктов в холодное время года. Наглядным примером может служить авария, случившаяся в начале марта 2024 года на Шагонарской ТЭЦ в городе Туве. В результате произошедшего там взрыва в числе пострадавших оказались 23 человека, в республике пришлось вводить режим чрезвычайной ситуации, а город Шагонар остался без отопления.

Теплоэлектроцентрали играют важную роль в мировой энергетической системе, выступая одновременно источниками электрической и тепловой энергии. Это представляет особую ценность в системах централизованного теплоснабжения наиболее характерных для регионов с холодными и продолжительными зимами. Совместно с котельными они и дальше будут выполнять эту миссию. Проблема здесь заключается лишь в используемом топливе, наносящем большой урон экологической безопасности нашей планеты. Вот почему так актуальным становится уход от сжигания угля и продуктов нефтепереработки хотя бы в сторону природного газа, а в последующем – и более безопасных в экологическом отношении видов топлива. Сегодня это одна из главных целей мировой энергосистемы, а потому решать её необходимо как можно скорее.