ДонНТУ   Портал магистров

Кравченко Валерия Сергеевна

Факультет экологии и химической технологии

Кафедра прикладной экологии и охраны окружающей среды

Специальность Экологическая безопасность

Пути снижения теплового воздействия объектов теплоэнергетики на биосферу

Научный руководитель: к. х. н. , доцент Ганнова Юлия Николаевна

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цели, задачи и объект исследования
• 3. Влияние теплового загрязнения на окружающую среду
• 4. Пути поступления избыточного тепла в биосферу
• 5. Методы регенерации теплоты низкого потенциала
• Выводы
• Список источников

Введение

Средой обитания человека является окружающая природная среда, а основу бытности современной цивилизации составляют ископаемые природные ресурсы и вырабатываемая из них энергия. Очевидно, что без энергетики у человечества нет будущего. Но с другой стороны, производство энергии оказывает мощное отрицательное воздействие на окружающую среду, ухудшая условия жизни людей [1].

Электрическую энергию производят за счет использования потенциальной энергии, скрытой в различных природных ресурсах. Это происходит в основном на тепловых (ТЭС) и атомных электростанциях (АЭС), работающих по тепловому циклу.

Тепловая электрическая станция (ТЭС) – сложная многокомпонентная система, состоящая из большого числа подсистем и агрегатов. На тепловых электростанциях имеются основные и обеспечивающие технологические процессы, производства с весьма высоким уровнем загрязнения окружающей среды. На рисунке 1 представлена схема взаимодействия теплоэлектроэнергетического предприятия с окружающей средой.

К основным экологическим проблемам ТЭС, работающих на угле, относятся: пыление при хранении и транспортировке угля; поступление в биосферу продуктов сжигания топлива в котлоагрегатах; охлаждение пара в турбинах; сбросы загрязненных вод в водоемы; хранение шлама в золоотвалах и другие.

При сжигании топлива на ТЭС вся его масса превращается в отходы, при этом продукты сгорания в несколько раз превышают массу топлива за счет включения азота и кислорода воздуха.

Загрязнение атмосферного воздуха в большей степени происходит при сжигании топлива. К основным компонентам относятся: пылевые частицы различного состава, оксиды серы и азота, фтористые соединения, оксиды металлов, газообразные продукты неполного сгорания топлива. В общем загрязнении атмосферы отходами производства теплоэнергетические выбросы вредных веществ составляют: по твердым (золе) – до 35 %; диоксиду серы – до 50 %; оксидам азота – до 35 %. Их поступление в воздушную среду наносит большой ущерб, как всем основным компонентам биосферы, так и предприятиям, объектам городского хозяйства, транспорту и населению городов.

Одним из факторов взаимодействия предприятий теплоэлектроэнергетики с водной средой является потребление воды системами технического водоснабжения, в том числе, безвозвратное потребление воды. Сброс сточных вод в водоёмы оказывает пагубное влияние на качество воды и водные организмы [2].

Влияние предприятий теплоэлектроэнергетики на литосферу заключается в следующем: поверхностные сбросы и фильтрация приводит к загрязнению прилегающей территории; тепловое воздействие приводит к изменению термического состояния грунтов; уменьшение количества земель пригодных для сельхозугодий; изменение радиоактивного фона территории; накопление в почве тяжелых металлов, которые подземными водами переносятся в водоемы.

Таким образом, предприятия теплоэлектроэнергетики, в целом, являются одним из главных загрязнителей окружающей среды.

1. Актуальность темы

При проектировании и эксплуатации тепловых электрических станций некоторым агрегатам уделяется недостаточно внимания, их тепловые потери считаются естественными. К таким агрегатам и системам можно отнести турбогенераторы, трансформаторы ТЭС, систему смазки подшипников вала турбины и турбогенератора, систему непрерывной продувки котлов. Потери теплоты ряда рабочих сред, например, отработавшего пара турбин, традиционно считаются неизбежными из-за низкого потенциала теряемой теплоты, хотя наличие низкопотенциальных тепловых потерь ведет к существенному понижению энергетической эффективности ТЭС. Только в конденсаторах турбин крупных электростанций теряется до 500 МВт тепловой мощности.

Потери тепла в окружающую среду приводят к негативным последствиям для биосферы.

С учетом выше сказанного, одним из наиболее актуальных вопросов повышения эффективности эксплуатации ТЭС и уровня экологической безопасности является разработка технологий, позволяющих регенерировать (возвращать в цикл) теплоту низкого потенциала.

2. Цели, задачи и объект исследования

Цель работы – проанализировать экологические проблемы, связанные с поступлением в биосферу избыточного тепла от деятельности предприятий теплоэлектроэнергетики на примере РП Энергия Донбасса ОП Старобешевская ТЭС, внешний вид которой представлен на рисунке 2, и разработать мероприятия по снижению теплового загрязнения биосферы.

Установленная мощность данной ТЭС – 2300 МВт, в эксплуатации 9 энергоблоков, станция работает в режиме маневрирования. В течение 2015-2018 годов в работе одновременно находится от 2 до 5 энергоблоков. Топливом служит уголь марки АШ. Техническое водоснабжение комбинированное с водохранилищем и градирнями. Электроэнергия передаётся по высоковольтным линиям электропередачи напряжением 110 и 220 Кв. [3].

Задачи исследования:

1. Проанализировать влияние теплового загрязнения на окружающую среду;

2. Изучить пути поступления избыточного тепла в биосферу;

3. Проанализировать методы регенерации теплоты низкого потенциала, которые существуют в мировой практике, и определить оптимальные методы регенерации тепла для Старобешевской ТЭС;

4. Произвести эколого-экономическую оценку разработанных мероприятий.

Объект исследования – низкотемпературные потоки тепла от агрегатов и рабочих сред Старобешевской ТЭС.

3. Влияние теплового загрязнения на окружающую среду

По оценкам ученых, в глобальном масштабе тепло антропогенного происхождения в настоящее время еще неизмеримо мало по сравнению с теплом, поступающим от Солнца и из земных недр и, таким образом, не может существенно сказаться на тепловом балансе Земли [4].

Однако мощные источники антропогенных выбросов тепла при условии их высокой концентрации на небольших территориях могут оказывать заметное влияние на тепловой режим этих территорий, пространств, акваторий. Температура воздуха зимой в крупных городах обычно на несколько градусов выше, чем вблизи расположенных небольших населенных пунктов. Также заметно изменяется тепловой режим рек и озер при сбросе в них нагретых сточных вод тепловых электростанций. Таким образом, влияние мощных антропогенных источников тепла на биосферу вполне ощутимо, хотя и имеет локальный характер [5].

На тепловых электростанциях имеются основные и обеспечивающие технологические процессы, производства с весьма высоким уровнем теплового загрязнения окружающей среды.

Наибольшее негативное воздействие теплового загрязнения оказывается на водные экосистемы со следующими негативными последствиями:

– повышение температуры воды усиливает восприимчивость организмов к токсическим веществам, которые присутствуют в загрязненной воде;

– температура воды может превысить критические значения для жизненно важных стадий и циклов водных организмов;

– высокая температура способствует видоизменению обычной флоры водорослей на менее желательную форму в виде сине-зеленых водорослей.

Влияние предприятий теплоэлектроэнергетики на литосферу заключается в загрязнении прилегающей территории, тепловом воздействии и изменении термического состояния грунтов, изменении радиоактивного фона территории, накоплении в почве соединений тяжелых металлов. Прогретый грунт взаимодействует с растениями, животными и микробными сообществами, меняя параметры среды обитания.

Техногенные изменения температурного режима могут ухудшать условия жизни и работы людей. Возможно также усиление коррозии материалов и повреждение тепло- и газопроводов, канализации и тому подобное.

4. Пути поступления избыточного тепла в биосферу

По существу, тепловая электрическая станция – это система преобразования химической энергии топлива в полезную электрическую и тепловую энергию. Как любой механизм тепловая электрическая станция имеет определенное значение коэффициента полезного действия КПД [6]. Часть энергии топлива уходит из цикла станции в виде ряда побочных потоков энергии, которые включают в себя потери теплоты с уходящими газами, с продувочной водой, с отработавшим паром турбин, в электрических агрегатах, за счет трения в механических устройствах и т.д.

В то же время существует ряд потоков, поступающих в цикл станции извне, они обладают низким физическим потенциалом, близким к потенциалу окружающей среды. К ним можно отнести подпиточную воду, дутьевой воздух и топливо.

В настоящее время среди электрических станций установленной мощностью свыше 1000 МВт превалируют ТЭС конденсационного типа, к которым относится и Старобешевская ТЭС. КПД современных конденсационных электростанций, как правило, не превышает 40 %, в основном это связано с потерями тепла, уносимого отходящими газами, вместе с продуктами сгорания, отработанной циркуляционной водой, необходимой для полной конденсации пара в турбине, а также со снижением рабочих параметров пара на входе в турбину [7].

Снижение параметров пара обусловлено тем, что основное оборудование современных тепловых электростанций, особенно работающих на твердом топливе, сильно изношено. Сталь, из которой изготовлено котельное оборудование и сопловые аппараты турбоустановок, не способна длительно выдерживать номинальную нагрузку, что влечет за собой снижение установленной мощности энергоблоков ТЭС, а это негативно сказывается на КПД всей электростанции [8].

На рисунке 3 представлена типовая схема теплового баланса конденсационной ТЭС.

Количественно наиболее значимыми являются потери тепла с потоком отработавшего пара турбин. Основа этих потерь – скрытая теплота конденсации водяных паров. Отработавший пар конденсируют в конденсаторах различного типа путем отбора теплоты хладагентом.

Потери тепла при работе котлоагрегатов происходят за счет удаления из топки шлака, температура которого составляет 1400-1600 ^оС. При нагрузке турбогенераторов в его обмотках и стали выделяется теплота. Количество выделяемой теплоты зависит от электромагнитного КПД агрегата.

С учетом вышесказанного, одним из наиболее актуальных вопросов эксплуатации ТЭС является разработка технологий, позволяющих регенерировать (возвращать в цикл) теплоту низкого потенциала.

5. Методы регенерации теплоты низкого потенциала

В общем понимании термин регенерация означает возобновление, восстановление. Применительно к потокам теплоты на ТЭС данный термин подразумевает возврат энергии того или иного потока в тепловой цикл станции [9].

Представляется возможным применение различных технологий регенерации низкотемпературных потоков тепла от агрегатов и рабочих сред ТЭС:

– теплоты обмоток турбогенераторов и трансформаторов;

– теплоты продувочной воды низкого давления, неиспарившейся в сепараторе непрерывной продувки;

– теплоты масла смазки вала турбины и турбогенератора;

– явной и скрытой теплоты отработавшего пара турбин.

Технически реализовать регенерацию теплоты обмоток турбогенератора воздухом или газом, потребляемыми котлами, можно несколькими способами в зависимости от типа генератора и используемого метода охлаждения [10]. При водородном охлаждении турбогенератора регенерацию лучше осуществлять путем передачи теплоты нагретого водорода воздуху или природному газу в специальных газовых охладителях.

Эта технология позволяет совместить процессы утилизации теплоты обмоток турбогенераторов с предварительной подготовкой топлива, что позволяет повысить экономичность и экологическую безопасность станции путем снижения энергетических затрат на систему водяного охлаждения, на систему предварительного подогрева воздуха и природного газа, а также благодаря возврату теплоты турбогенераторов в тепловой цикл станции.

Теплоту продувочной воды низкого давления, неиспарившуюся в сепараторе непрерывной продувки, целесообразно использовать для подогрева низкотемпературного редуцированного природного газа перед котлом. Технология позволяет добиться максимально глубокого охлаждения продувочной воды. Благодаря использованию низкого потенциала редуцированного природного газа температура воды на выходе из охладителя непрерывной продувки не превышает 3-5 ^оС, что на 15-20 ^оС ниже температуры окружающей среды в летнее время [11].

Отвод теплоты масла системы смазки подшипников вала турбины и турбогенератора целесообразно осуществлять путем использования воздуха и низкотемпературного редуцированного природного газа в качестве охлаждающей среды маслоохладителей. Технология позволяет практически полностью возвращать теплоту масла подшипников вала турбины и турбогенератора в цикл станции, то есть позволяет повысить экономичность ТЭС путем снижения тепловых потерь в окружающую среду, а также путем уменьшения нагрузки на систему водяного охлаждения.

Одним из наиболее эффективных путей решения задачи уменьшения теплового загрязнения от деятельности Старобешевской ТЭС является регенерация как явной, так и скрытой теплоты отработавшего пара турбин (наиболее значимой среди потерь тепла – смотреть рисунок 3) путем использования его теплоты для первичного подогрева воздуха, потребляемого котлами ТЭС, перед подачей их в топку.

Подогрев воздуха с использованием теплоты отработавшего пара технически можно осуществить двумя способами: заменой водяного конденсатора на воздушный, который включен по охлаждающей среде в магистральный воздуховод дутьевого вентилятора котла или использованием градирни с принудительной циркуляцией воздуха [12].

Технологическая схема процесса с регенерацией теплоты отработавшего пара турбины представлена на рисунке 4.

В котел 1 через горелку 2 подают топливо и воздух, вырабатываемый в котле 1 водяной пар направляют в турбину 3. Отработавший в турбине водяной пар конденсируют в конденсаторе 4. Основной конденсат турбин через систему регенерации турбины возвращают в котел 1. В качестве охлаждающей среды конденсатора 4 используют атмосферный воздух, движение которого осуществляют за счет тяги дутьевого вентилятора котла, нагретый воздух подают в котел 1. Частично отработавший в турбине водяной пар по трубопроводу отбора направляют внешним потребителям.

Технология позволяет использовать теплоту теплоисточника для предварительного подогрева дутьевого воздуха в низкотемпературном диапазоне, что позволяет повысить энергетическую эффективность и экологическую безопасность тепловой электростанции путем снижения затрат пара на подогрев воздуха перед воздухоподогревателями, а также за счет снижения потерь теплоты отработавшего пара в окружающую среду.

Так же, всё выделяемое тепло можно использовать в тепловом насосе. Тепловой насос – это термодинамическая установка, в которой низкопотенциальная энергия источника передается потребителю уже при более высоких параметрах [13].

Принцип действия парокомпрессионного теплового насоса основан на способности рабочего тела – хладагента, переносить тепловую энергию. При этом основным элементом преумножения тепловой энергии рабочего тела является компрессор. Подвод низкопотенциальной теплоты осуществляется в испарителе теплового насоса, за счет вскипания хладагента при вакууме. При вскипании пары рабочего тела отбирают теплоту от источника энергии и поступают в компрессор, где происходит процесс сжатия и повышения их термодинамических параметров. В конденсаторе пары рабочего тела конденсируются, отдавая свою тепловую энергию потребителю. Несмотря на затраты дополнительной электрической энергии необходимой для работы компрессора тепловой насос способен отпустить тепловой энергии в 2,5-5,5 раз больше, что является его неоспоримым достоинством.

Выводы

Предложенная схема регенерации теплоты отработавшего водяного пара турбин подразумевает использование воздуха и природного газа, потребляемых котлами станции, в качестве хладагента конденсатора, что позволяет понизить нагрузку на контур технологической воды, а, следовательно, избежать или существенно снизить перечисленные проблемы, связанные с тепловым загрязнением близлежащих водоемов.

Доказано, что применение предложенной технологии регенерации низкопотенциальной теплоты позволяет повысить энергетическую эффективность ТЭС, т.е. позволяет понизить расход топлива на котлы. Установлено, что применение данной технологии позволяет сэкономить до 29 тыс. тонн условного топлива в год (в расчете на один энергоблок мощностью 100 МВт).

Применение предлагаемой технологии будет способствовать повышению уровня экологической безопасности конденсационной ТЭС.

Затраты на внедрение технологии регенерации низкопотенциальной теплоты на ТЭС окупаются менее, чем за 2 года в расчете на один энергоблок с турбиной ТП-100.

Список источников

1. Росляков, П. В.  Методы защиты окружающей среды: Учебник для ВУЗов / П. В. Росляков.  – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 336 с.

2. Беликов, С. Е. , Котлер, В. Р.  Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы / С. Е.  Беликов, В. Р.  Котлер. – М.: Энергоатомиздат, 2012. – 327 с.

3. Инвентаризация источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с 2009 по 2013 год для структурной единицы ПАО Донбассэнерго Старобешевская ТЭС / ПАО Донбассэнерго Старобешевская ТЭС – Донецк, 2013. – 180 с.

4. Арсеньев, Г. В.  Тепловое оборудование и тепловые сети [Текст] / Г. В.  Арсеньев, В. П.  Белоусов. – М.: Энергоиздат, 1988. – 284 с.

5. Технология централизованного производства электроэнергии и теплоты: учеб.-метод. пособие к практ. занятиям / С. В.  Скубиенко, И. В. Осадчий, Д. А.  Шафорост; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. – 39 с.

6. Быстрицкий, Г. Ф.  Энергосиловое оборудование промышленных предприятий / Г. Ф.  Быстрицкий. – М.: Издательский центр Академия, 2003. – 304 с.

7. Основы расчета и проектирования ТЭС и АЭС: Учеб. пособие / С. В.  Скубиенко, С. В.  Шелепень, В. Н.  Балтян – Под общ. ред. С. В.  Скубиенко / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004. – 184 с.

8. Трухний, А. Д. , Ломакин, Б. В.  Теплофикационные паровые турбины и турбоустановки: Учебное пособие для вузов. – М.: Издательство МЭИ, 2002. – 540 с.

9. Разрешение на специальное водопользование и нормативы предельно допустимых сбросов загрязняющих веществ с возвратными водами структурной единицы ПАО Донбассэнерго Старобешевская ТЭС / ПАО Донбассэнерго Старобешевская ТЭС. – Донецк, 2005. – 125 с.

10. Отчет по инвентаризации сбросов загрязняющих веществ от производства ПАО Донбассэнерго Старобешевская ТЭС / ПАО Донбассэнерго Старобешевская ТЭС. – Донецк, 2009-2013. – 30 с.

11. Отчет по инвентаризации отходов производства ПАО Донбассэнерго Старобешевская ТЭС / ПАО Донбассэнерго Старобешевская ТЭС. – Донецк, 2009-2013. – 155 с.

12. Кравченко, В. С.  Пути снижения теплового загрязнения биосферы от предприятий теплоэлектроэнергетики / В. С.  Кравченко// сборник докладов ХII Международной конференции аспирантов и студентов / ДОННТУ, ДонНУ. – Донецк: ГОУ ВПО ДОННТУ, 2018. – С. 178-181

13. Трухний, А. Д. , Ломакин, Б. В.  теплофикационные паровые турбины и турбоустановки: Учебное пособие для вузов. – М.: Издательство МЭИ, 2002. – 540 с.