ДонНТУ   Портал магістрів

Кравченко Валерія Сергіївна

Факультет екології та хімічної технології

Кафедра прикладної екології та охорони навколишнього середовища

Спеціальність Екологічна безпека

Шляхи зниження теплового впливу об’єктів теплоенергетики на біосферу

Науковий керівник: к. х. н. , доцент. Ганнова Юлія Миколаївна

Резюме Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Цілі, завдання та об’єкт дослідження
• 3. Вплив теплового забруднення на навколишнє середовище
• 4. Шляхи надходження надлишкового тепла в біосферу
• 5. Методи регенерації теплоти низького потенціалу
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Середовищем існування людини є навколишнє природне середовище, а основу перебуванні сучасної цивілізації складають копалини природні ресурси і виробляється з них енергія. Очевидно, що без енергетики у людства немає майбутнього. Але з іншого боку, виробництво енергії надає потужний негативний вплив на навколишнє середовище, погіршуючи умови життя людей [1].

Електричну енергію виробляють за рахунок використання потенційної енергії, прихованої в різних природних ресурсах. Це відбувається в основному на теплових (ТЕС) і атомних електростанціях (АЕС), що працюють по тепловому циклу.

Теплова електрична станція (ТЕС) – складна багатокомпонентна система, що складається з великого числа підсистем і агрегатів. На теплових електростанціях є основні і забезпечують технологічні процеси, виробництва з досить високим рівнем забруднення навколишнього середовища. На рисунку 1 представлена схема взаємодії теплоелектроенергетіческого підприємства з навколишнім середовищем.

До основних екологічних проблем ТЕС, що працюють на вугіллі, відносяться: запилювання при зберіганні і транспортуванні вугілля; надходження в біосферу продуктів спалювання палива в котлоагрегатах; охолодження пара в турбінах; скиди забруднених вод у водойми; зберігання шламу в золовідвалах і ін.

При спалюванні палива на ТЕС вся його маса перетворюється в відходи, при цьому продукти згоряння в кілька разів перевищують масу палива за рахунок включення азоту і кисню повітря.

Забруднення атмосферного повітря в більшій мірі відбувається при спалюванні палива. До основних компонентів відносяться: пилові частинки різного складу, оксиди сірки і азоту, фтористі з'єднання, оксиди металів, газоподібні продукти неповного згоряння палива. У загальному забрудненні атмосфери відходами виробництва теплоенергетичні викиди шкідливих речовин складають: по твердим (золі) – до 35%; діоксиду сірки – до 50%; оксидів азоту – до 35%. Їх надходження в повітряне середовище завдає великої шкоди, як всіх основних компонентів біосфери, так і підприємствам, об'єктам міського господарства, транспорту і населенню міст.

Одним з факторів взаємодії підприємств теплоелектроенергетики з водним середовищем є споживання води системами технічного водопостачання, в тому числі, безповоротне споживання води. Скидання стічних вод у водойми надає згубний вплив на якість води та водні організми [2].

Вплив підприємств теплоелектроенергетики на літосферу полягає в наступному: поверхневі скиди і фільтрація призводить до забруднення прилеглої території; тепловий вплив призводить до зміни термічного стану ґрунтів; зменшення кількості земель придатних для сільгоспугідь; зміна радіоактивного фону території; накопичення в ґрунті важких металів, які підземними водами переносяться в водойми.

Таким чином, підприємства теплоелектроенергетики, в цілому, є одним з головних забруднювачів навколишнього середовища.

1. Актуальність теми

При проектуванні і експлуатації теплових електричних станцій деяким агрегатам приділяється недостатньо уваги, їх теплові втрати вважаються природними. До таких агрегатів і систем можна віднести турбогенератори, трансформатори ТЕС, систему змащення підшипників вала турбіни і турбогенератора, систему безперервного продування котлів. Втрати теплоти ряду робочих середовищ, наприклад, відпрацьованої пари турбін, традиційно вважаються неминучими через низького потенціалу втрачається теплоти, хоча наявність низькопотенційних теплових втрат веде до істотного зниження енергетичної ефективності ТЕС. Тільки в конденсаторах турбін великих електростанцій втрачається до 500 МВт теплової потужності.

Втрати тепла в навколишнє середовище призводять до негативних наслідків для біосфери.

З урахуванням вище сказаного, одним з найбільш актуальних питань підвищення ефективності експлуатації ТЕС і рівня екологічної безпеки є розробка технологій, що дозволяють регенерувати (повертати в цикл) теплоту низького потенціалу.

2. Цілі, завдання та об’єкт дослідження

Мета роботи – проаналізувати екологічні проблеми, пов’язані з надходженням в біосферу надлишкового тепла від діяльності підприємств теплоелектроенергетики на прикладі РП Енергія Донбасу ВП Старобешівська ТЕС, зовнішній вигляд якої представлений на рисунку 2, і розробити заходи щодо зниження теплового забруднення біосфери.

Встановлена потужність даної ТЕС – 2300 МВт, в експлуатації 9 енергоблоків, станція працює в режимі маневрування. Протягом 2015 –2018 років в роботі одночасно перебуває від 2 до 5 енергоблоків. Паливом служить вугілля марки АШ. Технічне водопостачання комбіноване з водосховищем і градирнями. Електроенергія передається по високовольтних лініях електропередачі напругою 110 і 220 кв. [3].

Завдання дослідження:

1. Проаналізувати вплив теплового забруднення на навколишнє середовище;

2. Вивчити шляхи надходження надлишкового тепла в біосферу;

3. Проаналізувати методи регенерації теплоти низького потенціалу, які існують у світовій практиці, і визначити оптимальні методи регенерації тепла для Старобешівської ТЕС;

4. Провести еколого – економічну оцінку розроблених заходів.

Об'єкт дослідження – низькотемпературні потоки тепла від агрегатів і робочих середовищ Старобешівської ТЕС.

3. Вплив теплового забруднення на навколишнє середовище

За оцінками вчених, в глобальному масштабі тепло антропогенного походження в даний час ще незмірно мало в порівнянні з теплом, що надходять від Сонця і з земних надр і, таким чином, не може істотно позначитися на тепловому балансі Землі [4].

Однак потужні джерела антропогенних викидів тепла за умови їх високої концентрації на невеликих територіях можуть надавати помітний вплив на тепловий режим цих територій, просторів, акваторій. Температура повітря взимку в великих містах зазвичай на кілька градусів вище, ніж поблизу розташованих невеликих населених пунктів. Також помітно змінюється тепловий режим річок і озер при скиданні в них нагрітих стічних вод теплових електростанцій. Таким чином, вплив потужних антропогенних джерел тепла на біосферу цілком відчутно, хоча і має локальний характер [5].

На теплових електростанціях є основні і забезпечують технологічні процеси, виробництва з досить високим рівнем теплового забруднення навколишнього середовища.

Найбільше негативний вплив теплового забруднення виявляється на водні екосистеми з наступними негативними наслідками:

– підвищення температури води підсилює сприйнятливість організмів до токсичних речовин, які присутні в забрудненій воді;

– температура води може перевищити критичні значення для життєве важливих стадій і циклів водних організмів;

– висока температура сприяє видозміні звичайної флори водоростей на менш бажану форму у вигляді синьо-зелених водоростей.

Вплив підприємств теплоелектроенергетики на літосферу полягає в забрудненні прилеглої території, тепловій дії і зміні термічного стану ґрунтів, зміні радіоактивного фону території, накопиченні в ґрунті сполучень важких металів. Прогрітий ґрунт взаємодіє з рослинами, тваринами і мікробними спільнотами, змінюючи параметри середовища проживання.

Техногенні зміни температурного режиму можуть погіршувати умови життя і роботи людей. Можливо також посилення корозії матеріалів і пошкодження тепло – і газопроводів, каналізації і т.п.

4. Шляхи надходження надлишкового тепла в біосферу

По суті, теплова електрична станція – це система перетворення хімічної енергії палива в корисну електричну і теплову енергію. Як будь-який механізм теплова електрична станція має певне значення коефіцієнта корисної дії ККД [6]. Частина енергії палива йде з циклу станції у вигляді ряду побічних потоків енергії, які включають в себе втрати теплоти з газами, з продувною водою, з відпрацьованим парою турбін, в електричних агрегатах, за рахунок тертя в механічних пристроях і т.д.

У той же час існує ряд потоків, що надходять в цикл станції ззовні, вони мають низький фізичним потенціалом, близьким до потенціалу навколишнього середовища. До них можна віднести підпиточну воду, дуттьової повітря і паливо.

В даний час серед електричних станцій встановленою потужністю понад 1000 МВт превалюють ТЕС конденсаційного типу, до яких відноситься і Старобешівська ТЕС. ККД сучасних конденсаційних електростанцій, як правило, не перевищує 40%, в основному це пов’язано з втратами тепла, що буря газами, разом з продуктами згорання, відпрацьованої циркуляційної водою, необхідною для повної конденсації пари в турбіні, а також зі зниженням робочих параметрів пара на вході в турбіну [7].

Зниження параметрів пари обумовлено тим, що основне обладнання сучасних теплових електростанцій, особливо працюючих на твердому паливі, сильно зношене. Сталь, з якої виготовлено котельне обладнання та соплові апарати турбоустановок, не здатна довго витримувати номінальне навантаження, що спричиняє за собою зниження встановленої потужності енергоблоків ТЕС, а це негативно позначається на ККД всієї електростанції [8].

На рисунку 3 представлена типова схема теплового балансу конденсаційної ТЕС.

Кількісно найбільш значущими є втрати тепла з потоком відпрацьованого пара турбін. Основа цих втрат – прихована теплота конденсації водяної пари. Відпрацьована пара конденсують в конденсаторах різного типу шляхом відбору теплоти холодоагентом.

Втрати тепла при роботі котлоагрегатів відбуваються за рахунок видалення з топки шлаку, температура якого становить 1400 –1600 ^оС. При навантаженні турбогенераторів в його обмотках і стали виділяється теплота. Кількість виділеної теплоти залежить від електромагнітного ККД агрегату.

З урахуванням вищесказаного, одним з найбільш актуальних питань експлуатації ТЕС є розробка технологій, що дозволяють регенерувати (повертати в цикл) теплоту низького потенціалу.

5. Методи регенерації теплоти низького потенціалу

У загальному розумінні термін регенерація означає відновлення, відновлення. Стосовно до потокам теплоти на ТЕС даний термін має на увазі повернення енергії того чи іншого потоку в теплової цикл станції [9].

Представляється можливим застосування різних технологій регенерації низькотемпературних потоків тепла від агрегатів і робочих середовищ ТЕС:

– теплоти обмоток турбогенераторів і трансформаторів;

– теплоти продувної води низького тиску, що не випарувався, в сепараторі безперервної продувки;

– теплоти масла мастила валу турбіни і турбогенератора;

– явної та прихованої теплоти відпрацьованої пари турбін.

Технічно реалізувати регенерацію теплоти обмоток турбогенератора повітрям або газом, споживаними котлами, можна кількома способами залежно від типу генератора і використовуваного методу охолодження [10]. При водневому охолодженні турбогенератора регенерацію краще здійснювати шляхом передачі теплоти нагрітого водню повітрю або природному газу у спеціальних газових охолоджувачах.

Ця технологія дозволяє поєднати процеси утилізації теплоти обмоток турбогенераторів з попередньою підготовкою палива, що дозволяє підвищити економічність і екологічну безпеку станції шляхом зниження енергетичних витрат на систему водяного охолодження, на систему попереднього підігріву повітря і природного газу, а також завдяки поверненню теплоти турбогенераторів в теплової цикл станції .

Теплоту продувної води низького тиску, що не випарувався, в сепараторі безперервного продування, доцільно використовувати для підігріву низькотемпературного скороченої природного газу перед котлом. Технологія дозволяє добитися максимально глибокого охолодження продувної води. Завдяки використанню низького потенціалу скороченої природного газу температура води на виході з охолоджувача безперервної продувки не перевищує 3-5 ^оС, що на 15-20 ^оС нижче температури навколишнього середовища в літній час [11].

Відведення теплоти масла системи змащення підшипників вала турбіни і турбогенератора доцільно здійснювати шляхом використання повітря і низькотемпературного скороченої природного газу в якості охолоджуючої середовища маслоохолоджувачей. Технологія дозволяє практично повністю повертати теплоту масла підшипників вала турбіни і турбогенератора в цикл станції, тобто дозволяє підвищити економічність ТЕС шляхом зниження теплових втрат в навколишнє середовище, а також шляхом зменшення навантаження на систему водяного охолодження.

Одним з найбільш ефективних шляхів вирішення завдання зменшення теплового забруднення від діяльності Старобешівської ТЕС є регенерація як явною, так і прихованої теплоти відпрацьованої пари турбін (найбільш значущою серед втрат тепла – див. рис. 3) шляхом використання його теплоти для первинного підігріву повітря, споживаного котлами ТЕС , перед подачею їх в топку.

Підігрів повітря з використанням теплоти відпрацьованої пари технічно можна здійснити двома способами: заміною водяного конденсатора на повітряний, який включений по охолоджуючої середовищі в магістральний повітропровід дутьевого вентилятора котла або використанням градирні з примусовою циркуляцією повітря [12].

Технологічна схема процесу з регенерацією теплоти відпрацьованої пари турбіни представлена на рисунку 4.

В котел 1 через пальник 2 подають паливо і повітря, що виробляється в котлі 1 водяну пару направляють в турбіну 3. Відпрацьований в турбіні водяна пара конденсують в конденсаторі 4. Основний конденсат турбін через систему регенерації турбіни повертають в котел 1. В якості охолоджуючої середовища конденсатора 4 використовують атмосферне повітря, рух якого здійснюють за рахунок тяги дутьевого вентилятора котла, нагріте повітря подають в котел 1. Частково відпрацював в турбіні водяна пара по трубопроводу відбору направляють зовнішнім споживачам.

Технологія дозволяє використовувати теплоту джерела тепла для попереднього підігріву дуттєвого повітря в низькотемпературному діапазоні, що дозволяє підвищити енергетичну ефективність і екологічну безпеку теплової електростанції шляхом зниження витрат пара на підігрів повітря перед отвором відводу повітря, а також за рахунок зниження втрат теплоти відпрацьованої пари в навколишнє середовище.

Так само, все тепло, що виділяється можна використовувати в тепловому насосі. Тепловий насос – це термодинамічна установка, в якій низькопотенційна енергія джерела передається споживачеві вже при більш високих параметрах [13].

Принцип дії парокомпрессійного теплового насоса заснований на здатності робочого тіла – холодоагенту, переносити теплову енергію. При цьому основним елементом примноження теплової енергії робочого тіла є компресор. Підведення низкопотенціальной теплоти здійснюється в випарнику теплового насоса, за рахунок скипання холодоагенту при вакуумі. При скипанні пари робочого тіла відбирають теплоту від джерела енергії і надходять в компресор, де відбувається процес стиснення і підвищення їх термодинамічних параметрів. В конденсаторі пари робочого тіла конденсуються, віддаючи свою теплову енергію споживачеві. Незважаючи на витрати додаткової електричної енергії необхідної для роботи компресора тепловий насос здатний відпустити теплової енергії в 2,5-5,5 разів більше, що є його незаперечною перевагою.

Висновки

Запропонована схема регенерації теплоти відпрацьованого водяної пари турбін на увазі використання повітря і природного газу, які споживаються котлами станції, в якості холодоагенту конденсатора, що дозволяє знизити навантаження на контур технологічної води, а, отже, уникнути або істотно знизити перераховані проблеми, пов'язані з тепловим забрудненням прилеглих водойм.

Доведено, що застосування запропонованої технології регенерації низкопотенційної теплоти дозволяє підвищити енергетичну ефективність ТЕС, тобто дозволяє знизити витрату палива на котли. Встановлено, що застосування даної технології дозволяє заощадити до 29 тис. тонн умовного палива на рік (в розрахунку на один енергоблок потужністю 100 МВт).

Застосування запропонованої технології буде сприяти підвищенню рівня екологічної безпеки конденсаційної ТЕС.

Витрати на впровадження технології регенерації низкопотенційної теплоти на ТЕС окупаються менш, ніж за 2 роки в розрахунку на один енергоблок з турбіною ТП-100.

Перелік посилань

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.