Глобальные проблемы украинской теплоэнергетики - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

12858
Глобальные проблемы украинской теплоэнергетики

В настоящее время более 40% мирового производства электроэнергии приходится на тепловые электростанции (ТЭС), использующие для выработки электроэнергии уголь, природный газ, мазут и другие виды топлива. Хотя доля ТЭС в мировом производстве электроэнергии и снизилась по сравнению с серединой 1970-х годов, когда она составляла 73…75%, а в США и Советском Союзе –около 80%, все же этот тип электростанций продолжает играть доминирующую роль в производстве электроэнергии.

Повсеместное использование на ТЭС каменного угля для выработки больших объемов электроэнергии объясняется дешевизной и доступностью его добычи, хотя этот тип топлива никогда не был оптимальным для электростанций. Так, теплотворная способность угля ниже, чем у нефти или природного газа, его труднее транспортировать, и, кроме того, его сжигание вызывает целый ряд нежелательных экологических последствий, в частности, выпадение кислотных дождей.

Со времени постройки первых ТЭС (в Нью-Йорке в 1897 г. и Санкт-Петербурге в 1898 г.) эффективность сжигания каменного угля в топках котлов ТЭС непрерывно повышалась. Так, если до 1900 г. удавалось преобразовать в электричество лишь 5% тепла, высвобождавшегося при сжигании угля в топках котлов, то к 1967 г. этот показатель достиг 40%. Другими словами, за 70 лет удельное потребление угля на единицу вырабатываемой электроэнергии сократилось в восемь раз. Соответственно снижалась и стоимости 1 кВт установленной мощности ТЭС: с 350 USD в 1920 г. (в ценах 1967 г.) до 130 USD в 1967 г. При этом цена отпускаемой электроэнергии за тот же период также снизилась с 0,25 до 0,02 USD за 1 кВт.

Однако, начиная с середины 1960-х годов, когда пылеугольные ТЭС (получившие такое название из-за того, что у них уголь перед подачей в топку котла размалывается в специальных шаровых мельницах до пылевидного состояния) достигли предела своего совершенства, определяемого законами термодинамики и свойствами материалов, из которых изготавливаются котлы и турбины. При этом одновременно существенно повысились капитальные затраты на строительство ТЭС в связи с ужесточением требований к защите окружающей среды от вредных выбросов, стоимость производства электроэнергии на угольных ТЭС значительно возросла, а их привлекательность снизилась.

Главной причиной значительного повышения стоимости производства электроэнергии на угольных ТЭС, построенных в основном в 1960–1970-х годах, авторитетные специалисты-теплоэнергетики обоснованно признают использование в котлах этих станций крайне неэффективной технологии факельного (пылеугольного) сжигания каменного угля.

Суть этой технологии состоит в том, что каменный уголь, предварительно измельченный в шаровой мельнице до частиц размером порядка 200 микрон, вместе с горячим воздухом непрерывно подается в зону горения топки котла, где происходит факельное сжигание этих частиц угля путем нагнетания давления воздуха при очень высокой (около 2000°С) температуре горения. Выделяющееся при этом тепло нагревает рабочее тело (воду и водяной пар), а образующийся в топке котла шлак выводится в виде жидкой раскаленной массы.

Существенным недостатком факельного сжигания каменного угля в топках котлов пылеугольных ТЭС является то, что электростанции, оборудованные такими котлами, могут работать на высокозольном каменном угле только при использовании дорогостоящих природного газа и мазута для растопки и подсветки пылеугольного факела. При использовании факельного сжигания таких углей существенно ухудшаются эколого-экономические показатели ТЭС вследствие повышения механического недожигания угля, увеличения выбросов в атмосферу экологически вредных оксидов серы и азота, а также ускорения коррозии экранных поверхностей нагрева парогенераторов.

 

Новая высокоэффективная экологически чистая технология сжигания угля на ТЭС

В ряде технологически развитых стран мира отказались от неэффективной технологии факельного сжигания мелкоразмолотой угольной пыли в обычных котлах ТЭС.

Вместо этой технологии в западных странах в течение последних 15 лет была разработана принципиально новая экологически чистая технология сжигания твердых топлив в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) при атмосферном давлении.

В настоящее время эта технология успешно применяется в принципиально новых конструкциях котлоагрегатов мощностью 200...460 МВт с ЦКС, в том числе со сверхкритическими параметрами. Использование этой технологии, обеспечивающей высокую экономичность, надежность, экологическую чистоту и маневренность современных ТЭС, является наиболее перспективным методом реконструкции и строительства новых энергоблоков ТЭС.

Основой функционирования котлов с ЦКС является представление о кипящем слое, суть которого сводится к следующему. Если в некоторой камере (рис.1,а) установить решетку, на которую поместить слой угля, и подать к ней небольшое количество воздуха, то после предварительного разогрева слоя угля начнется его поверхностное горение с выделением газообразных продуктов сгорания. При этом, в случае восполнения сгорающего угля на решетке, будет поддерживаться горящий фиксированный слой, т.е. будет происходить слоевое сжигание угля. С увеличением подачи воздуха под решетку на частицы угля, находящиеся на решетке, будет действовать скоростной напор, противодействующий силе тяжести, действующей на каждую частицу угля, и при некоторой скорости воздуха частицы угля окажутся во взвешенном состоянии в подъемном потоке воздуха, и толщина горящего слоя возрастет (рис.1,б).

При дальнейшем возрастании скорости подачи воздуха, в слое сначала начнут появляться отдельные пузыри воздуха (рис.1,в), а затем, с возрастанием толщины слоя (получившего название пузырьковый кипящий слой, так как он подобен кипящей жидкости), вследствие дальнейшего увеличении расхода воздуха, произойдет горение скоплений частиц угля во всем объеме камеры с интенсивным перемешиванием (рис.1,г).

При этом все большее количество частиц угля не будет успевать сгореть и будет вынесено из камеры. Здесь на их пути устанавливают циклон – цилиндрический сосуд, в котором продукты сгорания отделяются от несгоревших частиц. Продукты сгорания направляются во вторую часть котла (так называемую, конвективную шахту) – для нагрева рабочего тела (воды и пара), а несгоревшие частицы будут двигаться в закрученном потоке, отбрасываться к стенкам, падать вниз и снова направляться в камеру горения. Это и есть ЦКС. Главная его особенность состоит в том, что циркулирующий материал в сотни раз превышает количество воздуха, подаваемого для горения.

Отличительной особенностью новой экологически чистой технологии сжигания угля в топках котлоагрегатов с ЦКС является то, что при ее применении для обеспечения устойчивого процесса сжигания угля с высокими коэффициентами теплоотдачи и равномерным распределением температур в кипящем слое требуется:

1. Сравнительно невысокая (порядка 820…900°С) температура кипящего слоя, имеющая место при сжигании крупных (порядка 0,2…0,25 см) частиц угля (рис.2), которые ввиду разобщенности препятствуют быстрому образованию в кипящем слое окислов азота.

2. Многократная циркуляция (примерно 150 раз) инертной массы (в виде смеси золы, известняка и сравнительно небольшого количества подводимого свежего топлива), нагретой до 850…870°С (т.е. до намного меньшей температуры, чем в обычном котле при факельном сжигании топлива), что позволяет не только достичь хорошей сероочистки продуктов сгорания угля, но и существенно интенсифицирует процесс его сжигания.

Следует отметить, что котлоагрегат с ЦКС, принципиальная схема которого показана на рис.3, намного сложнее пылеугольного котла. Он работает в более тяжелых условиях, обусловленных эрозией поверхностей нагрева запыленным потоком, имеет повышенный расход электроэнергии на привод высоконапорных вентиляторов для подачи воздуха в зону горения и создания кипящего слоя. По оценкам экспертов, использование котлоагрегатов с ЦКС в энергоблоках мощностью 150...200 МВт обеспечивает себестоимость электроэнергии, капитальные затраты, затраты на топливо, на обслуживание и ремонт, которые существенно не превышают аналогичные затраты для пылеугольных котлов с сероочисткой.

Основные преимущества котлоагрегатов с ЦКС:

- возможность эффективно сжигать не только каменный уголь с высокой (40…55%) зольностью и низкой (на уровне 13397 кДж/кг) теплотой сгорания, но даже угольные терриконы;

- возможность обеспечения жестких экологических требований относительно выбросов оксидов азота и серы без применения громоздких и дорогостоящих установок для очистки от вредных выбросов, что достигается за счет происходящего в ЦКС низкотемпературного процесса горения, при котором не образуются диоксиды, оксиды азота NOx и другие вредные соединения;

- достаточность дробления твердого топлива перед его подачей в топку котлоагрегата с ЦКС (вместо его мелкого размола перед подачей в топку обычных котлов), что исключает необходимость установки на ТЭС шаровых мельниц;

- отсутствие на ТЭС серо- и азотоочистки, поскольку в котлоагрегатах с ЦКС они органически встроены в процесс горения;

- отсутствие необходимости (в отличие от обычных котлов) применения на ТЭС «подсветки» на любых режимах их работы, что дает значительную экономию в эксплуатации, поскольку не требуется дополнительная трата дорогостоящих мазута и природного газа;

- широкий диапазон регулирования мощности ТЭС (30…100% Nном), а следовательно, и возможность работы ТЭС, оснащенных котлами с ЦКС в маневренном режиме.

Основной недостаток технологии ЦКС:повышенный расход электроэнергии на собственные нужды, поскольку для обеспечения циркуляции необходимо значительное потребление воздуха. Но даже при этом КПД котлоагрегата с ЦКС составляет 90…91%.

Область применения котлоагрегатов с ЦКС:сжигание низкосортных твердых топлив при паропроизводительности до 250 т/ч как для новых ТЭС, так и для ТЭС, проходящих модернизацию.

В США, Германии, Франции, Швеции, Испании, Канаде, Китае и ряде других стран в настоящее время эксплуатируется более 200 котлоагрегатов с ЦКС, в том числе запущен в работу энергоблок мощностью 250 МВт. В России разрабатываются котлоагрегаты с ЦКС паропроизводительностью 160, 500 и 1000 т/ч для сжигания каменных и бурых углей различных месторождений.

 

Коротко о сложных проблемах украинской теплоэнергетики

Общая характеристика теплоэнергетической отрасли Украины. Основу теплоэнергетики Украины составляют построенные в 1960–1970-х годах мощные энергоблоки, в состав каждого из которых входит паровой котел, паровая турбина, турбогенератор и блочный трансформатор.

Всего на Украине на 44 ТЭС, 14 из которых являются самыми крупными, установлено 104 энергоблока единичной мощностью от 150 до 800 МВт (табл.1,где ТФ обозначает теплофикационная); суммарная мощность всех находящихся в эксплуатации энергоблоков составляет 28,7 млн. кВт.

Техническое состояние тепловых электростанций Украины.За более чем 50 лет, прошедших со времени окончания строительства большинства отечественных ТЭС, почти 90% установленных на них энергоблоков уже отработала свой расчетный ресурс, равный 100 тыс. ч эксплуатации, а остальные приближаются к этой границе. За последние 40 лет из-за отсутствия финансирования на ТЭС Украины не был введен в эксплуатацию ни один новый энергоблок, а за годы независимости Украины построен лишь один новый котел с ЦКС на Старобешевской ТЭС и на Змиевской ТЭС реконструирован пылеугольный котел по современной технологии.

Таким образом, подавляющее большинство отечественных ТЭС в течение более 50 лет продолжает работать с использованием низкоэффективной, морально устаревшей технологии факельного сжигания угля, качество которого непрерывно снижается (в настоящее время его средняя зольность составляет 35…40 и даже 60%, а сернистость – 3%). Все это привело к снижению КПД отечественных ТЭС с 36…38% до 25…28%, в то время как КПД современных ТЭС, на которых установлены котлоагрегаты с ЦКС, уже достиг уровня 42…45%. Кроме того, на Украине из-за дороговизны газомазутного топлива и природного газа не работает почти половина самых экономичных энергоблоков единичной мощностью 800 МВт.

Исключительно острой, требующей решения на государственном уровне, экологической проблемой является проблема отсутствия на всех отечественных ТЭС установок серо- и азотоочистки, вследствие чего дымовые газы на выходе из котлов остаются неочищенными. Кроме того, золошлаковые отходы ТЭС практически не используются, а непрерывно накапливаются в отвалах возле каждой электростанции. Так, в золоотвалах Бурштынской ТЭС накоплено около 30 млн. т золы.

Повышенная аварийность отечественных ТЭС. О повышенной аварийности энергооборудования крайне изношенных украинских ТЭС свидетельствуют непрерывно случающиеся на них аварии. Самыми крупными за последние годы авариями оказались:

- авария на Запорожской ТЭС, произошедшая 20 декабря 2011 г.вследствиезначительного (до 90%)износа оборудования станции, когда из-за прорыва водопровода размером около двух метров и оползня была повреждена система водоснабжения ТЭС;

- случившийся 29 марта 2013 г. пожар на втором энергоблоке крупнейшей в Донбассе Углегорской ТЭC (УТЭС) мощностью 3600 МВт (рис.4).Непосредственной причиной возникновения этого пожара явилась разгерметизация системы пылеизготовления при работающей угольной мельнице и произошедшая вслед за этим утечка угольной пыли и ее самовозгорание, в результате чего огонь распространился на кровлю здания энергоблока на площади 1500 м2, на трансформаторы и другое оборудование.

Пожар, бушевавший на станции более 14 ч, привел к гибели одного человека и госпитализации восьми человек с ожогами и отравлением угарным газом. Огнем были уничтожены четыре из семи энергоблоков станции общей установленной мощностью 1200 МВт, серьезно пострадало турбинное отделение, щитовое, кабельное и другое оборудование.

По данным спецкомиссии,расследовавшей причины возникновения пожара на УТЭС, пожар на станции возник по вине исполняющего обязанности машиниста-обходчика котлов, который, в нарушение действующих инструкций по эксплуатации пылесистем, на работающей мельнице открыл ремонтный люк, предназначенный для прочистки пылепровода возврата угольной пыли из сепаратора, и через этот открытый люк высыпалась и сразу же загорелась угольная пыль. Но все же, по заключению ряда авторитетных экспертов, не он был главным виновником этого пожара. Главный виновник пожара на УТЭС – используемая не только на этой станции, но также на почти половине угольных энергоблоков Украины сложная пожароопасная система топливоприготовления с промежуточным бункером.

Намного более простой и, главное, безопасной системой сжигания угля на ТЭС могла бы стать предлагавшаяся специалистами-теплоэнергетиками еще в 1970-х годах, но, к сожалению, так и не принятая тогда, система прямой подачи топлива в пылеугольные котлы. Очевидно, что после случившейся на УТЭС аварии, которую ряд видных экологов сравнивают с Чернобыльской катастрофой (не по радиации, а по выбросам огромного количества углеводородов, загрязняющих воздушный бассейн, которые могут вызвать легочные заболевания у людей, живущих вблизи УТЭС), пришло время вновь вернуться к решению проблемы прямой подачи топлива в котлы ТЭС.

Проблема обеспечения маневренности энергосистемы Украины. В последние годы в связи со значительной долей выработки электроэнергии на атомных электростанциях, которые по условиям обеспечения ядерной безопасности должны работать в базисном режиме, резко обострилась проблема маневренности энергосистемы Украины, особенно в пиковую часть графика электрических нагрузок. Из-за нехватки маневренных мощностей отечественных ГЭС, ГАЭС и газотурбинных и парогазовых электростанций пиковую часть графика электрических нагрузок вынужденно перекрывают неприспособленные к такой работе угольные энергоблоки ТЭС, что ведет к дополнительному износу оборудования и крайне негативно сказывается на их работоспособности и безопасности.

 

Особенности частичного решения проблем отечественной теплоэнергетики

На Украине из-за отсутствия средств на коренную реконструкцию морально устаревшего и физически изношенного энергооборудования отечественных ТЭС, в основном, ограничиваются внедрением на этих станциях недорогих технологий, направленных на повышение эффективности сжигания в топках котлов низкокачественного угля и на уменьшение расхода газа. Так, на электростанциях компании «Центрэнерго» в течение двух лет (с 2009 по 2011 г.) при увеличении почти на треть генерации электроэнергии в структуре топлива достигнуто существенное уменьшение использования природного газа – с 12 до 2%.

Кроме того, в этой компании, основываясь на полученных в Алматинском Институте энергетики и связи результатах испытаний безмазутного воспламенения пылеугольного факела в топках маломощных теплоустановок, показавших, что добавление к топливу, так называемых, активаторов типа «РА-ГЕН-Ф» и «МНФ (REDUXCO)» в малом количестве (менее 0,01%) ускоряет выгорание угольной пыли и, тем самым, уменьшает уровень недожигания угля, проводятся аналогичные широкомасштабные промышленные испытания на крупных ТЭС. Если результаты этих испытаний покажут возможность перевода топок котлов мощных ТЭС на сжигание низкосортного каменного угля без использования растопочного и подсветочного мазута, то, тем самым, удастся снизить расход мазута при сжигании низкореакционных углей путем применения плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела, и, тем самым, существенно повысить эффективность производства электроэнергии.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus