Влияние ТЭЦ на окружающую среду

Введение

Одним из факторов, обуславливающих показатели здоровья населения является состояние атмосферного воздуха. В связи с этим целесообразно применять различные методы по снижению выбросов загрязняющих веществ, поступающих при сжигании углеводородного сырья. В настоящее время именно такой способ получения тепловой и электрической энергии является основным.
Загрязнение компонентов окружающей среды, и атмосферного воздуха, в частности, является следствием нерационального природопользования. Основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносят предприятия топливно-энергетического комплекса, и в частности, ТЭЦ. При сжигании органического топлива в атмосферный воздух поступают оксиды азота, оксиды серы, окись углерода, бензапирен, сажа и т.д. Данные вещества негативно воздействуют не только на здоровье населения, но и на естественные экосистемы, что обуславливает актуальность данной темы.
Целью данной работы является исследование негативного воздействия ТЭЦ на окружающую среду и здоровье человека. Для решения поставленной цели был определен ряд задач:
- изучить принцип работы ТЭЦ на примере ЦТЭЦ ОАО «ТГК-1» расположенной в Центральном районе Санкт-Петербурга;
- определить степень негативного воздействия ТЭЦ на атмосферный воздух;
- изучить основные экологические последствия выбросов ТЭЦ;
- предложить комплекс мероприятий, направленных на снижение выбросов загрязняющих веществ от ТЭЦ.
Целесообразным считается рассмотрение свойств загрязняющих веществ, которые они проявляют в различных компонентах окружающей среды.

1 ПРИНЦИП РАБОТЫ ТЭЦ
Все объекты энергетического комплекса классифицируются следующим образом:
- объекты теплоэнергетики (ТЭС, ТЭЦ, ГРЭС);
- объекты атомной энергетики (АЭС);
- объекты гидроэнергетики (ГЭС);
- объекты сетевого хозяйства (трансформаторные подстанции).
Сжигание органического топлива происходит на всех объектах теплоэнергетики.
Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) — разновидность тепловой электростанции, которая производит не только электроэнергию, но и является источником тепловой энергии в централизованных системах теплоснабжения (в виде пара и горячей воды, в том числе и для обеспечения горячего водоснабжения и отопления жилых и промышленных объектов). [1]
Главное отличие ТЭЦ от КЭС состоит в возможности отобрать часть тепловой энергии пара, после того, как он выработает электрическую энергию. В зависимости от вида паровой турбины, существуют различные отборы пара, которые позволяют забирать из нее пар с разными параметрами. Турбины ТЭЦ позволяют регулировать количество отбираемого пара. Отобранный пар конденсируется в сетевых подогревателях и передает свою энергию сетевой воде, которая направляется на пиковые водогрейные котельные и тепловые пункты. [7]
На ТЭЦ есть возможность перекрывать тепловые отборы пара, в этом случае ТЭЦ становится обычной КЭС. Это дает возможность работать ТЭЦ по двум графикам нагрузки:
-Тепловому - электрическая нагрузка жёстко зависит от тепловой нагрузки (тепловая нагрузка — приоритет).
-Электрическому — электрическая нагрузка не зависит от тепловой, либо тепловая нагрузка вовсе отсутствует (приоритет — электрическая нагрузка) [6].

1.1 Общая характеристика ЦТЭЦ ОАО «ТГК-1»
ЦТЭЦ ОАО «ТГК-1» расположена в Центральном районе Санкт-Петербурга и обеспечивает потребителей электроэнергией и теплом в виде пара на производство и горячей воды для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, при непосредственном водоразборе. [5]
45339060960


Рисунок 1 – Месторасположение ЦТЭЦ
Действующая ТЭЦ имеет номинальную электрическую мощность - 73,5 мВт, тепловую, при работе водогрейных котлов на мазуте –735 Гкал/час, на газе – 860 Гкал/час. [5]

1.2 Оборудование ЦТЭЦ ОАО «ТГК-1»
Принципиальная схема функционирования рассмотрена на примере ЦТЭЦ ОАО «ТГК-1» и приведена на рис. 1.


Рис. 2. Схема работы ЦТЭЦ ОАО «ТГК-1»
Котел.
Котел вертикально-водотрубный с естественной циркуляцией системы ЛМЗ.
Параметры:
- паропроизводительность, т/ч- 120
- температура перегретого пара, C- 400
- давление перегретого пара, МПа- 3.9
- температура питательной воды, C- 102
Котел состоит из 4-х барабанов, соединенных системой гнутых труб и пучков водо и пароперепускных труб, соединяющих верхние барабаны. Барабаны котла стальные цельнокованые. Котел работает на газе, мазуте.
Передний верхний барабан оборудован непрерывной продувкой.
В верхнем заднем барабане расположены две питательные трубы с питательным корытом. На торцах заднего верхнего барабана и посередине за-чеканены термопары, контролирующие скорость прогрева верха и низа.
Нижние барабаны оборудованы спускной и продувочной арматурой, расположенной с правой и левой стороны котла.
Топочная камера оборудована четырьмя экранами, включенными в общую циркуляцию котла: фронтовым, двумя боковыми и задним, образующими в нижней части холодную воронку.
Движение теплоносителя (естественная циркуляция) возникает из-за разности плотностей теплоносителя в обогреваемой и необогреваемой частях контура.
Уменьшение плотности теплоносителя в подъемной части контура по сравнению с его плотностью в опускных трубах возникает за счет обогрева.
Турбина.
Паровая теплофикационная турбина типа Т 20,5-26, номинальной мощностью 20,5 мВт при 3000 об/мин и расходе пара в регулируемый отбор 0,12-0,25 мПа в количестве 100 т/ч, изготовлена в 1929 году на ЛМЗ.
Турбина предназначена для привода генератора переменного тока на воздушном охлаждении, с максимальной мощностью 20,5 МВт.
Турбина рассчитана на работу с параметрами свежего пара:
Gпара = 150 т/ч ; Gпараотб = 100 т/ч ; Ротб = 0,1÷0,2 мПа;
давление 26 ата и температура 400°С при вакууме 96%.
Турбина представляет собой двухцилиндровый агрегат с 28 ступенями давления, двумя нерегулируемыми отборами пара на регенерацию и одним регулируемым отбором пара давлением 1,2-2,5 ата в количестве 100 т/ч на теплофикацию.
В цилиндре высокого давления (ЦВД) имеется 20 ступеней давления. Перегрузочные клапана расположены на ЦВД и подают пар между 3-4 дисками, регулирование качественное (дроссельное).
Ротор ЦВД соединен с ротором ЦНД при помощи кулачковой муфты. Ротор ЦНД соединен с ротором генератора полугибкой муфтой, двухлинзовой.
В перепускных патрубках из ЦВД в ЦНД установлены поворотные заслонки для регулирования количества пара, поступающего в ЦНД при работе турбины на режимах с отбором пара.
В цилиндре низкого давления имеется 8 ступеней давления. Материал ЦНД и диафрагмы – чугун.
Пар, поступающий в ЦНД, пройдя две первые ступени, разделяется на три потока:
1) в камеру отбора на регенерацию для ПНД
2) на 23 ступень
3) на 26 ступень
После 23 ступени пар поступает на двухярусную 24-ю ступень, откуда после верхнего яруса лопаток поступает в конденсатор.
Пар, поступающий на 26-ю ступень, проходит через 26, 27, 28 ступе-ни, после чего поступает в конденсатор.
Конденсатор.
Конденсатор — теплообменный аппарат, предназначенный для конденсации отработавшего в турбине пара при низком давлении.
Для предотвращения загрязнения конденсаторов турбин биологическими отложениями производится хлорирование охлаждающей воды, имеющее цель умертвить микроорганизмы и лишить их способности прикрепляться к стенкам трубок и связывать другие неорганические примеси в воде. Хлорирование охлаждающей воды осуществляется в аванкамеру приемного бассейна береговой насосной станции.
Охлаждающая вода.
Охлаждающая вода, забираемая из реки Нева, по трем водоводам - Dу =1200мм самотеком поступает в два раздельных бассейна, вода очищается тремя рядами сеток (от рыбы и крупного мусора).
На оголовках каждого водовода установлены обогрев оголовков, для защиты приемных бассейнов воды от попадания ледяной шуги.
Электрогенератор.
Генератор переходного тока, типа «ТЗВ-60-2» с водяным охлаждением обмотки деаэратора, ротора и железа изготовлен заводом «Электросила».
Нормальное возбуждение генератора осуществляется от собственного возбудителя постоянного тока «ВТ-450-3000», соединенного с валом ротора. Все элементы генератора, охлаждаемые водой, получают воду от двух специально установленных для этой цели насосов производительностью 60 м3/ч. [5]

2 ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ПРИ РАБОТЕ ТЭЦ
Во время горения в результате возникновения высокой температуры находящиеся в воздухе азот и кислород соединяются. В данном случае количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе азотосодержащих веществ. Сжигая ископаемое топливо, человечество ежегодно выбрасывает в воздушный бассейн Земли около 12 млн.т

. оксидов азота.
Продукты сгорания топлива на ТЭЦ являются основным источником загрязнения окружающей среды. Энергетические установки всего мира ежегодно выбрасывают около 1 млрд. тонн золы и около 400 млн. тонн оксида серы. В результате сжигания топлива концентрация углекислого газа в атмосфере ежегодно увеличивается на 0,03%. В состав выбросов входит сернистый газ, который является очень сильным ядом. [8]
Приблизительно 60 % выделяемого количества SO2 обусловлено сжиганием угля и нефти. Например, ТЭС, потребляя в год 2,3 млн. т угля, расходует 6,2 млн. т кислорода и выбрасывает в атмосферу 140 тыс. т SO2. Известно, что все виды угля и нефти характеризуются различным содержанием в них серы. В связи с требованиями к снижению загрязнения воздуха SO2 нефть с низким содержанием серы пользуется большим спросом и поэтому продается по более высокой цене. Угли, содержащие пониженное количество серы, имеют более низкую удельную теплоту сгорания, поэтому в расчете на единицу выделяемой теплоты различие в содержании серы нивелируется.

2.1 Характеристика загрязняющих веществ от ТЭЦ
Оксиды углерода СОх = СO2 + СО входят в состав атмосферы Земли, участвуя в глобальных циклах превращения (кругооборота) углерода в биосфере.
Оксид углерода (или угарный газ) СО представляет собой бесцветный, безвкусный газ, имеющий токсическое действие. Попадая в организм, СО реагирует с гемоглобином крови, препятствуя нормальному переносу кислорода, в результате чего возможно отравление. Исследования показали, что воздействие СО, даже в сравнительно малых количествах, может вызвать нарушение поведения, неощутимое для самого пострадавшего. Негативные эффекты, связанные с повышением содержания угарного газа в атмосферном воздухе, проявляются прежде всего при сложных действиях, требующих высокого уровня внимания, а также при выполнении монотонной работы.
Объемная концентрация СО в воздухе невелика и составляет всего около 0,13 • 10-4 процентов. Тем не менее, воздействие СО на городское население становится весьма важной проблемой для крупных промышленных регионов.
Углекислый газ (или диоксид углерода) СО2 является нетоксичным газом без цвета и запаха. Объемная доля углекислого газа СО2, в атмосфере в настоящее время составляет 0,03-0,032 процентов, однако имеется тенденция к его увеличению на (0,6-0,7) 10-4 процентов в год в результате активной промышленной деятельности человека. [2]
Углекислый газ пропускает коротковолновое световое излучение солнца, но эффективно поглощает длинноволновое излучение, отраженное от поверхности земли. Поэтому углекислый газ, находящийся в атмосфере, действует как защитный экран, уменьшая тепловые потери планеты. «Парниковый» эффект, связанный с наличием СО2, - важный фактор, влияющий на температуру земного шара. Так, по данным некоторых исследователей, увеличение объемной доли СО2 в атмосфере до 0,06 процентов приведет к повышению среднегодовой температуры на земле на 3-4°С. Это вызовет таяние ледников и морского льда и, как следствие, затопление примерно четвертой части суши. Следовательно, диоксид углерода, поступающий из антропогенных источников, в глобальном масштабе следует рассматривать как загрязнитель.
Оксиды серы SOх = SO2 +SO3 являются одними из основных загрязнителей атмосферы.
Сернистый ангидридSO2 представляет собой бесцветный газ с острым запахом, при вдыхании раздражает дыхательные пути, нарушает обменные и ферментные процессы. При массовой концентрации SO2 в атмосферном воздухе 0,08 мг/м3 люди ощущают дискомфорт. Наиболее чувствительны к SO2 хвойные деревья, у которых наблюдается процесс увядания при массовой концентрации SO2 в воздухе свыше 0,08 мг/м3. Наличие сернистого ангидрида совместно с дымом и сажей в атмосферном воздухе (при высокой влажности последнего) является причиной образования в промышленных центрах фотохимических туманов (смогов) в утренние часы. Продолжительность пребывания SO2 в атмосфере сравнительно невелика (от 2-4 до 15-20 суток). За это время происходит его полное окисление до SO3, которое протекает значительно быстрее под действием солнечного света. [2]
Серный ангидрид (или триоксид серы)SO3 является бесцветным газом, раздражающим дыхательные пути. Во влажном воздухе он образует туман (аэрозоль) серной кислоты, которая активно разрушает конструкции, здания оборудование.
Оксиды азота NОх = NО NO2+N2O являются основными загрязнителя атмосферы при сжигании энергетических топлив.
Оксид азота NO представляет собой бесцветный газ. Это яд, сильно действующий на кровь и нервную систему.
Диоксид азота NO2 - газ буро-красного цвета, он раздражает и прижигает дыхательные пути, приводит к отеку легких.
Гемиоксид азота N2O - бесцветный газ, используемый в медицине качестве легкого наркоза («веселящий газ»).
Полициклические ароматические углеводороды встречаются в продуктах сгорания углеводородных топлив. Наиболее распространен: бенз(а)пирен, пирен, антрацен, перилен и др.
Бенз(а)пирен С20Н12 - твердое кристаллическое вещество желтого цвета. В атмосферном воздухе под действием ультрафиолетового излучения происходит разрушение структуры бенз(а)пирена, однако по сравнению с другими канцерогенными углеводородами он наиболее устойчив. Бенз(а)пирен - один из наиболее опасных канцерогенов (инициирующих раковые заболевания) веществ.
Сажа (копоть) имеет сложную углеводородную структуру, более чем на 90 процентов она состоит из углеродных атомов. При медленном разложении сажа выделяет бенз(а)пирен. При попадании в организм сажистые частицы могут вызвать злокачественные опухоли. [8]
Пентаоксид ванадия V2O5 - красно-желтый порошок - яд с разнообразным воздействием на организм: вызывает изменения в кровообращении, органах дыхания, нервной системе, в обмене веществ, а также аллергическое воспаление кожи.
Сероводород Н2S - бесцветный газ с сильным характерным запахом сильный яд, раздражающе действует на дыхательные пути и глаза, отравляет нервную систему. [1]

2.2 Количественная характеристика выбросов ЦТЭЦ ОАО «ТГК-1»
Суммарный выброс загрязняющих веществ в атмосферу составляет 2957,003079 т/год, из них твердых 8,764149 т/год, жидких и газообразных 2948,238931 т/год [5].
В таблице 1 приведены валовые значения выбросов ЦТЭЦ ОАО «ТГК-1», т/год.

Таблица 1 – Суммарные выбросы загрязняющих веществ ЦТЭЦ ОАО «ТГК-1» [5]
№п/п Наименование вещества Суммарный валовый выброс, т/год
1 Азота диоксид (азот (IV) оксид)  1650,799046
2 Азот (II) оксид 268,254724
3 Сера диоксид 1029,000269
4 Дигидросульфид (сероводород) 0,000350
5 Алканы С12-С19 (углеводороды предельные С12-С19) 0,072476
6 Мазутная зола теплоэлектростанций (в пересчете на ванадий) 3,666667
7 Углерод (сажа) 3,664627
8 Углерода оксид 0,091499

По данным таблицы 1 видно, что основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносят Азота диоксид, Азот (II) оксид и Сера диоксид.
В соответствии с выполненными расчетами на существующее положение максимальные приземные концентрации загрязняющих веществ во всех заданных расчетных точках не превышают 0,1 ПДК, за исключением диоксида азота, оксида азота, углеводородов предельных С12-С19 [5].

3 АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЭЦ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
В процессе привнесения вредных загрязняющих веществ сопровождается негативными последствиями для различных сфер. Последствия могут выражаться различными методами, в зависимости от области воздействия. Ущербу в данном случае подлежат как природные экосистемы, так и сам человек. При этом изменение происходит на всех уровнях независимо от пола, возраста, национальности и пр.
Антропогенные выбросы загрязняющих веществ в высоких концентрациях и в течение долгого времени наносят существенный вред не только человеку, но негативно воздействуют на животных, состояние растений и экосистем в целом.

3.1 Кислотные дожди
Кислотные или кислотосодержащие осадки (снег, дождь или туман) имеют рН менее 5,6. Выпадение кислотных осадков сопряжено только с антропогенным загрязнением атмосферы, а именно выбросами диоксида серы и оксидов азота. От такого антропогенного влияния в разнообразных регионах планеты гибнут леса общей площадью более 31 млн. га. [6]
Например, 35 % площади лесных массивов на территории Германии повреждено кислотными дождями, а в Канаде уничтожены реликтовые леса возрастом более 300 лет из бальзамической ели. Эти факторы резко снизили прирост лесов и ухудшили процессы естественного лесовозобновления. Аналогичная ситуация наблюдается во многих районах России, особенно в крупных индустриальных регионах.
Существенно понижается под влиянием кислотных осадков уровень урожайности некоторых сельскохозяйственных культур (томатов, хлопчатника, цитрусовых, винограда и др.) - как правило, на 20-30%