Взаимодействие газотурбинных и парогазовых ТЭС с окружающей средой

Введение

Основу жизни человека составляет окружающая среда, а основу современной цивилизации ‒ природные ресурсы, из которых вырабатывается энергия. От состояния топливно-энергетического комплекса зависят темпы научно-технического прогресса и промышленного производства, следовательно, и жизненный уровень людей.
Электроэнергетика ‒ с одной стороны является основой развития всех без исключения отраслей народного хозяйства, а с другой ‒ источник техногенного воздействия на окружающую среду, что существенно ухудшает безопасные условия жизнедеятельности в системе "человек ‒ жизненная среда".
Актуальность темы работы обосновывается наличием проблемы взаимодействия энергетики и окружающей среды, что приобретает новые признаки, воздействуя на огромные территории, большинство рек и озер, на атмосферу и гидросферу Земли.
По масштабам загрязнение окружающей среды от ТЭС может быть, как в локальном, региональном, так и в глобальном масштабе. Эти три вида загрязнения взаимосвязаны.
"Тепловое загрязнение планеты", "парниковый эффект", "кислородное голодание", кислотные дожди, истощение озонового слоя, масштабные загрязнения токсичными химическими веществами и радионуклидами, быстрое сокращение биологической разнообразия ‒ вот не полный перечень бед, которыми человечество расплачивается за цивилизационный комфорт. В основе этого комфорта и всех связанных с ним негативных последствий лежит, прежде всего, производство и использование энергии, преобразования ее из одной формы в другую, реализуемое объектами топливно-энергетического комплекса.
Взаимодействие энергетического предприятия с окружающей средой происходит на всех стадиях добычи и использования топлива, преобразования и передачи энергии.
Влияние энергетики на окружающую среду имеет двоякий характер: во-первых, энергетика ‒ потребитель природных ресурсов (кислород, вода, ископаемое топливо, земельные площади); во-вторых, энергетика ‒ источник вредных отходов, радиационного и электромагнитного излучения, одна из причин парникового эффекта. На сегодня все вредные выбросы является регламентированы по показателям предельно допустимых концентраций в виде максимально разовых и среднесуточных значений.
Влияние ТЭС на окружающую среду зависит от количественных и качественных характеристик отходов, образующихся в последовательных технологических схемах работы станции.
Дальнейшее развитие в геометрической прогрессии энергоснабжения и энергопотребления, в недалеком будущем предопределяют в будущем интенсивный рост их различных действий на все компоненты природной среды в глобальном масштабе.
Цель работы ‒ анализ взаимодействия газотурбинных и парогазовых ТЭС с окружающей средой.
Достижение цели предполагает выполнение следующих задач:
‒ изучение особенностей и принципов работы газотурбинных и парогазовых ТЭС;
‒ анализ воздействия ТЭС на окружающую среду и особенности взаимодействия газотурбинных и парогазовых ТЭС с окружающей средой;
‒ исследование мероприятий по защите окружающей среды от воздействия теплоэлектростанций.
Объектом выступают газотурбинные и парогазовые ТЭС.
Предмет ‒ особенности и принципы работы газотурбинных и парогазовых ТЭС, специфика взаимодействия с окружающей средой.

1 Общие сведения и принципы работы газотурбинных и парогазовых ТЭС

В наращивании энергетических мощностей теплоэлектростанций главенствующая роль переходит к газотурбинным установкам и, главное, к созданным в результате прогресса газотурбинных установок парогазовым установкам.
Важную роль, в достижении высокого технического уровня новейших газотурбинных и парогазовых установок, сыграла широкая техническая и производственная кооперация основных зарубежных фирм производителей газовых турбин. В настоящее время на мировом рынке парогазовых технологий задают тон, определяют технический уровень и стоимостные показатели новейшего оборудования три транснациональные компании: Siemens Westinghouse (Германия, США), General Electric (США), и Alstom (Франция, Швеция, Швейцария) [1].


1.1 Основные принципы работы газотурбинных ТЭС

Газовые турбины являются одной из главных составляющих топливно-энергетического комплекса многих стран мира. Газотурбинной установкой (ГТУ) называется установка с двигателем, представляет собой турбину, рабочим телом в котором есть продукты сгорания жидкого или газообразного топлива, сгорающего в специальных камерах сгорания.
ГТУ ‒ новый, прогрессивный вид теплосиловой установки. Она не требует котельного агрегата, конденсатора и других устройств, которые присутствуют в паротурбинных установках.
Газотурбинные двигатели получают питание от сжигания топлива в камере сгорания и с использованием быстрых текучих газообразных продуктов сгорания для приведения в действие турбину во многом таким же образом, как и пара приводов высокого давления паровой турбины (рис.1.1.).
На газотурбинных ТЭС применяют преимущественно природный газ, газовое или жидкое топливо. Многие такие турбины способны работать и на низкокалорийном виде топлива, в котором содержится небольшое количество метана (порядка 3- процентов).
Газотурбинная установка ТЭС являет собой универсальное модульное устройство, объединяя в себе: редуктор, газовую турбину, электрогенератор и блок управления. Также, имеется дополнительное оборудование, такое как: аппарат теплового обмена, компрессор, устройство запуска. Газотурбинная установка способна функционировать не только в режиме вырабатывания электроэнергии, но и способна производить совместное производство электрической энергии с тепловой.
Газотурбинные установки подразделяются на установки открытого, замкнутого и полузамкнутого процесса. Они могут быть выполнены: по регенеративному, по-простому или сложному циклу; одновальными или многовальными; с конвертированными двигателями. Областями применения энергетических газотурбинных установок являются [10]: ‒ сооружение газотурбинных электростанций; ‒ сооружение парогазовых электростанций.
Газотурбинная установка имеет два главных блока: турбину силового типа и генератор. Схема газотурбинной установки очень проста: газ, образующийся после перегорания топлива, начинает способствовать вращению лопастей самой турбины. Таким образом, образуется крутящий момент, что приводит к образованию электрической энергии. Выходящие газы осуществляют превращение воды в пар в котле-утилизаторе. Газ в данном случае работает с двойной пользой.
Газотурбинные энергоустановки используются в качестве постоянных, резервных или аварийных источников тепло- и электроснабжения в городах, а также отдаленных, труднодоступных районах.
Они получают все более широкое распространение, потому что минимальный ущерб для окружающей среды: низкий расход масла, возможность работы на отходах производства; выбросы вредных веществ.
Компактные размеры и небольшой вес дают возможность разместить газотурбинную установку на малой площади, что позволяет существенно сэкономить средства [8].


Рисунок 1.1. Технологическая схема ТЭС с газовыми турбинами:
КС ‒ камера сгорания; КП ‒ компрессор; ГТ ‒ газовая турбина; G ‒ генератор;
Т ‒ трансформатор; М ‒ пусковой двигатель

1.2 Особенности работы парогазовых ТЭС

За прошедшие годы в мире удалось достичь больших успехов в области разработки различных парогазовых и газопаровых электростанций, на которых обеспечиваются высокие КПД среди всех электростанций, вырабатывающих электроэнергию на органическом топливе

. Кроме того, они являются наиболее экологически чистыми из всех электростанций на ископаемом топливе. В числе большого разнообразия ПГУ можно выделить: парогазовые установки с напорным парогенератором (рис. 1.2 а), обычным парогенератором (рис. 1.2 б) и котлом-утилизатором (рис. 1.2 в).
Обозначения к рисункам [6]: ПК ‒ воздушный компрессор;
П ‒ подача топлива; КС ‒ камера сгорания; ПГ (Н) ‒ парогенератор (напорный); ГТ ‒ газовая турбина; ЭГ ‒ электрогенератор; ПТ ‒ паровая турбина; К ‒ конденсатор; КН ‒ конденсатный насос; Д ‒ деаэратор;
ПН ‒ питательный насос; РП ‒ регенеративный подогреватель питательной воды; ПВГ ‒ подогреватель питательной воды на отходящих газах;
КУ ‒ котел-утилизатор.


Рисунок 1.2. Парогазовая установка, а) с напорным парогенератором, б) с обычным парогенератором, в) с котлом-утилизатором.

Парогазовая установка утилизационного типа с котлом-утилизатором – наиболее перспективная и широко распространенная в энергетике, отличающаяся простотой и высокой эффективностью производства электрической энергии.
Выхлопные газы газотурбинной установки (ГТУ) поступают в теплообменник противоточного типа – котел-утилизатор (КУ), в котором за счет их тепловой энергии генерируется перегретый пар, направляемый в паровую турбину. Дополнительное топливо при этом в КУ не сжигается [6].
Внутренне цикловая газификация позволяет полностью реализовать энергетический потенциал генераторного газа (теплоту сгорания, давление и температуру газа после реактора). Очистка генераторного газа перед газовой турбиной обеспечивает минимально негативное воздействие на окружающую среду от использования низкосортного топлива по сравнению со сжиганием такого же топлива непосредственно в котлах.

2 Характеристика воздействия ТЭС на окружающую среду

Производство энергии и тепла является уникальным по масштабам материального и энергетического обмена с окружающей средой. Потребляя огромное количество природных первичных ресурсов в виде твердого, жидкого и газообразного топлива, энергетическое производство выдает товарный продукт в виде газообразных и твердых продуктов сгорания, а также сточных вод.

2.1 Загрязнение окружающей среды от теплоэлектростанций

Традиционные способы выработки тепловой и электрической энергии в котельных и ТЭС, связанные с негативным глобальным и локальным воздействием на окружающую среду, вызванным:
• выбросом в атмосферу таких вредных веществ, как оксиды серы и азота, монооксида углерода, твердые частицы золы, концентрированные органические вещества, в частности бенз(а)пирен и другие;
• выбросом огромных количеств диоксида углерода, является основным фактором возникновения "парникового эффекта";
• тепловым загрязнением окружающей среды;
• сбросом минерализованных и нагретых вод;
• потреблением в больших объемах кислорода и воды.
Экология и экономика природопользования до сих пор не в состоянии в полной мере оценить ущерб природе и народному хозяйству, нанесенный этими выбросами.
ТЭС активно потребляют воздух. Продукты сгорания, образующиеся передают основную часть теплоты рабочему телу энергетической установки, часть теплоты рассеивается в окружающую среду, а часть выносится с продуктами сгорания через дымовую трубу в атмосферу [6].
Различные выбросы тепловых электростанций могут быть токсичными (NO2, SO2, NO, CO и др.) и нетоксичными (СО2 и Н2О). Все трехатомные газы (Н2О, NO2, SO2 и особенно СО2) относятся к "парниковым газам", поскольку они характеризуются селективной поглощающей способностью в инфракрасной области теплового излучения и способствуют созданию парникового эффекта. Газовые выбросы, попадая в атмосферу, оказывают сложное физико-химическое (на первой стадии) и биологическое
(на последующих стадиях) воздействие на живые организмы (прежде всего на человека), уровень и характер которого зависят от их концентрации в воздухе.
ТЭС следует рассматривать не только как загрязнители атмосферного воздуха оксидами серы, азота и твердыми частицами, но также и элементами-примесями, в числе которых очень токсичны ‒ бериллий, мышьяк, селен, ванадий, кадмий, ртуть, тяжелые металлы и природные радионуклиды.
Значительная часть элементов-примесей при сжигании угля поступает в атмосферу в виде твердых частиц, аэрозолей и газообразных соединений. Во всех этих формах они способны оказывать негативное влияние на жизнедеятельность человека и другие живые организмы [7].
Среди химических канцерогенов в выбросах ТЭС ведущее место занимают полициклические ароматические углеводороды, образующиеся при сжигании топлива, и его термической переработке.
В процессе сжигания жидкого топлива (мазута) в атмосферы вместе с выбросами поступают оксиды серы и азота, газообразные и твердые продукты неполного сгорания топлива, соединения ванадия.
Дисперсность и химический состав твердых частиц негативно влияет на здоровье людей, животный и растительный мир.
Анализ влияния вредных выбросов от традиционных способов выработки тепловой и электрической энергии на ТЭС на биосферу, дает возможность выделить несколько групп важнейших взаимодействий [6,7,9]:
‒ увеличение потребления кислорода из воздуха, необходимого для сжигания топлива;
‒ водопотребления и водопользования, что приводит к изменению в естественном материальном балансе водной среды;
‒ оседания на поверхности воды твердых выбросов с атмосферы, вызванных продуктами сгорания органического топлива; это изменяет свойства воды, ее цвет, мутность и тому подобное;
‒ попадания на поверхность почвы кислот и кислотных остатков, тяжелых металлов и их соединений, канцерогенных веществ в виде твердых частиц и растворов;
‒ выбрасывания на поверхность суши и воды продуктов сжигания твердого топлива (зола, шлаки), а также продуктов продувок, очистки поверхностей нагрева (сажа, зола и т.п.);
‒ попадание на поверхность воды и суши жидкого и твердого топлива при транспортировке, переработке, перегрузке и складирования;
‒ выпадения твердых и жидких радиоактивных отходов, характеризующихся условиями их распространения в гидро- и литосфере;
‒ выбрасывания теплоты, следствием чего могут быть: постоянное локальное повышение температуры в водоеме, временное повышение температуры, изменение условий ледостава, зимнего гидрологического режима, возникновения паводков, изменение в распределениях осадков, испарений, туманов;
‒ создание водохранилищ в долинах рек или использованием естественного рельефа поверхности, а также создание искусственных прудов-охладителей, что вызывает: изменение качественного и количественного состава речных стоков, изменение гидрологии водного бассейна, ухудшает условия рыболовства и другие факторы водной среды;
‒ изменение ландшафта в результате сооружения энергетических объектов; изъятия из сельскохозяйственного оборота пахотных земель, лугов и тому подобное [9].
Исходя из выше сказанного, можно выделить основные причины, приводящие к негативным последствиям на окружающую среду в следствии работы ТЭС:
‒ использования низкосортного топлива;
‒ устаревшая технология производства и оборудования;
‒ высокая энерго- и материалоемкость;
‒ высокий уровень концентрации промышленных объектов;
‒ неблагоприятная структура промышленного производства с высокой концентрацией экологически опасных технологий производства;
‒ отсутствие надлежащих природоохранных систем (очистных сооружений, оборотных систем водоснабжения и т.п.), низкий уровень эксплуатации существующих природоохранных объектов;
‒ отсутствие надлежащего правового и экономического механизмов, которые стимулировали бы развитие экологически безопасных технологий и природоохранных систем;
‒ отсутствие надлежащего контроля за охраной окружающей среды [9].

2.2 Взаимодействие газотурбинных ТЭС с окружающей средой

В газовых турбинах, по экономическим и техническим причинам, напрямую используется, в основном, только чистое топливо, как природный газ, часто совместно с дизельным топливом в качестве резервного топлива