Федоров С.А. Экология энергетики

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 4.4. Блок-схема установки очисти для угольной ТЭС:

а) использование скрубберов

блока очистки оксидов азота;

б) использование технологии кипящего слоя

Для основной циркулирующей системы охлаждения требуется

тщательно очищенная от взвеси и обезуглероженная вода. С этой

целью воду пропускают сначала через установку механической очи-

стки,

состоящую из ситовых транспортеров и граблей. Далее с по-

мощью химических методов происходит образование нераствори-

мых соединений извести с находящимися в воде щелочно-

земельными карбонатами, выпадающих в осадок. Осажденный

шлам, состоящий в основном из извести и суспензионных частиц,

сгущается в специальных устройствах, из него выжимается вода в

пресс-фильтрах под большим давлением, в результате получается

материал, пригодный для хранения. Все очищенные отходы сбрасы-

ваются под контролем в речку.

Образующиеся на электростанции отходы в виде летучей и осе-

дающей в топке золы, гипса, а также отходы извести в установке

очистки добавочной воды градирни большей частью утилизируются.

Зола топки (в количестве около 2 т в час) из расположенной под

котлом установки мокрого удаления золы по ленточному транспор-

теру поступает в силосную башню, откуда вывозится для дальней-

шего использования в дорожном строительстве. Зола из электро-

фильтров (13 т в час) поступает по пневматической транспортной

системе в бункерный накопитель, откуда вывозится для промыш-

ленных нужд.

Образующийся в результате обессеривания дымовых газов гипс

(максимум 14 т в час), в зависимости от режима работы станции, за-

сыпается для промежуточного хранения в одно из помещений, отку-

да перевозится на предприятия по производству гипса или цемента.

Все неиспользуемые отходы подлежат захоронению. Для этого

сооружен отвал, изолированный от грунтовых вод слоем из отходов

извести и воды.

Нормативы выбросов ТЭС в атмосферу в России

В настоящее время (2000 г.) только на 71 из 163 действующих в

РАО «ЕЭС России» тепловых электростанций суммарной установ-

ленной мощностью более 130 млн кВт сжигается твердое топливо.

Максимальная единичная мощность отечественных пылеугольных

энергоблоков составляет 800 МВт. Сжигание твердых топлив в фа-

келе является доминирующим. Пылеугольные котлы выполняются в

основном с топками с сухим шлакоудалением (СШУ). Исключением

являются котлы энергоблоков 200 и 300 МВт для сжигания антраци-

тового штыба и тощих каменных углей, в которых реализовано жид-

кое шлакоудаление. Одной из основных проблем, которая определя-

ет необходимость совершенствования технологий сжигания твердо-

го топлива, является обеспечение требований к удельным выбросам

вредных веществ с уходящими газами котельных установок. В на-

стоящее время нормативы допустимых удельных выбросов твердых

частиц, оксидов азота и серы для новых котлов регламентируются

государственным стандартом ГОСТ Р 50831—95 «Установки ко-

тельные. Тепломеханическая часть. Общие технические требования»

в зависимости от вида топлива, производительности котла и способа

шл акоудаления.

Ниже приведены нормативы допустимых выбросов ТЭС в ат-

мосферу (табл. 4.1—4.3).

Таблица 4.1

Предельно-допустимые выбросы твердых частиц

Тепловая мощ-

ность котлов, МВт

(паро-производи-

тельность котла,

т/ч)

Приведенное

содержание

золы,

•

кг/МДж

Массовый вы-

брос твердых

частиц на еди-

ницу тепловой

энергии,

г/МДж

Массовый

выброс твер-

дых частиц,

кг/тут

Массовая кон-

центрация час-

тиц в дымовых

газах при

а= 1,4, мг/м

До 299

(до 420)

Менее

0,6

0,6—2,5

Более

2,5

0,06

0,06—0,10

0,10

1,76

1,76—2,93

2,93

150

150—250

250

300 и более

(420 и более)

Менее 0,6

0,6—2,5

Более 2,5

0,02

0,02—0,06

0,06

0,59

0,59—1,76

1,76

50—150

150

* При нормальных условиях (температура 0 °С, давление 101,3 кПа)

Таблица 4.2

Предельно-допустимые выбросы оксидов серы

Тепловая мощ-

ность котлов, МВт

(паро-производи-

тельность котла,

т/ч)

Приведенное

содержание

серы,

•

кг/МДж

Массовый вы-

брос SO на

единицу тепло-

вой энергии,

г/МДж

Массовый

выброс SO,

кг/тут

Массовая кон-

центрация SO

в дымовых газах

при

а= 1,4, г/нм

До 199 (до 320)

0,45

и менее

Более

0,45

0,5

0,6

14,7

17,8

1200

1400

200—249

(320-400)

0,45

и менее

Более

0,45

0,4

0,45

11,7

13,1

950

1050

250—299

(400—420)

0,45

и менее

Более

0,45

0,3

8,8

700

300

и более

(420

и более)

—

0,3

8,8

700

* При нормальных условиях (температура 0 °С, давление 101,3 кПа), рассчитанная

на сухие газы

Таблица 4.3

Предельно-допустимые выбросы оксидов азота

Тепловая мощ-

ность котлов,

МВт (паропро-

изводительность

котла, т/ч)

Вид топлива Массовый

выброс NO

на единицу

тепловой

энергии,

г/МДж

Массовый

сброс NO,

кг/тут

Массовая кон-

центрация NO

в дымовых

газах при

а= 1,4, г/нм

До 299

(ДО 420)

Газ

Мазут

Бурый уголь:

твердое

шлакоудаление;

жидкое шлако-

удаление

Каменный уголь:

твердое

шлакоудаление;

жидкое

шлакоудаление

0,043

0,086

0,11

0,17

0,23

1,26

2,52

3,20

4,98

6,75

125

250

300

470

640

300 и более

(420 и более)

Газ

Мазут

Бурый уголь:

твердое

шлакоудаление;

жидкое

шлакоудаление

Каменный уголь:

твердое

шлакоудаление;

жидкое

шлакоудаление

0,043

0,086

0,11

0,13

0,21

1,26

2,52

3,20

3,81

6,16

125

250

300

350

570

* При нормальных условиях (температура 0 °С, давление 101,3 кПа), рассчитанная

на сухие газы

5. Гидроэнергия. Энергия приливов

К водным источникам энергии относятся потоки воды, волны и

приливы.

В настоящее время в России из возобновляемых источников

только гидроэнергетические ресурсы рек принимаются во внимание

при разработке топливно-энергетического баланса.

На их долю приходится незначительная часть (около 1,4 %)

производства энергии в мире. Мировой потенциал гидроэнергети-

ческих ресурсов соответствует производству энергии 0,065 Q

(lj2=

1,05 • 10

Дж) в год, что составляет не более нескольких про-

центов от общемирового потребления. Гидростанции обеспечивают

около 6,7 % мировой выработки электроэнергии. В США производ-

ство гидроэлектроэнергии составляет 12 % производства электро-

энергии и 5 % общего производства энергии в стране.

В 1985 г. общая производительность примерно 1 200 гидроэлек-

тростанций на планете достигала 81 000 МВт.

Но даже полное использование гидроэнергетических ресурсов

не позволит покрыть сколько-нибудь значительную часть ожидае-

мого дефицита энергии, связанного с истощением запасов нефти и

природного газа.

Таблица 5.1

Гидроэнергоресурсы различных регионов Земли

Регион

Потенциальные

гидроресурсы,

ГВт

Доля в мировом

потенциале

гидроресурсов, %

Используемая

часть, %

Азия (без СССР)

630 28

Южная Америка

440 20 17

Африка

350

Северная Америка

350 16 46

СССР

240

Европа (без СССР)

150

Австралия 40

Весь мир

2200

100

В табл. 5.1 приведены данные ООН 1979 г. о гидроэнергетиче-

ском потенциале некоторых стран и регионов и его использовании.

Как правило, в первую очередь осваиваются наиболее выгодные

гидроресурсы, поэтому с течением времени темпы прироста мощно-

сти ГЭС падают.

Принцип выработки гидроэнергии несложен. Кинетическая энер-

гия падающей воды используется для вращения турбины, связанной с

электрогенератором. Первые ГЭС относились к проточному типу:

вода реки не подпруживалась, а просто пропускалась через турбину.

Для таких станций требовались большие перепады в уровнях реки. В

большинстве современных ГЭС используют плотины, чтобы увели-

чить объем воды, которую можно равномерно пропускать через тур-

бины. Плотина не только создает вместилище для накопления воды,

но еще и повышает уровень водной поверхности. Возросшее давление

при таком более высоком уровне сообщает падающей воде большую

скорость и большую кинетическую энергию. Вода из водохранилища

поступает вниз через длинный прямой канал, называемый напорным

трубопроводом, и направляется на горизонтально вращающиеся ло-

пасти турбины (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема работы ГЭС

Вертикальный вал турбины соединен с блоком генератора. На

типичной станции используется много турбогенераторов. КПД не-

редко составляет около 60—70 %, то есть такая доля энергии па-

дающей воды преобразуется в электрическую энергию.

Сооружение ГЭС обходится дорого, зато они работают на бес-

платном источнике. Первоисточником энергии служит солнце, ис-

паряющее воду из океанов, озер и рек. Водяной пар конденсируется

в виде дождя, выпадающего в возвышенных местностях и стекаю-

щего вниз в моря. Гидростанции встают на пути этого стока и пере-

хватывают энергию движущейся воды — ту, что была бы израсхо-

дована на перенос отложений к морю.

Вырабатываемую гидростанциями энергию легко регулировать,

что очень важно при их использовании в энергосистемах с больши-

ми колебаниями нагрузки. КПД гидротурбин достигает 90 % .

Гидротурбины бывают двух типов: реактивные, рабочее колесо

которых полностью погружено в воду и вращается в основном за

счет разности давлений до колеса и за ним, и активные, рабочее ко-

лесо которых вращается в воздухе за счет натекающего потока воды.

Реактивная турбина может работать при реверсировании (изме-

нении направления вращения) генератора как насос, закачивая воду

обратно в водохранилище с КПД порядка 80 % .

Оценку энергопотенциала небольших ГЭС можно провести по

формуле

P =

pQgH,

(5.1)

где Р— мощность, р— плотность воды, Q— расход воды, падаю-

щей на лопасти гидротурбины, g — ускорение свободного падения,

Н— перепад высот.

При заданном положении станции перепад высот Н и расход Q

известны. Так как реальная мощность турбин близка к теоретиче-

ской, то уравнение (5.1) определяет максимальную мощность тре-

буемого энергетического оборудования.

Упражнение

Оцените мощность станции для потока воды Q = 40 л/с и перепада вы-

сот Я =20 м.

Насосное аккумулирование воды

Чтобы создать преимущество более высокой водной поверхно-

сти или более равномерного стока, фактически нет необходимости

строить плотину на свободно текущей реке. Частично отводя воду

верхнего течения, можно создать искусственное озеро в стороне от

реки.

Такое озеро обладает преимуществом как высоты напора, так

и постоянно доступного водного резерва.

Описанный выше способ производства электрической энергии

на реках — это лишь один из путей использования падающей воды.

Вода может обеспечивать также дополнительную энергию в перио-

ды пиковой потребности в электричестве. Для накопления воды и

последующего пропуска ее через турбины, когда возникает надоб-

ность, можно использовать обычные водохранилища или же накап-

ливать воду в стороне от реки в так называемых хранилищах с на-

сосным питанием.

Водохранилища с насосным питанием создают, накачивая воду

в емкости на возвышенных местах в периоды низкого потребления

энергии, когда электростанция (возможно, работающая на угле) ис-

пользуется не на полную мощность. Вода остается там, пока не воз-

никнут пиковые нагрузки, и тогда ее спускают по напорным трубо-

проводам и она вращает турбинный насос-генератор для увеличения

выработки электроэнергии. Это тот же насос, который подавал воду

наверх, но теперь он вращается в обратном направлении.

По существу, система насосного аккумулирования воды ис-

пользует избыточную энергетическую мощность в периоды низкой

потребности в энергии. В это время электрическая энергия преобра-

зуется в потенциальную энергию путем накачивания воды на более

высокий уровень. В периоды же пиковой потребности потенциаль-

ная энергия воды преобразуется в электрическую в дополнение к

энергии от главной станции, которая в это время работает на полную

мощность.

У насосного аккумулирования есть два основных недостатка.

Первый в том, что высоко расположенный бассейн, используемый

для накопления воды, испытывает ежесуточные колебания уровня

воды от почти полного заполнения до почти полного опорожнения.

В результате этих колебаний берега обнажаются и выглядят крайне

непривлекательно. Кроме того, система насосного аккумулирования

не очень эффективна: из электроэнергии, которая нужна для накачки

воды в запасной резервуар, возвращается лишь две трети. Если энер-

гию для работы насосов дает станция, работающая на угле, то эф-

фективность преобразования тепла сжигаемого угля в электричество

снижается на две трети. Сооружение системы насосного аккумули-

рования может оказаться дорогим. Создание установки в Ладингто-

не (шт. Мичиган), перекачивающей воду из озера Мичиган (ПО м

над уровнем моря) в запасное хранилище площадью 4,5 км

, стоило

340 млн долларов.

Малые и низконапорные гидроэлектростанции

Первыми гидроэнергетическими сооружениями были станции,

приводимые в действие падающей водой; типичными местами, вы-

бираемыми для этих станций, были водопады с достаточно большим

перепадом уровней, чтобы вода могла вращать турбины. Когда все

такие места были освоены, стали строить плотины, создающие не-

обходимую разность уровней.

В начале 1950-х годов французская фирма «Neyrpic» изобрела

новый вид турбины грушевидной формы, которая настолько универ-

сальна, что может производить энергию просто за счет быстро те-

кущей воды и для нее не требуется даже плотины. Эта разработка

резко изменила потенциальную долю гидроэнергии в выработке

электрической энергии. Грушевидная турбина сделала также техни-

чески осуществимым использование энергии приливов с их низким

гидростатическим напором (9—15 м). Грушевидная турбина может

быть установлена в местах, ранее слишком тесных для использова-

ния, и она пригодна для превращения уже построенных плотин в

гидросиловые установки. На существующих плотинах эта турбина

может монтироваться непосредственно ниже потока от спускного

сооружения таким образом, чтобы выпускаемая из бассейна вода

могла быть направлена сквозь турбину.

Во Франции проводились и другие работы по созданию малых

форм гидроэнергетики. Компания «Leroy-Somer», производящая мо-

торы, создала миниатюрную ГЭС под названием «Hydrolec», спо-

собную производить до 4 кВт энергии при разнице в уровнях речной

воды всего 0,9 м, если скорость потока превышает 266 л/с.

Фактором, благоприятным для развития малых гидростанций,

является сравнительно небольшое время, необходимое для достиже-

ния проектной мощности.

Экологические последствия эксплуатации ГЭС

Рассмотрим основные антропогенные воздействия основных

типов ГЭС на составляющие биосферы.

1. Литосфера

— изъятие земельных ресурсов (затопление и

подтопление земель водохранилищем), изъятие земель под ЛЭП,

изменение условий использования земель в нижнем бьефе.

Одним из наиболее сложных вопросов является определение

ущерба, вызванного изъятием земельных ресурсов. В качестве уни-

версального показателя здесь может быть использована величина

удельной землеемкости, определяемая площадью изымаемой (затап-

ливаемой) земли при строительстве ГЭС, ТЭС, АЭС в расчете на

1 кВт установленной мощности.

Средняя землеемкость гидроузлов, построенных в СССР до

1965 г., составляла 0,18 га/кВт; в 1965—1970 гг. — 0,064; в 1970—

1975 гг. — 0,077; в 1975—1980 гг. —

0,065

га/кВт.

2. Гидросфера

— изменение гидрологического, гидрохимиче-

ского, гидробиологического режимов водотока.