Подача охлаждающей воды на конденсаторы паровых турбин и на вспомогательное оборудование — обязательная часть технологического процесса на любой ТЭЦ. Автовская ТЭЦ проходит через масштабную модернизацию, ее потребности в охлаждающей воде возрастают. Поэтому в июле этого года на станции начали подготовку к строительству новой системы оборотного водоснабжения — эффективной, экологичной и компактной.

Сейчас процесс только стартовал: выполняются работы по подготовке строительной площадки и устройству котлована под будущую циркуляционную насосную станцию. Но уже через два года — к 1 августа 2025 года — новую систему оборотного водоснабжения планируют ввести в эксплуатацию.

Зачем вообще нужна система водоснабжения? Изначально большие объемы холодной воды необходимы для того, чтобы охлаждать и конденсировать перегретый пар, уже отработавший в турбинах. До начала модернизации потребности оборудования Автовской ТЭЦ в охлаждающей воде составляли 25 тысяч кубических метров в час (для сравнения: столько воды требуется, чтобы наполнить 10 олимпийских 25-метровых плавательных бассейнов!). Обычно ТЭЦ используют воду из рек или ближайших озер, но Автовской ТЭЦ повезло: рядом находится Финский залив.

Как происходит процесс водозабора сейчас? Забор воды производится из Большого Турухтанного ковша Финского залива, транспортируется по подводящему каналу к береговой насосной станции, которая подает ее по двум напорным трубопроводам к главному корпусу ТЭЦ-15, и далее потоки направляются на охлаждение основного и вспомогательного оборудования. Нагретая вода отводится в самотечный сливной канал, по которому отправляется в реку Красненькую. У этой схемы есть ряд нюансов. Если зимой во время отопительного периода часть пара направляется в сетевые подогреватели, то летом в межотопительный период Автовская ТЭЦ работает в конденсационном режиме и весь пар уходит в конденсатор и охлаждается только там. Это накладывает ограничения на выработку мощности электростанции. Во-первых, большой расход воды на охлаждение не всегда возможно получить из-за отливов в Финском заливе. Уровень воды просто не позволяет отправлять на станцию необходимые объемы. Во-вторых, если бы ТЭЦ-15 работала летом на полную мощность, то температура воды на сбросе в речку Красненькая значительно превосходила бы комфортную температуру для рыб, обитающих в этом водоеме. Кроме того, в связи с модернизацией оборудования второй очереди Автовской ТЭЦ охлаждающей воды потребуется больше — ее количество вырастет до 29 тысяч кубических метров в час. Нужны новые технологии и новые решения.

Как же будет выглядеть система оборотного водоснабжения? Необходимо строить градирни, но какого типа? Градирни с естественной тягой (привычные для горожан огромные «башни», где тяга создается за счет высоты сооружения, силы ветра и естественной конвекции воздуха) не подходят для Автовской ТЭЦ из-за своих размеров. Проектировщикам пришлось учитывать относительно стесненные условия генплана существующей площадки и необходимость выдерживать нормативные территориальные разрывы между градирнями и действующим оборудованием станции. Поэтому планируется строить более компактные градирни — вентиляторные (сухие и испарительные), которые не занимают так много места. Летом, во время пиковых летних нагрузок (когда температура воздуха окружающей среды поднимается до высоких значений), планируется дополнительно использовать отдельные аппараты воздушного охлаждения (АВО) меньшей производительности. Еще один вариант — градирни комбинированного типа (гибридные градирни), где совмещены процессы тепломассообмена, присущие сухим и испарительным градирням.

В градирнях вентиляторного типа охлаждение воды происходит благодаря принудительной циркуляции наружного воздуха. Лопасти вентиляторов, расположенных в верхней части градирни, могут вращаться быстрее или медленнее. Специальные жалюзи на входе в теплообменники тоже можно регулировать — так можно контролировать входящий поток воздуха. У сухой градирни есть система автоматического управления, которая регулирует температуру по определенному алгоритму на выходе.

Что же в итоге? Строительство градирни вентиляторного типа и новой оборотной системы водоснабжения решит сразу две задачи: во-первых, обеспечит надежное функционирование модернизированного оборудования не только второй очереди с ее возросшими мощностями, но и всей ТЭЦ, а во-вторых, новая схема позволит снять ограничения на выработку мощности в летний период.

Чтобы в наших домах была горячая вода и горел свет, на электростанциях задействовано огромное количество оборудования. Обеспечить его надежную и бесперебойную работу — задача аварийно-ремонтной службы.

Сегодняшний «Один день» мы проведем на Автовской ТЭЦ с начальником аварийно-ремонтной службы Сергеем Кукушкиным, который покажет нам работу своего подразделения.

В системе парораспределения турбины работают «братья», которых вместе можно смело назвать командой спасателей. Это клапаны паровой турбины: регулирующий и стопорный. И если последний работает исключительно в экстренных случаях, то первый трудится на своем посту круглосуточно.

Каждый клапан паровой турбины функционирует в условиях воздействия перегретого пара. Прибавим сюда малые скорости перемещения и высокие контактные давления — и условия можно точно назвать экстремальными. Несмотря на это, клапанам удается решать одну из сложных задач — поддержание постоянной скорости вращения паровой турбины.

Это важно, ведь выработка тепловой и электрической энергии должна совпадать с их потреблением. При этом частота генерируемого электрического тока прямо пропорциональна скорости вращения ротора генератора. Именно механизм регулирования парового потока позволяет поддерживать постоянную скорость паровой турбины. Если она вращается слишком быстро, то регулирующий клапан автоматически уменьшает поток пара до момента стабилизации системы. Если скорость вращения турбины окажется низкой, поток пара будет увеличен. Так достигается постоянная частота тока в 50 ± 0,1 Гц.

Типичная конструкция регулирующего клапана состоит из паровой коробки, клапанной крышки, запорного органа, седла, штока и подводящего паропровода. Конструктивное разнообразие регулирующих клапанов достаточно широкое, и различают их по множеству параметров: форме запорного органа, направлению движения пара, числу седел, системе привода.

По форме запорного органа встречаются тарельчатые, шаровые, профилированные, поршневые и колокольные клапаны.

В зависимости от типа парораспределения схема работы регулирующих клапанов отличается. Так, при дроссельном варианте пар подводится к соплам по всей окружности через один или несколько регулирующих клапанов, которые открываются одновременно. А вот при сопловом парораспределении каждый регулирующий клапан обслуживает свою группу, поэтому при уменьшении нагрузки турбины они будут закрываться последовательно.

Дроссельное парораспределение применяют к турбинам малой мощности, а также для мощных турбин, предназначенных для работы на номинальной мощности. Сопловое распределение, в свою очередь, получило широкое распространение в стационарных мощных турбинах.

По сути, все сводится к изменению положения клапана относительно входного участка седла. Но сами по себе регулирующие клапаны не справились бы с этой задачей. Эта командная работа всей системы регулирования турбины. «Задание» на движение регулирующего клапана передается по цепочке: от регулятора скорости к сливным клапанам на маслопроводе системы, далее к сервомотору и, наконец, к регулирующим клапанам.

Регулятор скорости первым реагирует на изменение числа оборотов. Движение его муфты приводит к перемещению сливных клапанов на маслопроводе системы регулирования и изменению давления масла. Это, в свою очередь, обеспечивает перемещение золотника, управляющего подачей масла к сервомотору. А уже его перемещение вызывает изменение степени открытия регулирующих клапанов для правильной подачи пара в турбину.

Клапан состоит из тарелки, стакана и седла, а для обеспечения герметичности в закрытом состоянии используются уплотнительные детали.

Принцип действия клапана достаточно прост, но задействовано в нем сразу несколько элементов: тарелка совмещена с приводом с помощью штока. Привод представляет собой систему из пружин, тяг и коромысел. Систему приводит в работу электрический сигнал: под его воздействием пружины привода сжимаются и опускают стопорный клапан вниз, тем самым создавая зазор. В случае возникновения аварийной ситуации срабатывает электромагнитный выключатель, пружины возвращаются в исходное положение, клапан поднимается вверх и перекрывает доступ пара. После закрытия клапана постепенно останавливается и ротор.

Установить «отцовство» лампочки накаливания действительно трудно, потому что ее изобрели не одномоментно. С самого начала XIX века ученые из разных стран пытались создать источник электрического освещения. Так, в 1802 году Василий Петров, проводивший «электрические» эксперименты в своей мастерской в Санкт-Петербурге, разместил рядом на стекле два уголька и поднес к ним электроды. Яркий белый свет, внезапно озаривший окна комнаты, ошарашил не только самого ученого, но и проходящих по улице людей. Этой вспышке света позже дали название электрической дуги. Кстати, имя Петрова, как первого изобретателя электрической дуги, незаслуженно забыто: спустя шесть лет английский исследователь, сэр Гемфри Деви, описал аналогичный дуговой электрический разряд и вошел в историю как первооткрыватель.

На протяжении следующих десятилетий было несколько не самых прорывных попыток создать стабильно светящую лампу: бельгийский изобретатель Жан Жобар запатентовал лампу с угольным фильтром (слишком быстро гасла), а британский астроном Уоррен де ля Рю придумал использовать для нити накаливания платиновую проволоку (слишком дорого). В 1854 году голландский иммигрант Генрих Гебель представил на суд публики в Нью-Йорке свою собственную лампочку: она горела целых два часа! В качестве нити накаливания Генрих использовал обугленную бамбуковую нить, а вместо стеклянных колб — пустые бутылочки от парфюма (на нормальные колбы у иммигранта не было средств).

Пока одни ученые занимаются поисками альтернативных источников энергии и совершенствованием технологий в области ВИЭ, другие изучают возможности использования новых технологий в традиционной энергетике, способных обеспечить одновременно и снижение вредных выбросов, и снижение стоимости энергетической установки, и повышение КПД.

Одним из прорывных направлений для решения этих задач уже сейчас является использование сверхкритического диоксида углерода. Эта технология попала в новый доклад «10 прорывных идей в энергетике на следующие 10 лет» ассоциации «Глобальная энергия». Мировой опыт и нюансы технологий использования сверхкритического диоксида углерода объединила в докладе команда Национального исследовательского университета «МЭИ».

Что за критичность?

Сверхкритическое состояние диоксида углерода — это совокупность его свойств при температуре свыше 30,98°С и давлении свыше 7,38 МПа. В критической точке граница раздела фаз между жидкой и газовой средой исчезает. По сути, сверхкритические вещества существуют как гибрид жидкости и газа, а их характеристики представляют что-то среднее между обоими состояниями. Они претерпевают большие изменения в плотности с небольшими изменениями давления или температуры — это главный плюс для эффективного использования сверхкритического диоксида углерода (sCO₂) в питании турбин. Проще говоря, использование sCO₂ в качестве рабочей среды означает, что для преобразования заданного количества подводимой теплоты в электричество требуется меньше работы, независимо от источника энергии.

Как развивается технология?

Работа в направлении использования сверхкритического диоксида углерода началась в середине XX века: компания Sulzer Bros запатентовала цикл Брайтона на сверхкритическом CO₂ с частичной конденсацией углекислого газа. Это вызвало интерес у исследователей и разработчиков энергетических установок во многих странах. В СССР разработкой циклов на диоксиде углерода занимались Давид Гохштейн и Григорий Верхивкер, которые в 1969 году представили тепловую схему АЭС с углекислым газом в качестве теплоносителя и рабочей среды.

Первые научные разработки показывали простейший цикл на сверхкритическом CO₂ —полузакрытый цикл Брайтона с утилизацией теплоты уходящих газов. Исследования показали, что при начальной температуре 550°С, температуре на входе в компрессор 32°С и давлении на выходе из компрессора 25 МПа термический КПД составлял порядка 40%. Кроме того, появился и цикл Брайтона с конденсацией рабочего тела c использованием ацетона для растворения диоксида углерода, где для сжатия рабочей среды вместо компрессора использовался насос. Результаты исследований отметили КПД цикла в 56% при температуре на входе в турбину 1400°С.

Появление первых углекислотных циклов стало фундаментом для проведения последующих многочисленных исследований. В результате были разработаны различные модификации цикла Брайтона на сверхкритическом диоксиде углерода. Все они реализуют основные направления повышения КПД — увеличение температуры нагрева и снижение температуры охлаждения рабочего тела.

Полузакрытые CO₂-циклы с кислородным сжиганием топлива

Полузакрытые термодинамические циклы с кислородным сжиганием топлива — это энергетические комплексы, состоящие из самого цикла, установки по производству кислорода и подготовке углекислого газа к захоронению. Широкую известность получили полузакрытый цикл с кислородным сжиганием топлива SCOC-CC, циклы «МАТИАНТ» (цикл MATIANT) и циклы Аллама (цикл NET Power).

Общей чертой полузакрытых циклов является практически полное отсутствие выбросов вредных газов в атмосферу. Кислородно-топливная технология позволяет секвестрировать до 99% CO₂, образующегося в результате сжигания углеродного топлива в кислороде. Остальные технико-экономические параметры кислородно-топливных циклов сильно различаются.

Первые модификации полузакрытых циклов появлялись еще в конце прошлого века. Сегодня США, Япония и страны Европы активно развивают данное направление. За счет выделения грантов, активного субсидирования «зеленых» технологий производства электроэнергии, создания законодательных баз, стимулирующих сокращение выбросов углекислого газа, проводятся научные исследования, строятся экспериментальные установки и создаются предпосылки для создания реальных энергоблоков с «нулевыми» выбросами вредных веществ. Крупные энергетические корпорации объединяют усилия с целью создания демонстрационных установок, способных отпускать до 50 МВт электроэнергии в сеть.

К тестированиям NET Power приступила в 2018 года. Были проведены три расширенные кампании тестирования, а осенью 2021 года прошла успешная синхронизация с электросетью штата Техас. Кроме того, NET Power прошла валидацию технологии, достигла критических этапов эксплуатации и наработала более 1500 часов общего времени функционирования комплекса по состоянию на октябрь 2022 года. Сейчас станция в Ла Порте остается важнейшим ресурсом для постоянного совершенствования технологии.

Как утверждают представители компании NET Power, электростанция на цикле Аллама производит только электричество, воду и жидкий диоксид углерода, готовый к транспортировке по трубопроводу, работая при этом не менее эффективно, чем лучшие из сегодняшних газовых электростанций. Ее расчетный чистый КПД — 58,9% на газе и 51,4% на угле (с использованием встроенного газификатора). Кроме того, за счет небольшого снижения КПД такая станция может работать без подвода воды для охлаждения, фактически становясь производителем чистой воды.

SCOC-CC

Этот полузакрытый цикл с кислородным сжиганием топлива был впервые предложен в 1992 году учеными Болландом и Сетером. Он имеет простую конфигурацию и представляет собой по сути комбинированный цикл Брайтона-Ренкина с кислородным окислителем топлива и диоксидной рециркуляцией. Основным достоинством цикла является простота реализации.

MATIANT

Впервые концепция этого цикла была представлена в 1997 году изобретателями Матье (Mathieu) и Янтовский (не Янтовским?) (Iantovsky). Отличительной чертой данной технологии является расширение рабочей смеси с большим содержанием диоксида углерода в трех турбинах: турбине высокого, среднего и низкого давлений. Эффективность циклов «МАТИАНТ» несколько ниже, чем у SCOC-CC из-за высоких затрат энергии на охлаждение нескольких высокотемпературных турбин.

ЦИКЛ АЛЛАМА

Технология позволяет достигать рекордный КПД нетто, равный 58.9% при работе на природном газе и 51.44% при работе на угле (с учетом затрат на захоронение диоксида углерода). В сравнение КПД нетто парогазовых энергоблоков, использующих технологию секвестирования, не превышает 48%, а ПГУ с газификацией и секвестрованием – 39%.

Диоксид углерода сжимается в многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением до 80 бар, а затем подается в насос, после которого достигает максимального давления в цикле в диапазоне от 200 до 400 бар. После насоса углекислый газ направляется в регенератор, где нагревается до 700–750°С за счет теплоты рабочей среды на выходе из турбины и нагретого хладагента, использующегося для промежуточного охлаждения кислорода в установке для его подготовки. Реализация низкопотенциальной теплоты в регенераторе, получаемой за счет промежуточного охлаждения кислорода, позволяет скомпенсировать тепловой баланс между горячим и холодным потоками. После регенератора большая часть потока углекислого газа направляется в камеру сгорания для ограничения максимальной температуры, меньшая часть – на охлаждение газовой турбины. Оставшаяся часть диоксида углерода смешивается с потоком сжатого кислорода и также направляется в камеру сгорания, где температура рабочей среды повышается до 1150°С за счет сгорания топлива с кислородом. На выходе из газовой турбины рабочая среда направляется в регенератор.

У этой технологии сразу несколько достоинств. И в первую очередь это конкурентоспособная удельная стоимость установленной мощности. По предварительным оценкам, для энергоустановок на природном газе она составляет 800–1000 $/кВт, а при работе на угле (с его последующей газификацией) – 1500–1800 $/кВт. Для сравнения: стоимость современных парогазовых энергоблоков с внутрицикловой газификацией составляет не менее 5000 $/кВт.

Столь низкий показатель стоимости цикла Аллама удалось достигнуть за счет компактности всей станции и энергетического оборудования вследствие высокого минимального давления рабочей среды и отсутствия традиционных элементов парогазового цикла. Кроме того, у этой технологии высокая эффективность и компактность.

Но и недостатки у цикла Аллама тоже имеются. Прежде всего отмечается, что максимальная температура на входе в турбину ограничивается предельно допустимыми температурой и давлением рабочей среды в регенераторе, которые, в свою очередь, зависят от применяемых для их изготовления сплавов.

В чем выгода?

Переход на углекислотные рабочие тела – перспективное направление повышения эффективности генерации энергии и снижения выбросов диоксида углерода. При этом ряд циклов имеет технико-экономические показатели, сравнимые с наилучшими доступными в настоящее время традиционными источниками энергии.

Высокая эффективность данных циклов проявляется в том числе в низкой себестоимости электроэнергии в условиях наличия платы за выбросы парниковых газов. Так, уже при близком к текущему уровне цен на квоты в размере 50$ за тонну перспективные углекислотные циклы сопоставимы с парогазовыми установками по себестоимости генерации энергии.

В 2021 году в России, Китае и Евросоюзе были приняты Стратегии по снижению выбросов парниковых газов, предусматривающие их квотирование, при этом европейская предусматривает также дополнительные пошлины для продукции с высоким углеродным следом, в том числе электроэнергии. В связи с существующими в настоящее время экологическими и законодательными трендами, создание, развитие и внедрение низкоуглеродных технологий генерации энергии в РФ в перспективе ближайших 20–30 лет имеют большие экономические перспективы как с точки зрения сохранения конкурентоспособности энергетики и промышленности на внутреннем рынке, так и с точки зрения сохранения высокого экспортного потенциала энергоемкой продукции.

Лето — это энергия, это движение. Летом нет ни одной весомой отговорки, чтобы лежать на диване и ничего не делать. Впрочем, сотрудников «ТГК-1» нельзя упрекнуть в лени. Наши коллеги используют теплые дни на сто процентов: бегут марафоны, играют в теннис, качают бицепсы, скачут на лошадях… Точно не пожалеют осенью, что лето прошло зря!