Родом из СССР: как ТЭЦ производит тепло и горячую воду

Чтобы жителям левобережья Новосибирска было тепло одни сутки, на ТЭЦ-3 сжигают 8 тысяч тонн угля, а за весь отопительный сезон уходит почти 2 миллиона тонн... Зачем нужно столько топлива, как именно тепло доходит до батарей в квартирах, и почему ТЭЦ — лучшее решение для обогрева городов?

ТЭЦ-3 и бурый уголь

Новосибирская ТЭЦ-3 работает с 1942 года и сегодня снабжает теплом почти весь левый берег города. С 1970-х годов ее основной вид топлива — бурый уголь Канско-Ачинского бассейна (четвертая очередь станции – сейчас основная, была изначально спроектирована на этот вид топлива).

Кроме того, что бурый уголь дешевле, концентрация основных загрязняющих веществ в выбросах от его сжигания в пять раз меньше, чем от каменного угля — за счет низкого образования золы (4-5% против 20-25%). В то же время калорийность его немного ниже: каменный уголь содержит 5 тысяч Ккал/кг, а бурый — около 4 тысяч Ккал/кг, поэтому и сжигать его требуется примерно на 20% больше.   

Есть и особенности эксплуатации. Бурый уголь склонен к самовозгоранию больше, чем каменный. Поэтому необходимы специальные противопожарные мероприятия. Например, при загрузке на склад его обязательно уплотняют бульдозерами, чтобы вытеснить воздух и таким образом уменьшить пожароопасность.

С точки зрения влияния угля на оборудование станций — есть как плюсы, так и минусы. Бурый уголь мягче каменного, следовательно, легче размалывается и меньше изнашивает оборудование. В то же время бурый уголь содержит больше кальция, чем каменный, что добавляет сложностей в борьбе со шлакованием поверхностей нагрева.

Зачем уголь превращают в пыль

Уголь для ТЭЦ привозят по железной дороге. Специальный ангар — вагонопрокидыватель — переворачивает вагоны по одному. Отсюда топливо поступает через подземную сеть конвейеров в цех или на склад, где его уплотняют.

В одном вагоне 67 тонн угля, его сжигают примерно за час в одном котле. Но прежде чем сжечь, уголь измельчают — чтобы топливо сгорало быстрее и полнее. Уголь проходит через своеобразное сито и направляется в дробилки.

«В котельном цехе мельницы размалывают уголь в пыль, подсушивают его горячим воздухом. Эта смесь горячего воздуха с пылью попадает в топку по специальным трубам — пылепроводам», — описывает процесс начальник оперативно-диспетчерской службы ТЭЦ-3 Юрий Деев.

Фото: Юрий Деев © Sibnet.ru

Попадает в топку — это направляется в котел. Внутри него смесь сгорает в воздухе и образуется пылеугольный факел — столб огня. Идет процесс преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию. 

На ТЭЦ-3 восемь котлов. Это сооружения в форме буквы «П», состоящие из множества труб, высотой 36 метров — настолько огромные, что обозреть котлы во всю их величину рядом стоящему человеку невозможно.

Далее тепло через металл труб передается воде. Образуется так называемый острый пар — температурой порядка 550 градусов. Он, в свою очередь, идет по трубам в турбинный цех.

Догорает угольная пыль вверху, а шлак и зола более чем на 99% улавливаются электрофильтрами на электродах и стряхиваются в бункера.

Как получают тепло и электричество

Острый пар вращает турбину, расширяется в ее ступенях и лопатках и превращает свою внутреннюю тепловую энергию в механическую энергию вращения. 

Генератор, сцепленный с турбиной, преобразует механическую энергию в электрическую. Затем ток через трансформатор и линии электропередач подается поставщику, который распределяет электричество потребителям. 

По сути, на ТЭЦ-3 электричество — побочный продукт производства тепла. Но при этом теплоцентраль может производить 496,5 Мегаватт в час. А основного продукта — тепла — 940 Гигакалорий в час.

На турбинах находятся бойлеры с сетевой водой, которые с помощью отобранного от турбины пара греют ее до нужной температуры. Эта нагретая вода и отправляется в квартиры новосибирцев. 

После того, как пар выполнил свою функцию (вращение турбин и нагрев воды), его охлаждают. Для этого тоже нужна вода — в каждой из девяти турбин уходит 5-7 тысяч тонн воды в час.

Вода берется прямо из Оби — не случайно ТЭЦ построена на берегу. Забранная насосами вода поступает в специальные теплообменные устройства, установленные под турбинами. Там она с помощью конденсирующих трубок соприкасается с паром. 

В итоге получается конденсат для нужд станции, а набранная в Оби вода, выступив в роли охладителя пара, возвращается в реку.

Особенно хорошо на охлаждение вода «работает» зимой, когда река холодная. Она быстро превращает пар в конденсат, и подогретая, забравшая тепло у пара, возвращается обратно в Обь.

Всего на эти цели ТЭЦ забирает из Оби около 50 тысяч тонн воды в час, столько же предприятие возвращает обратно. Загрязнение в данном случае исключено – меняется только температура воды.

Контролируют работу котлов и турбин через щит управления. Это огромная панель с приборами и кнопками. 

По ней специалисты в реальном времени отслеживают параметры режима, регулируют необходимое количество запущенных котлов и турбин, чтобы выработать нужное количество электричества и нагреть воду до определенной температуры. 

Щит управления должен обеспечивать безопасное и экономичное производство.

Как нагреваются батареи

До какой именно температуры нагревать сетевую воду, решает теплосетевое подразделение СГК – Новосибирская теплосетевая компания — она выдает задание в зависимости от погоды.

Летом на ТЭЦ-3 греют воду до 75 градусов, но не для отопления, а для горячего водоснабжения. Зимой максимум до 130 градусов — чтобы нагреть батареи.

«Внутри турбин создается давление (пара) ниже или выше, и тем самым сильнее нагревают воду. Предел этих турбин 124 градуса», — рассказывает начальник оперативно-диспетчерской службы ТЭЦ-3.

Когда нужно нагреть до 130 градусов, подключается дополнительное оборудование — пиковая бойлерная. В ней сетевую воду греют напрямую паром из котла.

Фото: ТЭЦ-3 © Sibnet.ru

Сетевая вода с температурой до 130 градусов поступает в магистральные, а затем во внутриквартальные трубы. Под давлением насосов горячая вода достигает центрального теплового пункта (ЦТП) — в отдельном здании, но чаще всего в подвале дома.

Там вода разделяется на две части: одна греет в теплообменнике чистую холодную воду и превращает ее в горячую, что течет в кранах. Другая по отдельным трубам поступает в батареи, отдает тепло окружающему воздуху и остывает.

Отдавшая тепло вода возвращается обратно на ТЭЦ, где заново прогревается по той же схеме. То есть вода почти не выходит за пределы многокилометровой системы отопления.

Из самых отдаленных районов сетевая вода возвращается на ТЭЦ за 14 часов.

Чем холоднее на улице, тем больше вода отдает тепла в городе. Зимой разница между прямой и обраткой (возвращенной водой) может быть от 40 до 60 градусов.

При этом могут происходить потери воды по пути — если в трубопроводах произойдут повреждения. На ТЭЦ сразу видят падение давления и уменьшение количества обратки. Для таких случаев предусмотрена компенсации потерь — возможность подпитки системы водой— до 900 тонн в час.

Чем дальше от станции необходимо подать сетевую воду, тем выше требуется давление на теплоисточнике и выше температура. Теплосети и отопительные приборы имеют сопротивление, а значит добавляются тепловые потери, которые нужно преодолеть, чтобы доставить тепло потребителям.

Задача ТЭЦ состоит в том, чтобы выдавать с коллекторов станции теплоноситель заданных параметров – температуры и давления. В течении всего времени — днем и ночью, зимой и летом.

Отходы ТЭЦ

От работы ТЭЦ остаются отходы — шлак и зола. Около 150 тысяч тонн в год. Опасности они не представляют и могут использоваться в качестве строительного материала. Например, часть золы продают производителям сухих строительных смесей.

Остальное смешивают с водой и отправляют на золоотвал — технический водоем неподалеку от ТЭЦ. В нем вода отстаивается, очищаясь естественным образом, а затем осветленная через протоку сбрасывается в реку.

В золоотвале ТЭЦ-3 весной тоже бывает бирюзовая вода, как на знаменитых Сибирских Мальдивах возле ТЭЦ-5. А зола с кальцием напоминает белоснежный песок. Но все же этот водоем — техническое сооружение, и купание здесь небезопасно.

В будущем ТЭЦ планирует отказаться от сброса воды в Обь, чтобы не вредить реке, а воду с золоотвала начать возвращать обратно на станцию. Ее предполагается использовать в системе оборотной транспортировки золы - в закрытом производственном цикле. Систему забора воды из золоотвала построят к 2023 году.

Почему ТЭЦ еще существуют?

Центральная отопительная система начала внедряться в СССР в 1920-е годы, как часть повсеместной электрификации страны, и окончательно вступила в действие в 50-60-х годах. С тех пор теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) одновременно обеспечивают жилые дома теплом и вырабатывают электричество. 

Аналогов такому решению — комбинированной выработке тепловой и электроэнергии — в мире нет. Снижаются затраты топлива на выработку электроэнергии, а значит, увеличивается экологичность и экономичность производства. 

За более чем полвека эта система доказала свою эффективность — она по сей день позволяет давать свет и обогревать огромные территории холодной России. И это все еще дешевле, чем любые локальные источники тепла. Модернизируется оборудование, меняется топливо, но сама суть работы ТЭЦ и транспортировки горячей воды остается неизменной.

Четыре действующих в Новосибирске ТЭЦ и несколько десятков котельных обеспечивают теплом 1,6 миллиона жителей.