Теплоенергетика

Теплова енергетика (теплоенергетика) — один із основних видів енергетики, який об'єднує енергетичні ресурси та енергоносії, виробництво, перетворення, передачу і використання різних форм енергії.

Історична довідка

Практичне народження теплоенергетики пов'язано з появою у 1880–1890-х централізованого електричного постачання для освітлення і приводу промислових силових установок. Перша теплова електростанція на базі парових машин, що приводили в дію динамо-машини, була введена в експлуатацію в Нью-Йорку 1882. Парові машини працювали за тиску до 10 атм з коефіцієнтом корисної дії (ККД) 3–4 %. У кінці 19 ст. з'явились і незабаром стали основним типом приводних двигунів парові турбіни, завдяки перевагам — великій одиничній потужності агрегатів та істотно кращими габаритними показниками. Перші парові турбогенератори мали потужність від 5 до 10 тис. кВт та ККД 8–12%. До середини 20 ст. в енергосистемах світу було створено і введено в експлуатацію одновальні турбоагрегати з одиничною потужністю 20–300 тис. кВт, двовальні установки з потужністю близько 500 тис. кВт. Постало завдання підвищення початкових параметрів за тиском до 300–350 атм, а початкових температур від 500–610 °С до 650 °С.

Характеристика

Предмет досліджень

Предметом досліджень і вирішення проблем теплоенергетики є термодинамічні цикли, теплові схеми й конструкції енергоустановок та їхніх вузлів, питання організації процесів горіння палива, аеро- і гідродинамічні процеси течії робочих середовищ на поверхнях енергетичного обладнання та теплообмін на них, теплофізичні властивості робочих тіл і теплоносіїв, а також питання термонапруженого стану, надійності і ресурсу роботи енергетичного обладнання.

Структура

Технічною базою теплоенергетики є теплові електростанції (ТЕС), теплоелектроцентралі (ТЕЦ), атомні електростанції (АЕС), промислові та комунальні котельні, системи теплопостачання та кондиціонування на базі теплонасосних технологій, теплові мережі та теплопункти, електричні мережі для електро- та теплопостачання промислових і комунальних об'єктів. Основним видом теплоенергетичного обладнання на них є парогенеруючі і водогрійні котельні установки, ядерні реакторні установки, двигуни, газотурбінні, парогазові і газопарові установки, двигуни внутрішнього згоряння, електромеханічні генератори, теплонасосні установки, теплові пункти і мережі.

Теплова енергетика існує і розвивається у пов'язаних між собою напрямках:

  • теплова електроенергетика;
  • теплогенеруюча енергетика, котра є базовою основою теплофікації.

Теплова електроенергетика — наукове і практичне спрямування, що реалізовується на ТЕС з переважно конденсаційними паротурбінними установками, а також на ТЕЦ з теплофікаційними турбінами і паротурбінними установками з протитиском, що генерують у режимі комбінованого вироблення енергії як електричну, так і теплову енергію. Робочі процеси на ТЕС являють собою низку послідовних перетворень хімічної енергії твердого, рідкого, газоподібного палива в котельних установках ТЕС і ТЕЦ, енергії ядерного палива в реакторах АЕС, теплоти геотермальних джерел у парогенераторах геотермальних електростанцій у теплоту робочого тіла теплових двигунів, далі в механічну енергію в цих двигунах і потім в електричну в електрогенераторах. Створення та вдосконалення високоефективних промислових теплових двигунів внутрішнього згоряння, газотурбінних і парогазових установок у другій половині 20 ст. дозволило виключити з робочого процесу парогенеруючі котельні установки і створювати на їхній основі ТЕС і ТЕЦ з комбінованим виробленням електричної і теплової енергії.

Теплофікація — процес генерації теплоти і передачі її для технологічних, промислових цілей та теплопостачання комунальних об'єктів. Джерелами отримання теплоти є ТЕЦ, на яких здійснюється відбір частини теплоти з паросилового циклу від робочого тіла, а також теплоти, одержуваної переважно у водогрійних котлах. Порівняно новою технологією, що інтенсивно розвивається, є теплонасосна технологія отримання теплоти за допомогою термотрансформаторів, які використовують електроенергію для перетворення теплоти низькопотенційних джерел природного, промислового і побутового походження в теплоту більш високого потенціалу для теплопостачання і гарячого водопостачання промислових і комунальних об'єктів.

Установки прямого перетворення енергії перетворюють теплоту в електроенергію без механічних електрогенераторів. Серед них виокремлюють:

  • магнітогідродинамічні генератори, принцип дії яких заснований на використанні явища електромагнітної індукції. Провідником у такому генераторі є робоче тіло — плазма або електропровідна рідина.
  • термоелектричні генератори, що перетворюють теплову енергію в електричну за допомогою використання термоелементів.
  • термоемісійні перетворювачі, у яких перетворення теплової енергії в електричну ґрунтується на явищі термоелектронної емісії.

Перспективи розвитку

Генерація теплоти на базі теплонасосних установок і станцій отримала інтенсивний розвиток у другій половині 20 ст. До кінця першого десятиріччя 21 ст. сумарна чисельність встановлених у світі теплових насосів промислового та побутового призначення досягала приблизно 130 млн, а їхня потужність — 960 ГВт. За попередніми оцінками, до 2020 встановлена потужність теплових насосів може перевищити 1600 ГВт. Найбільшого рівня розвитку і впровадження теплонасосних станцій досягла Швеція, де їхня встановлена теплова потужність перевищила 1200 МВт.

Найвища ефективність генерації теплоти у порівнянні з існуючими традиційними буде досягнута за умови застосування комбінованих когенераційних-теплонасосних установок, які формуються на базі використання високоефективних газопоршневих і газотурбінних двигунів. У перших десятиліттях 21 ст. досягнуто значне підвищення початкових температур і тисків робочого тіла на вході турбін стаціонарних енергетичних газотурбінних установок, що дало збільшення їхнього ККД до 40 %. Розробляються і застосовуються установки, які працюють за більш складними термодинамічними циклами, зокрема, за регенеративним циклом з проміжним підведенням і відведенням теплоти. Інші способи підвищення ефективності роботи газотурбінних установок: зволоження повітря на вході компресора, багатостадійне впорскування води в компресор, впорскування пари в проточну частину турбіни, цикл зі впорскуванням пари і уловлюванням її у вихлопній частині (т.з. газопарові установки).

Високу перспективу впровадження має гібридний цикл «паливний елемент — газова турбіна» з твердоксидними рідинно-карбонатними електролітами з високою температурою реакції (800–1000 °С), достатньою для здійснення регенеративного газотурбінного циклу без камери згоряння. Завдяки додатковій енергії хімічних процесів і отримання за їхній рахунок електроенергії ККД таких циклів сягає 70–80 %.

Технічний прогрес у тепловій електроенергетиці пов'язаний з парогазовими бінарними технологіями, що поєднують високотемпературний газотурбінний цикл Брайтона та паросиловий цикл Ренкіна з помірними температурами і використовують відведену скидну теплоту газотурбінної установки.

Реалізується й інший напрямок екологічно чистого застосування твердого палива — установки з котлами киплячого шару під тиском. Інтенсивно розробляються і впроваджуються демонстраційні, дослідно-промислові та промислові парогазові установки за цими напрямками. Встановлена потужність таких установок до кінця першого десятиріччя 21 ст. перевищувала 40 ГВт, а у другому десятиріччі обсяг введених потужностей у світі знаходиться на рівні 25 ГВт на рік.

Література

  1. Базеев Е. Т., Билека Б. Д., Васильев Е. П. и др. Энергетика: история, настоящее и будущее : в 5 т. Киев : Знання України, 2005. Т. 3: Развитие тепловой и ядерной енергетики. 528 с.
  2. Теплотехніка та теплоенергетика : в 2 ч. Краматорськ : Донбаська державна машинобудівна академія, 2009.
  3. Євченко В. М. Термінологічний словник. Теплоенергетика. Маріуполь : Приазовський державний технічний університет, 2011. 400 с.
  4. Дубовський С. В. Енергоекономічний аналіз сполучених систем генерації електричної енергії і теплоти. Київ : Наукова думка. 2014. 182 с.

Див. також

Альтернативна енергетика, Альтернативне паливо

Автор ВУЕ

Б. Д. Білека

Покликання на цю статтю

Покликання на цю статтю: Білека Б. Д. Теплоенергетика // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Теплоенергетика (дата звернення: 21.10.2021).


Оприлюднено


Оприлюднено:
03.10.2019

Офіційний телеграм-канал ВУЕОфіційний телеграм-канал ВУЕ