Тепловые электрические станции (ТЭС)

ТЭС – основной тип электрических станций. В нашей стране на них вырабатывается около 80% электроэнергии. Воздействие ТЭС на окружающую среду зависит от вида топлива.

При сжигании твердого топлива (в основном уголь) в атмосферу попадает летучая зола с частицами недогоревшего топлива, сернистый и серный ангидриды, окислы азота, некоторое количество фтористых соединений, а также газообразные продукты неполного сгорания топлива. На электрофильтрах задерживают до 99% золы (такие фильтры установлены на Новочеркасской ГРЭС).

Основная экологическая проблема – очистка от окислов серы. Сернистый газ при взаимодействии с парами воды превращается в стойкую серную кислоту, что вызывает ухудшение качества воды в водоемах, коррозию металлических сооружений, кислотные дожди (наносится ущерб садам, огородам). Защита: рассеяние в верхних слоях атмосферы (высота труб достигает 320 м). Более радикальное средство – выделение серы из угля до его сжигания в топках ТЭС. Есть промышленные способы. В Германии для очистки дымовых газов от серы применяются известковые фильтры (очистка около 70 %). В 1985 г. был разработан проект ТЭС с известковыми фильтрами (Красно-Сулинская ГРЭС, Ростовская обл.), но проект не был осуществлен.

При сжигании мазута, газа вредных выбросов значительно меньше.

Занимаемая ТЭС территория, с учетом шлакоотвалов, подъездных дорог и вспомогательных построек, составляет 3–4 км². На этой территории изменяется рельеф местности, водостоки, структура почвенного слоя. Экологическое равновесие нарушается. Есть станции с крупными градирнями (на Новочеркасской ГРЭС их нет, тепло отводится в р. Дон). Градирни вызывают повышение влажности, способствуют образованию низкой облачности, туманов, а в зимнее время – инея, гололеда.

В водоемы от ТЭС сбрасывается большое количество тепла. Часть тепла может и должна использоваться полезно (тепловые рыбные пруды, теплицы для выращивания овощей, грибов, ягод; водоемы для отдыха, спорта; отопление жилых помещений в зимнее время).

Гидроэлектростанции (ГЭС)

Во многих странах, в том числе и в нашей стране, гидроэнергетика получила значительное развитие. Однако, вопреки данным ранее прогнозам, ГЭС вызывают в природе ряд серьезных отрицательных последствий. В равнинной местности водохранилища занимают огромные площади, отнимая сельскохозяйственные земли; изменяется режим грунтовых вод, климат. Это наглядно проявилось после сооружения Цимлянской ГЭС и канала Волга-Дон. Отняты огромные площади плодородных земель.

Под воздействием Цимлянского водохранилища в ряде районов Ростовской обл. (например, в Зерноградском районе) вышли на поверхность соленые воды, и многие тысячи гектаров плодородных земель засолены. Поднялся уровень грунтовых вод. Режим Цимлянского моря оказался неблагоприятным для развития в воде флоры и фауны. В р. Дон исчезли многие ценные породы рыб.

Цимлянская ГЭС (мощность ее небольшая – всего лишь 200 тыс.кВт.) не используется для производства электроэнергии ;напор воды используется для поддержания необходимого уровня воды в Волго-Донском канале.

Таким образом, имеющийся к настоящему времени опыт требует более внимательного и обязательно комплексного подхода к вопросу сооружения ГЭС.

Атомные электрические станции (АЭС)

АЭС обладают важными преимуществами:

а) экономия органического топлива;

б) АЭС не привязана к источникам энергетических ресурсов: для мощной станции в год требуется 100–150 т ядерного топлива;

в) нормально работающая АЭС не дает вредных выбросов (как ТЭС), а основная вредность – радиация – должна находиться на допустимом уровне. Обеспечение этого требования, как утверждают специалисты, вполне реально при современном состоянии науки и техники;

г) новое поколение атомных реакторов более безопасно по сравнению с реакторами Чернобыльской АЭС;

д) запасы ядерного топлива – на сотни лет.

Однако экологические проблемы в связи с использованием АЭС очень и очень серьезны, и перспективы применения АЭС весьма спорны. В некоторых странах решено не применять АЭС (например, Швеция); в США, где на АЭС вырабатывается около 20% электроэнергии, новые АЭС не строятся уже многие годы. Другие же страны продолжают их строить (например, Иран намерен заключить соглашение с нашей страной о строительстве АЭС).

В нашей стране в 2000 г. введен в эксплуатацию один блок на Волго-Донской АЭС, планируется второй (оба блока на 90% были изготовлены в Советское время).

Основные проблемы, связанные с АЭС:

1. Не решена в принципе проблема надежного захоронения на десятки и даже сотни лет огромного количества (десятки тысяч тонн) радиоактивных отходов, остающихся после окончания срока эксплуатации (30–40 лет) – погашения станции.

2. Тепловой сброс АЭС в расчете на выработанный кВт·ч электроэнергии в три раза больше, чем на ТЭС. Поэтому требуются очень большие водоемы. Велико тепловое загрязнение.

3. АЭС могут использоваться только в базовой части графика нагрузки, т.к. менять режим работы в течение суток – не выгодно. Поскольку график системы, как правило, резко неравномерен, то ограничивается доля АЭС в общем энергетическом балансе.

4. Серьезная опасность, на которую указывал академик Петр Леонидович Капица, – это возможность захвата АЭС террористами.

По сообщению телевидения в нашей стране охрана АЭС поставлена очень плохо.

Воздействие электромагнитных полей на человека

Как установлено научными исследованиями и практическим опытом, при определенных условиях вредное влияние на человека оказывают магнитное и электрическое поля. Магнитное поле вредно действует на живые организмы при напряженностях 150–200 А/м. Такая напряженность имеет место вблизи мощных токопроводов (например, токопроводы печей графитации постоянного тока на Новочеркасском электродном заводе).

Основные проблемы для линий высокого напряжения связаны с влиянием электрического поля, которое при определенной напряженности и длительности воздействия вызывает у человека изменение давления и пульса, сердцебиение, аритмию, повышенную нервную возбудимость и утомляемость. При кратковременном воздействии электрического поля допустимые напряженности составляют: 20 кВ/м для труднодоступной местности; 15 – для ненаселенной местности; 10 – для пересечений с дорогами; 5 – для населенной местности. Напряженность 0,5 кВ/м допустима без ограничения времени.

При необходимости применяются защитные экраны от электрического поля. Значительным экранирующим эффектом обладают кустарники и деревья, растущие под линией электропередач.

Утилизация ртути газоразрядных ламп

Серьезная экологическая проблема связана с отработавшими газоразрядными лампами, содержащими ртуть. Практикуемый повсеместно вывоз отработанных ламп на свалку или их захоронение в специально отведенных местах создает опасность вредного для здоровья людей ртутного заражения воздуха, почвы и водных источников.

Разработаны и кое-где применяются специальные технологические установки, где из отработанных ламп выводится ртуть и вновь применяется в производстве (такая установка действует, например, на Московском электроламповом заводе).

Вопросы и задания

8.1 Вредные выбросы от Новочеркасской ГРЭС и возможные пути уменьшения их влияния.

8.2 Отрицательные влияния Цимлянского гидроузла на окружающую среду и возможные пути их уменьшения.

8.3. Состояние, перспективы развития и проблемы Ростовской АЭС.

8.4. Какие электротехнические установки могут создавать сильные магнитные поля? Электрические поля?

8.5. Какие опасности возникают при неконтролируемом выбросе в мусорные контейнеры отработавших газоразрядных ламп?

Задачи к блоку 2

1. Определить тепловые потери городской теплотрассы при температуре воды в трубе , температуре окружающей среды . Сечение трубы приведено на рис. 43.

Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы, , от поверхности трубы в окружающую среду, . Коэффициент теплопроводности стали , теплоизоляции – .

Тепловой поток в расчете на 1 м длины трубы:

,

где – поверхность теплоотдачи; – тепловое сопротивление,

.

Как видно, первыми двумя составляющими можно пренебречь, тогда

.

Кроме этого теплового потока, учтем еще поток теплоты излучения (в расчете на 1 м длины):

,

где – собственное излучение тела.

ε ,

где - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; ε – степень черноты тела; – температура излучающей поверхности, .

В нашем случае наружная поверхность теплотрассы образуется алюминиевой фольгой, для которой ε = 0,05 Температуру поверхности фольги рассчитаем в первом приближении следующим образом. Полный температурный перепад . Доля от этого перепада, приходящаяся на теплоизоляцию, равна . Температура поверхности трубы по шкале Цельсия равна 80 – 86 = –6 ^oC; по шкале Кельвина . Тогда имеем

Суммарные потери на один метр длины теплотрассы:

Имея в виду, что на практике часто теплоизоляция снята, определим для этого случая потери.

Тепловое сопротивление . Тогда

Теплоту излучения определим, исходя из следующих соображений. Излучение будет происходить с поверхности стальной трубы при ε = 0,6. Температура поверхности трубы практически будет равна температуре воды, т.е. 80 ^oC; по шкале Кельвина .

Тогда

Суммарные потери на 1 м длины

.

Таким образом, при снятой теплоизоляции дополнительные потери, по сравнению с потерями при нормальной теплоизоляции, составят 622–42 = 580 Вт, а на один километр – 580 кВт.

Фактическое состояние теплотрасс в г. Новочеркасске таково, что суммарная длина оголенных теплотрасс составляет порядка нескольких километров. В этой связи рассчитаем потери газа на 1км оголенной теплотрассы. Теплоту сгорания газа примем 38000 кДж/м³; КПД котельной примем 0,4. Тогда объем потерянного газа на 1 км оголенной теплотрассы составит:

.

При цене газа 0,5 руб/м³ убытки в расчете на 1 км составят 494526·0,5 250 тыс.руб.

2. Определить суточную потребность в угле для работы Новочеркасской ГРЭС.

Номинальная мощность – 2400 МВт; КПД=0,4; годовое число часов работы станции в приведении к номинальному режиму . Теплота сгорания угля 30 МДж/кг. 1 МВт = 1 МДж/с.

Суточная потребность в угле, кг:

где 8650 – полное число часов в году.

Количество 60-тонных вагонов/сут:

.

3. Определить потребность в угле на отопительный сезон для отопления жилого дома площадью (8×10) м², высота жилых комнат 3,5 м. Стены кирпичные, толщина 0,4 м; коэффициент теплопроводности кирпичной кладки 0,6 . Окна занимают 20% от наружной боковой поверхности дома. Полный коэффициент теплопередачи через окна принять 2 , через потолок – . Теплота сгорания угля 35000 кДж/кг. Отопительный сезон 150 сут.; температура в помещении 18 °С; расчетная наружная температура –15 °С. Потери тепла через стены:

/

Потери через окна:

Потери через потолок:

Потерями через пол пренебрегаем.

Суммарные потери:

Тепловыделения:

– электрическое освещение:
200 Вт (номинальная мощность)·0,2 (коэфф. использования) = 40Вт;

– холодильник: 150 Вт*0,5=75 Вт;

– телевизор: 150 Вт*0,2=30 Вт;

– тепловыделения жильцов дома: ,

где 0,5 – коэффициент пребывания в доме;

– кухонные газовые приборы: 500 Вт.

Суммарное тепловыделение:

Необходимая мощность системы отопления:

.        

Потребность в угле: