🔥 Теплоэлектроцентрали ТЭЦ и District Heating

Модуль #255. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и магистральные тепловые сети РК (отличие от L4 «Тепловые сети» — здесь промышленный масштаб с генерацией): Алматинская ТЭЦ-1 (380 МВт электр. + 1200 Гкал/ч тепла), ТЭЦ-2 (510 МВт + 1800 Гкал/ч), ТЭЦ-3 (750 МВт + 2400 Гкал/ч), ТЭЦ Астана 1 + 2 + 3 общей мощностью ~1.5 ГВт. Паровые турбины Siemens SST-700 / Mitsubishi Heavy Industries T-100/130-130 теплофикационные, паровые котлы Babcock & Wilcox 420 т/час пара, угольное топливо Экибастуз + газ (двухтопливные). Тепло-сеть РК 5000+ км магистральных трубопроводов Ø600-1400 мм. СН РК 4.02-12, ASME B31.1, EN 13941, ISO 9869, ВНТП-1 ТЭС.

1. Технология ТЭЦ + сеть

ВНТП-1 ТЭС + ASME B31.1 + EN 13941 (Pre-insulated bonded pipes):

Котельный цех: 3-6 паровых котлов Babcock&Wilcox или Foster Wheeler 320-500 т/час пара при 138 бар × 540°C, угольное (Экибастуз) или газовое топливо, дымосос+дутьевые вентиляторы.
Машинный зал: 3-5 теплофикационных турбин Siemens SST-700 или Mitsubishi T-100-130 (100 МВт каждая, отборы пара для тепла), генераторы синхронные ABB 13.8 кВ × 110 МВт.
Конденсаторы пара: поверхностные с охлаждением речн./городской водой, 14-метровые трубы Cu-Ni.
Бойлерная (Heat Recovery): теплообменники между паром отборов турбин и сетевой водой 130°C/70°C двухтрубной системы.
Тепловая магистраль: Ø800-1400 мм предв. изолированные стальные трубы DN800 (Зворыкина или Polish Gilex с PUR-изоляцией 100-200 мм), сигнальная система DET-WERK для обнаружения течей.
Тепловые камеры: ж/б колодцы с задвижками Vexve DN800 PN16, расходомерами Endress+Hauser Promag W, отводными точками каждые 500-1500 м.
Перемычки и резервирование: кольцевая схема с возможностью переключения, 2 источника на каждого потребителя.
Тепловые пункты ИТП: для жилых домов — Danfoss / Honeywell автоматич. регуляторы, узел учёта Карат-Энерго.
Топливный цех: разгрузочное устройство ж/д цистерн, угольный склад 30-сут запас, дробилки + конвейеры подачи в бункеры.
Дымовые трубы: 150-180 м из ж/б преднапряж. с футеровкой внутри + жаростойким бетоном, газоочистка ESP + сухая известковая (для SO₂).

Упражнение 1 — Парогенератор и турбина

ТЭЦ 380 МВт электр. + 1200 Гкал/ч тепла на угле Экибастуз (зольность 30%, калорийность 4000 ккал/кг). Какая комбинация котёл-турбина?

Газовая турбина GE 9HA на природном газе — самая чистая, но в РК нет газаОдин паровой котёл 500 т/час и одна конденсационная турбина 350 МВтТолько конденсационная схема без отбора пара на теплоУгольная ТЭЦ с теплофикацией: 1) 4 паровых котла Babcock&Wilcox PFB (Pulverized Fuel-fired Boiler) производительность 420 т/час пара 138 бар × 540°C каждый, общая 1680 т/час (с резервом N+1 = 3 рабочих, 1 резерв при ремонте); 2) Газо-воздушный тракт: дымосос ДН-26×2 (2 шт. на котёл) + дутьевые вентилятор; 3) Топливоподготовка: угольная мельница ШБМ-370/850 4 шт. на котёл с производит. 65 т/час пыли; 4) 4 теплофикационных турбины Siemens SST-700 или ОАО «Силовые Машины» T-100/130-130 с двумя теплофикационными отборами (Heating Extraction) при 1.2 бар (для подогрева сетевой воды до 130°C) и 0.12 бар (для предв. подогрева); 5) Генераторы синхронные ABB или Siemens 13.8 кВ / 110 МВт × 4 = 440 МВт установленная (брутто), после собств. нужд 60 МВт = 380 МВт нетто; 6) Конденсатор поверхностный с охлаждением Cu-Ni трубками 14 м длины 25 000 м² поверхности, охлаждение реверсной/городской водой; 7) Бойлерная теплообменники (5 шт N+1) — пар отборов → сетевая вода 130/70°C, мощность 280 Гкал/ч каждый = 1200 Гкал/ч обще; 8) КПД: электр. брутто 38-42% (при работе только на электр.), теплофикационный комбинированный КПД 80-85% (электр. + тепло одновременно); 9) Газоочистка: ESP электрофильтр 99.5% пыль + сухая известковая SO₂-очистка + DeNOx SCR; 10) Дымовая труба H=180 м ж/б преднапряж.; ВНТП-1 ТЭС + ASME B31.1

Упражнение 2 — Магистральная труба

Алматинская тепло-сеть: основная магистраль от ТЭЦ-2 к городу должна передавать 1500 Гкал/час при перепаде t° 130°C прямой / 70°C обратки. Скорость теплоносителя ≤2.5 м/с (норма). Какой диаметр Ø трубы (мм)?

Q = G × Cp × ΔT (Гкал/час)
G = Q × 10⁶ / (Cp × ΔT) (кг/час)
V_объём = G / ρ (м³/час)
S_сечения = V_объём / (3600 × v_скорости)
d = √(4 × S / π)

Подсказка: Cp = 1 ккал/(кг·°C); G = 1500×10⁶ / (1×60) = 25 × 10⁶ кг/час; V = 25 × 10⁶ / 970 (ρ при 100°C) = 25 773 м³/час = 7.16 м³/с; S = 7.16 / 2.5 = 2.86 м²; d = √(4×2.86/π) = 1.91 м = 1910 мм. С учётом потерь на трение и теплоотдачи ≈ Ø 1500 мм (стандартный ряд DN1400-1500). Размещается в подземн. бесканальной прокладке с PUR-изоляцией 200 мм по EN 13941.

Упражнение 3 — Бюджет ТЭЦ 380 МВт + 1200 Гкал/ч

ССЦ + импорт: главный корпус 30 000 м² (котельный + машинный) — 28 млрд тг, 4 паровых котла Babcock&Wilcox 420 т/час 138 бар — 96 млрд тг, 4 турбины Siemens SST-700 + генераторы ABB 110 МВт — 65 млрд тг, конденсаторы Cu-Ni + охлаждающие башни градирни — 12 млрд тг, бойлерная теплообменники 5 × 280 Гкал/ч + сетевая насосная — 14 млрд тг, топливный цех: угольный склад 30 сут × 4 котла = ~80 000 т + конвейеры — 22 млрд тг, водоподготовка для котлов (деминерализация Veolia ION+) — 8 млрд тг, ХВО (Химическая Водоочистка) — 4 млрд тг, газоочистка: ESP + DeNOx SCR + Sulfur scrubber — 28 млрд тг, дымовая труба H=180 м ж/б преднапр. + футеровка — 14 млрд тг, ж/д подъездная + разгрузочное устройство 24 цистерн — 8 млрд тг, энергоснабжение собств. нужд + блочные ТП + ОПУ — 16 млрд тг, АСУ ТП Siemens SPPA-T3000 + лаборатория контроля топлива — 12 млрд тг, тепло-магистраль Ø1500 мм 5 км предв. изол. — 8 млрд тг, благоустройство + офисы + проектирование + ПНР — 35 млрд тг, страхование EPC + резерв подрядчик — 10 млрд тг. Стоимость?

Цель: ~380 млрд тг (допуск ±10%). 28+96+65+12+14+22+8+4+28+14+8+16+12+8+35+10 = 380 млрд тг. Удельная стоимость ~1.0 млрд тг/МВт_эл — соответствует мировым угольным ТЭЦ (Bełchatów Польша $1.5/Вт, Indian NTPC $1.0-1.2/Вт). ТЭЦ-2 Алматы (модернизация) — оценочно $0.8 млрд = 380 млрд тг.

Упражнение 4 — Защита тепло-магистрали

Магистральная тепло-сеть Ø1500 мм должна работать 30+ лет с минимумом аварий. Что обязательно по EN 13941 + ASME B31.1?

Толстая изоляция минвата 200 мм — стандартТолько обходной канал бетонный (channel system)Pre-insulated Bonded Pipe System по EN 13941: 1) Стальная труба (рабочая) ст.20 или 17ГС толщ. 16-18 мм с антикоррозионным покрытием zinc-rich epoxy; 2) Жёсткая теплоизоляция полиуретан PUR plus 200 мм (λ=0.024 Вт/м·К) — заводская заливка прямо на сталь, сцепление с трубой и с наружным защитным «кожухом»; 3) Наружный защитный кожух — полиэтилен PE-HD 8 мм или гофрированная сталь; 4) Бесканальная прокладка прямо в траншее без камер — самая экономичная и надёжная; 5) Сигнальная система Det-Werk Brandes или Logstor с медными проводниками 2× встроенными в изоляцию — обнаружение влаги от утечки за ≤24 ч с точностью ±10 м; 6) Компенсация теплового удлинения через пред-натяжение (pre-stressed installation): труба нагревается до t°_рабоч в магазине, затем монтируется в траншею с заваркой при холодном состоянии — снимает 50% термических напряжений; 7) Заводская сертификация EN 14419 (для сборки сегментов трубы) + EN 489 (для стыков на трассе с термоусадочной муфтой); 8) Гарантия производителя 20 лет (Logstor, Brugg, ZRRC); 9) ИТП Танк-Линк ЭШМ узлы учёта + регуляторы перепада давления + автоматич. подача; 10) Скрытые крепления и расширительные сильфонные компенсаторы Belmore RC50 на длинных прямых участках; 11) Срок службы 30-50 лет с минимумом TO; EN 13941 + EN 489 + ISO 9869 + ВНТП-1 ТЭСТолько обычная сталь с минватой и без сигнализации

Нормативы: ВНТП-1 ТЭС (Тепловые Электростанции), СН РК 4.02-12, ASME B31.1 (Power Piping), EN 13941 (Pre-insulated Bonded Pipes), EN 489 (Joint Assemblies), ISO 9869 (In-situ Thermal Performance).

Реальные объекты РК: Алматинская ТЭЦ-1 (380 МВт + 1200 Гкал/ч), ТЭЦ-2 (510 МВт), ТЭЦ-3 (750 МВт), Астанинская ТЭЦ-1 (160 МВт), ТЭЦ-2 (480 МВт), Карагандинская ТЭЦ-3 (435 МВт), Экибастузская ГРЭС-1+2 (4000+1000 МВт).