ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОТЫ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Комплексные технические устройства, в которых первичная энергия превращается в энергию теплоносителя (воды или пара) с требуемыми параметрами. В качестве первичной энергии в основном используют органическое топливо, ядерную энергию, теплоту Земли и Солнца, вторичные энергетические ресурсы, низкопотенциальную теплоту. Доля возобновляемых (альтернативных) источников энергии в теплоснабжении не превышает 10%, однако они перспективны. Источники теплоты централизованных систем теплоснабжения в основном работают на твердом, жидком котельном и газообразном топливах. Децентрализованные системы теплоснабжения работают на твердом и частично на газообразном топливах. Централизация систем теплоснабжения достигает 70—80%, основными источниками теплоты являются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и крупные котельные установки (тепловые станции). На базе ТЭЦ создана теплофикация — система централизованного теплоснабжения, позволяющая сократить расход топлива для выработки теплоты и электроэнергии на 20—25%.
В больших системах теплоснабжения широко используют котельные установки мощностью 100—500 МВт. Они могут работать совместно с ТЭЦ. Котельные установки используют как самостоятельные источники в локальных системах теплоснабжения или при совместной работе нескольких котельных на общую сеть. Для централизованного теплоснабжения помимо крупных районных котельных используют квартальные и групповые с нагрузкой 15—100 МВт, для теплоснабжения сельских и малых населенных пунктов — котельные мощностью до 15 МВт, децентрализованные домовые (местные) и поквартирные источники теплоты.
В отопительных котельных в большинстве случаев устанавливают водогрейные котлы, но применяют и паровые котлы, приготовляя горячую воду для теплоснабжения в пароводяных подогревателях.
Теплота топлива, сжигаемого в топках котлов, передается циркулирующей в системе теплоснабжения воде и нагревает ее до 150°С. После котлов часть воды рециркуляционными насосами подается в обратную линию для подогрева поступающей в котлы воды, чтобы ее температуpa была выше температуры точки росы отходящих газов. В этом случае не будет конденсации водяных паров из газов и исключается коррозия поверхностей нагрева. Рецеркуляцию применяют также для того, чтобы поддерживать постоянный расход воды через котлы, в противном случае возникают неравномерное распределение воды по трубкам котла, локальное вскипание ее и пережог трубок. Основной расход воды поступает в подающую магистраль тепловой сети. Для снижения температуры и поддержания ее соответственно графику качественого регулирования осуществляется подмешивание охлажденной воды по перемычке из обратной линии. Количеством подмешиваемой воды управляет регулятор, устанавливая температуру горячей воды в зависимости от температуры наружного воздуха. Циркуляцию воды в системе теплоснабжения осуществляет насос. Подпитку системы химически очищенной водой производит через регулятор подпиточный насос.
При использовании котельных установок в качестве источников теплоты систем теплоснабжения экономических ограничений на температуру воды в подающей линии нет, т.к. в данном случае не вырабатывается электроэнергия. Это открывает возможность для количественного метода регулирования подачи теплоты потребителям, когда в течение всего года поддерживается постоянная максимальная температуpa. Этот метод можно применять при сплошной автоматизации систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжение у потребителей. При количественном регулировании уменьшаются диаметры теплопроводов, снижается площадь поверхности нагрева теплообменник аппаратов горячего водоснабжения и сокращается расход энергии на перекачку теплоносителя. Кроме того, при поддержании в течение года высокой температуры в подающей линии снижается скорость наружной коррозии труб, увеличивается срок их службы и повышается надежность теплоснабжения. Однако повышение температуры теплоносителя увеличивает потери теплоты через трубопроводы.
Мощным источником для теплоснабжения городов и промышленности является ядерная энергия, занявшая значительное место в энергоснабжении передовых стран мира. Так, во Франции 79% электроэнергии вырабатывается на АЭС, в Бельгии около 70%, в ФРГ более 40%. В странах СНГ на АЭС вырабатывалось более 10% всей электроэнергии. Чернобыльская катастрофа приостановили развитие атомной энергетики, привела к прекращению выработки электроэнергии на ряде АЭС. Очевидно, атомная энергетика будет создаваться на других научных, инженерных, социальных и психологических основах.
Под воздействием ударов нейтронов ядра атома урана расщепляются на 2—3 осколка с получением новых ядер и нейтронов. Процесс сопровождается выделением очень большого количества энергии. Так, 1 кг разложившегося урана выделает теплоты примерно в миллион раз больше, чем 1 кг природного газа. Выделившиеся при расщеплении нейтроны воздействуют на другие атомы урана и расщепляют их. Возникает процесс с возрастающей скоростью, не зависящей от температуры, и способный приобрести цепной характер. Но нейтроны могут теряться непроизводительно, процесс может затормозиться и полностью прекратиться. Ввиду малых размеров встреча нейтронов и ядер маловероятна, поэтому нейтроны обладают большой проникающей способностью, легко проходя сквозь вещество. Во избежание торможения цепной реакции из-за потерь нейтронов в окружающую среду количество вещества, участвующего в процессе, должно быть больше критической массы. Для этого реактор делают большим и активную зону окружают отражателями.
Способность урана к делению не одинакова у различных изотопов. Атомы U238 могут делиться только под действием очень быстрых нейтронов, а атомы U — под воздействием как быстрых, так и медленных нейтронов, причем для их деления наиболее эффективны медленные нейтроны, движущиеся с тепловыми скоростями.
Снижение скорости нейтронов достигается с помощью замедлителей — чистого графита, тяжелой и простой воды. При движении в них нейтроны не захватываются, а быстро теряют скорость. Уран помещают в замедлитель небольшими порциями на некотором расстоянии одна от другой. Быстрые нейтроны вылетают в замедлитель, их скорость снижается до тепловой, и они поглощаются ураном U , расщепляя его. Выделившаяся энергия отводится из реактора теплоносителем. Цепным процессом управляют с помощью стержней, выполненных из кадмия и бора, хорошо поглощающих нейтроны. Стержни-поглотители вводят в активную зону на различную глубину, замедляя размножение нейтронов и уменьшая скорость цепного процесса.
В естественных рудах содержание U ~ 0,7%. В реакторах, использующих слабообогащенный U, — двуокись урана.
В мировой практике атомной энергетики наибольшее распространение получили водяные энергетические реакторы (ВВЭР) с электриеской мощностью 900—1400 МВт (тепловая мощность больше в 3 раза). ВВЭР имеют толстостенный стальной корпус, заполненный обычной водой, которая выполняет функцию замедлителя и теплоносителя одновременно. Активная зона расположена внутри корпуса. Для предотвращения закипания вода находится под давлением. Вода как замедлитель обладает высокой эффективностью, поэтому у этих реакторов компактная топливная решетка. На отечественных АЭС построены реакторы ВВЭР-440 (электрическая мощность 440 МВт, тепловая — 1375 МВт), освоен ВВЭР-100. Технологическая схема блока с ВВЭР-440 — двухконтурная с шестью петлями. Петля включает главный насос, парогенератор, задвижки, стальные трубопроводы диаметром 500 мм. Второй контур имеет общепринятую схему. Принципиальная схема АЭС с реакторами ВВЭР-440 предусматривает возможность присоединения любого из шести парогенераторов к любой из двух турбин. Мощность турбин 2x220 - 440 МВт. Производительность одного парогенератора 425 т/ч. Давление пара перед турбиной 4,4 МПа. Реактор устанавливают в шахте. По радиусам вокруг нее располагают помещения циркуляционных петель со всем оборудованием. Помещения гермегичны и отделены от других. Перегрузка топлива осуществляется 1—2 раза в год. Длительность остановки реактора для перегрузки 7—8 суток. Ядерное топливо в виде таблеток диаметром около 1 см и высотой 1,5 см собирается в колонку (200 штук) и загружается в тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) — пустотелый цилиндр, выполненный из циркония с 1 % ниобия. Длина ТВЭЛ примерно 3,5 м, диаметр 5,36 см. ТВЭЛ собирают в кассеты и загружают в замедлитель реактора — воду, которая под давлением 12,5 МПа (ВВЭР-440) циркулирует через реактор и парогенератор, образуя первый контур. Второй контур включает парогенератор, где получается пар с давлением 4,4 МПа, и турбину. Пар расширяется на лопатках турбины, конденсируется в конденсаторе и насосом подается в парогенератор. На АТЭЦ пар расширяется в турбине частично и конденсируется в теплофикационных подогревателях, через которые циркулирует сетевая вода, образуя третий контур.
Для теплоснабжения можно использовать следующие атомные источники: конденсационные АЭС с нерегулируемыми отборами пара, атомные котельные ACT, атомные теплоэлектроцентрали АТЭЦ. В странах СНГ накоплен некоторый опыт использования АЭС для теплоснабжения строительных площадок и поселений при АЭС.
Основными источники теплоты централизованных систем теплоснабжения — паротурбинные ТЭЦ и котельные установки — работают на органическом топливе. В районах, обеспеченных природным газом, целесообразно применение на ТЭЦ газовых турбин и парогазовых установок, но для практического применения таких установок требуются дальнейшие научно-инженерные разработки.