На тепловых станциях процесс превращения энергии происходит посредством нагрева воды до состояния пара, и вращением турбины посредством этого произведенного пара.

Процесс превращения воды в пар происходит в паровых котлах, на входе вода, на выходе котла получают пар с температурой около 555 градусов, и давлением 130 атм.

Данный пар проходит турбину, за счет своей энергии вращает вал турбины и генератора, и на выходе турбины попадает в конденсатор, где снова превращается в воду, и начинает новый цикл.

Теоретически можно этот пар не конденсировать, а действовать по принципу паровоза: выбрасывать его в атмосферу. Но практически, вода, из которой получен этот пар, и в которую он потом снова превращается, является дистиллятом, т.е. высокоочищенным теплоносителем. Поэтому его не выбрасывают, а со всей бережностью стараются сохранить.

Т.е. процесс выглядит так: подача воды в котел-превращение воды в пар-подача пара в турбину-совершение паром полезной работы-подача пара в конденсатор-превращение в конденсаторе  пара снова в воду-подача воды в котел.

Этот процесс получил даже обособленное название: термодинамический цикл Ренкина.

Данный процесс происходит путем подвода энергии к воде/пару, за счет топлива, ядерной реакции и т.п.

Одним из основных термодинамических параметров в теплоэнергетике является понятие энтальпии, если попросту, то сколько энергии содержится в теплоносителе (далее – теплосодержание). Чем более теплоноситель нагрет, тем больше его теплосодержание. Более того, как известно из уроков школьной физики, процесс кипения происходит при постоянной температуре. Т.е. вода закипит на кастрюле при достижении примерно температуры 100 град, и эта температура будет держаться на этом уровне, пока вся вода не выкипит.

Процесс кипения и конденсации называются фазовыми превращениями вещества. Фазовые превращения также изменяют теплосодержание воды/пара: при кипении теплосодержание увеличивается, при конденсации уменьшается.

Т.е. если мы имеем воду и пар при температуре, например, 100 град, и одинаковом давлении, то теплосодержание (энтальпия) пара будет больше, чем у воды.

Теплосодержание было вычислено опытным путём, и были составлены специальные таблицы, которыми и пользуются специалисты. В настоящий момент эти таблицы уже существуют в виде онлайн калькуляторов.

Т.к. мы имеет два разных состояния: вода и пар, то потребовалось выбрать единицу вещества, для которого будет нормироваться теплосодержание. Единицу объема (м3) использовать неудобно, т.к. вода занимает значительно меньший объем, чем пар той же массы. В итоге теплосодержание высчитывают в расчете на 1 кг вещества, а само тепло выражается в джоулях (килоджоулях). Поэтому теплосодержание (энтальпия) имеет размерность кДж/кг. (Конечно, есть также внесистемные единицы – например, калории, в них теплосодержание будет выражаться в ккалл/кг. Но все эти единицы связаны между собой жестким отношением, и перевести одну в другую труда не составляет. )

Станции с таким функционалом получили наименование ТЭЦ – ТеплоЭлектроЦентраль.  Т.е. на выходе и электричество и тепло.  ТЭЦ является частным случаем ТЭС – ТеплоЭлектроСтанции.

Турбины, которые имеют теплофикационный отбор (в реале отборов несколько), свое название начинают с буквы «Т»: Т-110-130, Т-50-130 и т.п.

Можно вообще весь пар использовать для нагрева воды, тогда конденсатор не нужен (точнее, им выступает бойлер) и потерь тепла в атмосферу практически нет. Такие турбины называются «турбины с противодавлением» и свое название начинают с буквы «Р»: Р-50-130, Р-25-29 и т.п.

Иногда потребителю нужна не горячая вода, а пар, поэтому существуют турбины и для этой цели. Пар на производство обычно требуется с температурой не менее 220 град, поэтому параметры отборов у таких турбин выше, чем у чисто теплофикационных отборов. Таки турбины называются «ПТ»: ПТ-80-130, ПТ-60-130 и т.п.

У всех вышеперечисленных турбин первая цифра (110, 50, 25 и т.п.) – это электрическая мощность, вторая – давление пара в атмосферах (в данном случае у всех 130 атм).

Насколько оно не бесплатное, можно оценить двумя путями.

Первый путь – через стоимость топлива. Сделаем это для более простого случая – турбины типа Р, т.е. весь пар после турбины идёт на отопление.

В результате, вместо того, чтобы использовать всё теплосодержание пара на выработку электрической энергии (3 834 – 121=3 723 кДж/кг), мы на это используем только часть (3 834 – 2 810= 1 024 кДж/кг), а остальное (2 810 – 121= 2 689 кДж/кг) на выработку тепла.

Соотношение затрат тепла на электроэнергию к затратам тепла на тепловое снабжение составляет 1 024/2 689=1:2,62 . Если взять стоимость топлива (угля, газа и т.п.), то по такой формуле получается, что большая его часть расходуется на отопление.

Например, если оптовая цена газа, получаемая ТЭЦ, составляет 50 долл/тыс м3, то из этих 50 долл сумма 13,8 долл тратится на выработку электроэнергии, а 36,2 долл – на тепло, при этом  стоимость и тепловой энергии и электрической одинакова в расчете за МВт*ч.

Очевидно, что с инженерной точки зрения данный расчет некорректен. Причина этого в том, что электроэнергию в тепло мы можем перевести очень легко, почти со 100% КПД, а вот обратную операцию – тепло в электроэнергию – переводить довольно сложно, и осуществляется это на паровых тепловых станциях с КПД не выше 42% (типичное значение 40%). Т.е. тепло, которое «идет» на выработку электроэнергии, должно быть минимум в 2,5 (1:40%=2,5) раза дороже, чем тепло, идущее на теплоснабжение. Если ранее соотношение затрат тепла на электроэнергию к затратам тепла на тепловое снабжение составляло 1:2,62, то с учетом данного факта соотношение уже будет  1:1. Соответственно, примерно половина себестоимости топлива тратится на выработку электроэнергии, и половина – на тепло.

На самом деле ситуация ещё сложнее: дело в том, что для выработки тепла не нужны ни турбина, не генератор,  достаточно одного котла.  И напротив, турбина и генератор нужны ТОЛЬКО для выработки электроэнергии. Поэтому справедливо было бы капзатраты на турбогенераторное хозяйство перекладывать именно на выработку электроэнергии. Собственно, так и поступают.

Более того, ситуация ещё сложнее: дело в том, что электроэнергии можно получить из пара тем больше, чем больше давление и температура этого пара.  Грубо говоря, предпочтительнее пар с температурой 400 град, по сравнению с паром температурой 200 град. Поэтому один и тот же пар, но имеющий разные параметры, имеет также разную способность совершать работу. В последнее время в СССР вводили понятие т.н эксергетического КПД, который как раз и учитывал данную работоспособность. Если считать эксергетический КПД, то температуру пара перед турбиной надо повышать до предела. Судя по тому, что китайцы строят станции с температурой уже выше 600 градусов, они это понимают. А вообще в топке топливо сгорает с температурой 1800-2200 градусов, вот это и есть предельная возможная (другой вопрос, достижимая или нет) температура пара.

Для турбин типа Т или ПТ расчет распределения затрат ещё сложнее, т.к. все-таки часть энергии пара уходит в конденсатор.

А пока у нас на постСССР принята сравнительная методика определения затрат на выработку тепла и электроэнергии: сравнивают ТЭЦ и отдельно конденсационную станцию и котельную одинаковой мощности с ТЭЦ.