ТЕХНОЛОГИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕЙСТВУЮЩИХ ЗОЛОШЛАКОВЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЯХ

ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗОЛОШЛАКОВЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ В ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ РОССИИ

В России 30 % электрической и 100 % тепловой энергии ежегодно вырабатывается за счет сжигания энергетических углей. История тепловых станций начинается с 20-х гг. прошлого столетия. В настоящее время средний возраст тепловых станций составляет 50-60 лет. Географически тепловые станции привязаны либо к крупным промышленным узлам, населенным пунктам, либо к местам добычи бурого угля (к месторождениям). К первым отнесем гг. Омск, Барнаул, Новосибирск, Красноярск, Благовещенск, Зелено- горек, ко вторым - гг. Гусиноозерск, Лучегорск, Шарыпово, Назарово. При этом расположение золошлаковых накопителей может быть рядом с жилой застройкой (Новосибирск, Красноярск, Лучегорск, Благовещенск, Назарово) либо на расстоянии нескольких километров (Зеленогорск, Шарыпово, Северск, Омск). На рис. 6.1-6.4 представлено взаиморасположение золошлаковых накопителей и городской застройки.

Основные характеристики ГРЭС и их технологические показатели даны в табл. 6.1, 6.2. В наиболее населенной части РФ с развитой промышленностью концентрация ГРЭС с большой единичной мощностью наиболее значительна. Единичная мощность станций в Центральной части РФ, на Урале, в Северо-Западном и Южном округах превосходит аналогичные показатели станций в регионах, географически расположенных восточнее г. Омска. За период работы всех станций (табл. 6.1,6.2) в их накопителях размещено суммарно не менее 500 млн т золошлаковых материалов.

В табл. 6.2 перечислены ГРЭС, расположенные восточнее г. Омска. Отметим то, что суммарная мощность по электрической

Фрагмент городской территории г. Омска с расположением золошлакового накопителя Омской ТЭЦ-5 на расстоянии 5 км

Рис. 6.1. Фрагмент городской территории г. Омска с расположением золошлакового накопителя Омской ТЭЦ-5 на расстоянии 5 км

от городской застройки

Фрагмент городской территории г. Новосибирска с расположением золошлакового накопителя Новосибирской ТЭЦ-3

Рис. 6.2. Фрагмент городской территории г. Новосибирска с расположением золошлакового накопителя Новосибирской ТЭЦ-3

на берегу р. Обь

Фрагмент городской территории пгт. Березовка (пригород Красноярска, справа) с расположением золошлакового накопителя Красноярской ТЭЦ-1 (слева)

Рис. 6.3. Фрагмент городской территории пгт. Березовка (пригород Красноярска, справа) с расположением золошлакового накопителя Красноярской ТЭЦ-1 (слева)

Фрагмент промышленной площадки Красноярской ГРЭС-2 (справа) в 7 км от ЗАТО г. Зеленогорска (слева расположен золошлаковый накопитель)

Рис. 6.4. Фрагмент промышленной площадки Красноярской ГРЭС-2 (справа) в 7 км от ЗАТО г. Зеленогорска (слева расположен золошлаковый накопитель)

Таблица 6.1

Тепловые электростанции на территории Северо-Западного, Центрального, Южного и Уральского округов РФ

Название ГРЭС

Год ввода в эксплуатацию

Электрическая нагрузка, МВт

Тепловая

нагрузка,

Гккал

Площадь золонакопи- теля, га

Верхнетагильская

1950

1500

480

528

Каширская

1922

1910

400

125

Киришская

1965

2 595

1 234

500

Новочеркасская

1965

212

75

233

Рефтинская

1963

3 800

350

891

Рязанская

1973

3 070

180

345

Серовская

1954

538

220

147

Смоленская

1978

630

66

88

Троицкая

1960

2059

315

304

Черепетская

1953

1285

-

504

Череповецкая

1976

1050

39

496

Южноуральская

1952

882

395

610

Итого

-

19531

3 754

4771

энергии меньше на 4000 МВт, чем мощность станций в табл. 6.1. Это объясняется наличием в этих регионах крупных ГЭС (Саяно- Шушенская, Красноярская, Братская, Усть-Илимская, Богучанская) на р. Енисей, Ангара.

В зависимости от мощности на одной тепловой станции за один год сжигается от 1,0 до 6,0 млн т энергетического угля. При этом образуется тонкодисперсная зола уноса, которая через дымовые трубы выбрасывается в атмосферу, и зола со шлаками, удаляемыми из котлов путем смешивания последних с водой в соотношении 1:8-1:10. Чаще всего золонакопители располагают на берегах рек, из которых производят забор воды на нужды тепловой станции. Для выработки потребляемой электрической и тепловой энергии используется бурый и каменный энергетический уголь с теплотворной способностью 4 000-5 000 ккал/кг. Потребность в энергетических углях покрывается за счет его добычи в Красноярском крае, Кузбассе, Хакасии, Забайкальском, Хабаровском и Приморском краях. Кроме того, объем угля на уровне 25-27 млн т поставляется на станции РФ из

Таблица 6.2

Тепловые электростанции на территории Сибирского и Дальневосточного округов РФ

Название ГРЭС

Год ввода в эксплуатацию

Электрическая

нагрузка,

МВт

Тепловая

нагрузка,

Гккал

Площадь золонакопи- теля, га

Беловская

1964

1 200

123

180

Березовская

1987

1 600

860

121

Барнаульские ТЭЦ 2-3

1955-76

769

2833

390

Гусиноозерская

1976

1 130

224

272

Красноярская

1957

1250

976

180

Приморская ГРЭС

1974

1467

237

390

Назаровская

1961

1300

870

120

Нерюнгринская

1985

600

1220

240

Новосибирские ТЭЦ-2-5

1941-85

2412

6890

455

Омские ТЭЦ-4,5

1965

1 130

3235

768

Томь-Усинская

1958

1345

278

420

Хоронорская

1995

655

329

190

Южно-Кузбасская

1951

584

551

147

Итого

-

15442

18626

3 873

Казахстана (разрезы Экибастуза). Динамика потребления угля на электростанциях представлена на рис. 6.5 [153, 154].

Объем потребления угля на станциях условно разделяют на две составляющие: уголь для выработки электрической и уголь для выработки тепловой энергии. В этой связи пики потребления угля на графике объясняются средней зимней температурой, а также состоянием экономики в целом в стране. Как было отмечено, в угольной генерации образуются золошлаковые материалы в объеме примерно 10 % от сжигаемого угля, из них 48-53 % - это мелкодисперсная зола уноса, которая частично оседает на электрофильтрах и частично уносится через дымовые трубы тепловых станций, а вторая половина - крупнодисперсная зола и шлаки - размещается при помощи жидкого золошлакоудаления в накопителях. Последние располагаются рядом с промышленной площадкой станции (1-2 км) либо на расстоянии до 10 км от нее.

В ближайшие годы в РФ ожидается экономический рост. Это, в свою очередь, приведет к увеличению генерации энергии и автоматически к росту объемов добычи угля на разрабатываемых месторождениях на 5-7 %. Прогнозный сценарий развития экономики РФ можно охарактеризовать тремя стратегиями в потреблении энергии: стабильное (неизменное) потребление, увеличение и снижение объемов потребления электрической и тепловой энергии. Изменение объемов потребления угля по возможным сценариям экономического развития РФ представлено на рис. 6.6.

Объем золы и шлака определяется функциональной зависимостью от объема сжигаемого угля. Изменение объемов образующихся золы и шлака по трем сценариям экономического развития РФ отражено на рис. 6.7.

Отдельно остановимся на технологиях строительства ограждающих дамб накопителей для предварительных укрупненных расчетов отрицательного воздействия на ОПС. В строительстве дамб используют горные породы с низкими дренирующими характеристиками (глины, суглинки). Для отсыпки ограждающих дамб применяют глины, суглинки с коэффициентом фильтрации воды не более 5><10'3 м/сут. Эти горные породы разрабатывают без предварительного рыхления гидравлическими экскаваторами типа «обратная лопата» с емкостью ковша 1,5-2,0 м3. Грунт транспортируют автосамосвалами грузоподъемностью 20-25 т. На местах погрузки и выгрузки грунта постоянно находится бульдозер типа Т-170. Дамбы отсыпают по периметру накопителя. Размеры дамбы следующие: ширина по низу 12 м, ширина по верху 8 м, высота 4 м. Параллельно с отсыпкой дамбы начинают ее уплотнение дорожными катками.

Все задействованные в этих работах механизмы оснащены двигателями внутреннего сгорания мощностью 180-300 л.с., работающими на дизельном топливе. Эмиссия вредных веществ, выделяемых при работе, рассчитана для условий транспортирования глины на расстояние 10-20 км. Для условий работы тепловых станций (табл. 6.1, 6.2) потребуется грунт суммарным объемом 10,7 млн м3. Этот объем необходимо уложить в тело очередной ограждающей дамбы накопителей. В расчетах выделена постоянная составляющая эмиссии - это не зависящая от расстояния транспортировки работа механизмов: экскаваторов, бульдозеров. Место разработки глин находится на расстоянии не менее 10 км. Шаг изменения расстояния транспортировки принят равным 5,0 км.

Результаты расчетов даны на рис. 6.8.

Изменение потребления угля электростанциями РФ

Рис. 6.5. Изменение потребления угля электростанциями РФ

в период с 2000 по 2018 г.

Изменение объема потребления угля на ГРЭС РФ

Рис. 6.6. Изменение объема потребления угля на ГРЭС РФ

Изменение объема золы и шлака, размещаемого в накопителях

Рис. 6.7. Изменение объема золы и шлака, размещаемого в накопителях

ГРЭС, в угольной генерации РФ

Эмиссия загрязняющих веществ при строительстве ограждающих дамб на золошлаковых накопителях тепловых электрических станций РФ

Рис. 6.8. Эмиссия загрязняющих веществ при строительстве ограждающих дамб на золошлаковых накопителях тепловых электрических станций РФ

В получении глины для строительства ограждающих дамб обычно используют бугры, холмы и т.п., т.е. неудобные земли. В тех ситуациях, когда грунт для строительства дамб невозможно получить на неудобных землях, задействуют земли сельскохозяйственного либо общего назначения. При глубине экскавации грунта 2,0 м необходим земельный участок суммарной площадью 540 га для ГРЭС, представленных в табл. 6.1, 6.2. При увеличении глубины экскавации этот показатель может уменьшиться. После выемки грунта на отработанных участках проводят комплекс работ по рекультивации нарушенных земель, состоящий из двух этапов - горнотехнического и биологического. Эти работы неизбежно приведут к увеличению эмиссии вредных веществ на 15-20 % от объемов эмиссии при строительстве дамб.

В период эксплуатации золошлаковых накопителей могут возникать деформации в теле ограждающих дамб, что влечет за собой выполнение работ по ремонту участков дамб, нарушенных этими деформациями. На наш взгляд, состояние любого накопителя с момента его строительства и ввода в эксплуатацию характеризуется функциональной зависимостью, где в качестве переменных выступают геометрические размеры и время, необходимое для его заполнения. Сегодняшняя практика говорит о том, что все действующие накопители достигли той точки, после прохождения которой возможен выход системы (состояние накопителя) из устойчивого равновесия. Об этом свидетельствуют технологические и гидрогеологические факторы: рост накопителя в высоту; чрезмерное обводнение основания нижней ограждающей дамбы, что снижает в целом прочностные характеристики каскада дамб; появление и развитие деформационных процессов в теле ограждающих дамб; дренирование технологической воды за контуры накопителя.

В современных экономических условиях РФ, с одной стороны, невозможность в ближайшие годы эксплуатировать накопители без наращивания новых дамб, а с другой - необходимость инвестирования в строительство новых накопителей (1,2-1,5 млрд руб. для одной тепловой станции) делают весьма актуальным создание новых технологий эксплуатации действующих накопителей с учетом минимизации финансовых издержек, техногенного воздействия на окружающую природную среду. В настоящее время необходимо решать вопросы, связанные с выбором и принятием одного из альтернативных вариантов размещения золошлаковой пульпы: продление жизненного цикла действующего накопителя при условии, что производство работ по эксплуатации накопителя будет сопровождаться минимальным воздействием на ОПС; консервация действующих и строительство новых накопителей.

Как показывает анализ мест географического расположения накопителей, большинство из них находятся на рельефе местности с перепадом высот 3-8 м. В этой связи количество дамб, ограждающих накопитель, может быть разным. На тех участках, где высота накопителя максимальна по отношению к другим его участкам, наиболее вероятно возникновение в его теле деформационных процессов. Выявление таких процессов обычно проводится следующим комплексом полевых и расчетно-аналитических работ:

  • - визуально осматривают откосы и основаня ограждающих дамб и в особенности самое пристальное внимание уделяют нижней дамбе;
  • - устанавливают возможные зоны деформационных изменений ограждающих дамб и определяют их геометрические размеры;
  • - изучают физико-механические и инженерно-геологические свойства грунтов, находящихся как в основании нижней дамбы, так и в ее теле;
  • - используя информацию предыдущего пункта, выполняют расчеты для оценки устойчивости ограждающих дамб;

- определяют точки дренирования технологической воды (если таковые имеются) за контуры ограждающих дамб.

Оценить целостность тела накопителя позволяет изучение территории, прилегающей к нему. В случае просачивания воды из накопителя на прилегающей территории его расположения возникают техногенные водоемы, заполняемые водой с показателем Рн = $-10. При многолетнем дренаже технологической воды образуются мертвые водоемы с придонными отложениями мелкодисперсной золы. Эти отложения могут достигать 1-1,5 м. При расчете коэффициента запаса устойчивости откосов ограждающих дамб используют значения угла внутреннего трения грунта, угла наклона основания накопителя, влажности грунта, высоты каскада дамб в целом. Многолетние наблюдения и расчеты показывают, что запас прочности каскада ограждающих дамб значительно снижается в реальных условиях эксплуатируемых накопителей. Снижение значения коэффициента запаса устойчивости менее 1,0 свидетельствует о появлении деформационных изменений, происходящих в то или иное время в ограждающем контуре. Если оценка состояния накопителя говорит о невозможности его дальнейшей эксплуатации, разрабатывают комплекс работ по приведению его состояния в нормальное.

В современных условиях электрической и тепловой генерации продление жизненного цикла действующих золошлаковых накопителей должно предусматривать невысокие затраты на комплекс работ по строительству новых ограждающих дамб. Новые инженерные решения должны обеспечить стабильную эксплуатацию накопителей, их приемлемость и адаптацию к различным климатическим зонам и конфигурациям накопителей. Параллельно с этим необходимо снижение эмиссии загрязняющих веществ и снижение площади земель, изымаемых для формирования ограждающих дамб.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >