Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений
Полученный перегретый пар, имеющий высокое давление (100–140 атмосфер) и высокую температуру (500–580 °C) способен расширяться и совершать работу. По магистральным паропроводам этот пар передается в машинный зал, в котором установлены паровые турбины.
В паровых турбинах происходит преобразование потенциальной энергии пара в механическую энергию вращения ротора паровой турбины. В свою очередь, ротор соединен с ротором электрического генератора.
Принцип работы и устройство паровой турбины рассмотрены в статье «Электрическая турбина», поэтому останавливаться на них подробно мы не будем.
Паровая турбина будет тем более экономичной, т. е. тем меньше будет расходовать тепла на каждый выработанный ею киловатт-час, чем ниже будет давление пара, выходящего из турбины.
С этой целью пар, выходящий из турбины, направляют не в атмосферу, а в особое устройство, называемое конденсатором, в котором поддерживают очень низкое давление, всего 0,03–0,04 атмосферы. Достигается это понижением температуры пара при помощи охлаждения его водой. Температура пара при таком давлении составляет 24–29 °C. В конденсаторе пар отдает свое тепло охлаждающей воде и при этом происходит его конденсация, т. е. превращение в воду – конденсат. Температура пара в конденсаторе зависит от температуры охлаждающей воды и количества этой воды, расходуемой на каждый килограмм конденсируемого пара. Вода, служащая для конденсации пара, поступает в конденсатор при температуре 10–15 °C, а выходит из него при температуре около 20–25 °C. Расход охлаждающей воды достигает 50–100 кг на 1 кг пара.
Конденсатор представляет собой цилиндрический барабан с двумя крышками по торцам. В обоих концах барабана установлены металлические доски, в которых закреплено большое число латунных трубок. По этим трубкам проходит охлаждающая вода. Между трубками, обтекая их сверху вниз, проходит пар из турбины. Образующийся при конденсации пара конденсат удаляется снизу.
При конденсации пара большое значение имеет передача тепла от пара к стенке трубок, по которым проходит охлаждающая вода. Если в паре имеется даже незначительное количество воздуха, то передача тепла от пара к стенке трубки резко ухудшается; от этого будет зависеть и величина давления, которое надо будет поддерживать в конденсаторе. Воздух, неизбежно проникающий в конденсатор с паром и через неплотности, необходимо непрерывно удалять. Это осуществляется специальным аппаратом – пароструйным эжектором.
Для охлаждения в конденсаторе пара, отработавшего в турбине, используют воду из реки, озера, пруда или моря. Расход охлаждающей воды на мощных электростанциях очень велик и составляет, например для электростанции мощностью 1 млн квт, около 40 м3/сек. Если воду для охлаждения пара в конденсаторах забирают из реки, а затем, нагретую в конденсаторе, возвращают в реку, то такую систему водоснабжения называют прямоточной.
Если воды в реке недостаточно, то сооружают плотину и образуют пруд, из одного конца которого забирают воду для охлаждения конденсатора, а в другой конец сбрасывают нагретую воду. Иногда для охлаждения воды, нагревшейся в конденсаторе, применяют искусственные охладители – градирни, представляющие собой башни высотой порядка 50 м.
Нагретая в конденсаторах турбины вода подается на лотки, расположенные в этой башне на высоте 6–9 м. Вытекая струями через отверстия лотков и разбрызгиваясь в виде капель или тонкой пленки, вода стекает вниз, при этом частично испаряясь и охлаждаясь. Охлажденная вода собирается в бассейне, откуда насосами подается в конденсаторы. Такая система водоснабжения называется замкнутой.
Мы рассмотрели основные устройства, служащие для превращения химической энергии топлива в электрическую энергию на паротурбинной тепловой электростанции.
Работа электростанции, сжигающей уголь, происходит следующим образом.
Уголь подается железнодорожными составами широкой колеи в разгрузочное устройство, где при помощи специальных разгрузочных механизмов – вагоноопрокидывателей – выгружается из вагонов на ленточные транспортеры.
Запас топлива в котельной создается в специальных емкостях-хранилищах – бункерах. Из бункеров уголь поступает в мельницу, где он подсушивается и размалывается до пылевидного состояния. Смесь угольной пыли и воздуха подается в топку котла. При сгорании угольной пыли образуются дымовые газы. После охлаждения газы проходят через золоуловитель и, очистившись в нем от летучей золы, выбрасываются в дымовую трубу.
Выпавшие из топочной камеры шлаки и летучая зола из золоуловителей по каналам транспортируются водой и затем насосами перекачиваются в золоотвал. Воздух для сжигания топлива подается вентилятором в воздухоподогреватель котла. Перегретый пар высокого давления и высокой температуры, полученный в котле, по паропроводам подается в паровую турбину, где он расширяется до очень низкого давления и уходит в конденсатор. Образовавшийся в конденсаторе конденсат забирается конденсатным насосом и подается через подогреватель в деаэратор. В деаэраторе происходит удаление из конденсата воздуха и газов. В деаэратор поступает также сырая вода, прошедшая через водоподготовительное устройство, для восполнения потери пара и конденсата. Из питательного бака деаэратора насосом питательная вода подается в водяной экономайзер парового котла. Вода для охлаждения отработавшего пара забирается из реки и циркуляционным насосом направляется в конденсатор турбины. Электрическая энергия, выработанная генератором, соединенным с турбиной, отводится через повышающие электрические трансформаторы по линиям электропередачи высокого напряжения к потребителю.
Мощность современных ТЭС может достигать 6000 мегаватт и более при КПД до 40 %.
На ТЭС могут также применяться газовые турбины, работающие на природном газе или жидком топливе. Газотурбинные электростанции (ГТЭС) применяются для покрытия пиков электрической нагрузки.
Существуют также парогазовые электростанции, в которых энергетическая установка состоит из паротурбинного и газотурбинного агрегатов. Их КПД доходит до 43 %.
Преимуществом ТЭС по сравнению с гидроэлектростанциями является то, что их можно построить в любом месте, приблизив их к потребителю. Они работают практически на всех видах органического топлива, поэтому их можно приспособить к тому виду, который имеется в наличии в данной местности.
В середине 70-х годов XX в. доля электроэнергии, вырабатываемой на ТЭС, составляла примерно 75 % от общей выработки. В СССР и США она была еще выше – 80 %.
Основным недостатком теплоэлектростанций является высокая степень загрязнения окружающей среды углекислым газом, а также большая площадь, которую занимают отвалы золы.
Теплоход
К концу XIX в. на реках и морях господствовали пароходы. Но в это время стали особенно проявляться недостатки паровых поршневых двигателей: низкая экономичность, большая масса топлива, которую должен был брать пароход, отправляясь в плавание.
В 1880-е годы появились первые двигатели внутреннего сгорания – карбюраторные, работавшие на бензине или нефти. В 1892 г. немец Р. Дизель получил патент на изобретенный им двигатель, впоследствии названный его именем. Он работал на дешевых тяжелых видах топлива. Впервые двигатель Дизеля был построен в 1897 году.
Идея создания теплоходов была впервые выдвинута профессором Петербургского политехнического института К. П. Боклевским в 1898 году.
В этом же году чертежи двигателя Дизеля за 500 000 рублей купил один из владельцев русского «Товарищества братьев Нобель» Э. Нобель. Больше всего Нобеля привлекало то, что новый двигатель мог работать на тяжелом топливе.
Новый двигатель был изучен на заводе «Товарищества Нобеля» в Петербурге. В него были внесены изменения, в частности для того, чтобы он мог работать на нефти.
В 1899 г. этот двигатель был запущен. Он работал на нефти и развивал мощность в 25 л. с. Теперь Нобель хотел применить его в качестве судовой машины. Для этого были серьезные преграды. Дизель мог вращаться только в одну сторону и не имел реверса (заднего хода). При крайних положениях поршня запуск дизеля был невозможен. Регулировать работу дизеля, уменьшая или увеличивая частоту вращения вала, было крайне тяжело, а это не давало возможности менять скорость судна.
Дизель имел и свои преимущества по сравнению с паровыми двигателями. У него был высокий КПД, дизель потреблял в 4 раза меньше топлива по сравнению с паровыми машинами одинаковой мощности, что было особенно важно при большой дальности плавания. Заправка дизельного судна осуществлялась наливом, в то время как уголь грузился вручную.
Для того, чтобы новое судно могло маневрировать, Нобель дал инженерам распоряжение связать двигатель с гребным валом через передачу, позволявшую изменять направление вращения винта и число его оборотов.
