Пар работаетПаровые котлы Первый паровой котел построил
для своего водо-лодъемного насоса в 1698 г. англичанин Томас Се-вери. Это
был железный бак, под которым в топке разводили огонь. Затем вместо бака
стали применять длинный (10-12 м) цилиндр диаметром около 1,5 м. Его окружали
каменной кладкой, а под ним разводили огонь. Поверхность нагрева, т. е.
поверхность, омываемая горячими газами, у таких котлов была очень мала.
Поэтому пара они производили мало, давление в котле не превышало 1 МПа,
а из-за того, что горячие газы по большей части бесполезно уходили в трубу,
к. п. д. котла был очень низким. Большая часть топлива сгорала впустую.
Такие котлы выпускались до середины XIX в.
В начале XVIII в. были предложены
котлы иной конструкции: с горизонтальными дымогарными трубами, через
которые проходят горячие газы. Трубы эти со всех сторон были окружены водой.
Сначала делали одну-две трубы большого диаметра (их называли жаровыми),
потом
множество труб малого диаметра (дымогарных). Такие газотрубные
котлы
ставились на паровозах, пароходах и локомобилях. И у этих котлов тепло
горячих газов также использовалось еще очень плохо, а давление пара не
удавалось поднять выше 1,5-1,8 МПа.
Вот почему гораздо большее
распространение получили мощные водотрубные котлы, у которых почти
вся вода находится в тонких длинных трубах, омываемых горячими газами.
Трубы располагаются горизонтально или вертикально и соединяются с барабаном
небольшого диаметра. В нем пар отделяется от воды. Труб сотни, и потому
поверхность нагрева котла получается огромной, измеряемой сотнями и тысячами
квадратных метров, а паропроизводитель-ность достигает сотен тонн пара
в час. Водотрубные котлы позволили поднять давление пара до 20 МПа и выше.
Тепло горячих газов они используют исключительно хорошо: их к. п. д. достигает
90-95%- Горячие газы не только кипятят воду в трубах, превращая ее в пар,
но и подогревают свежую -питательную - воду и подающийся в топку воздух.
Чтобы повысить энергию пара, его также подогревают горячими газами в трубах
пароперегревателя.
В результате газы с пользой отдают почти все свое тепло и выходят в
дымовую трубу, имея температуру всего лишь 140-160° С.
Наконец, в конце XIX в. были
предложены прямоточные котлы. У этих котлов нет барабанов для отделения
пара от воды. Вода превращается в пар по мере движения по трубам: с одной
стороны в трубы подается вода, а с другой - выходит пар. Труб бывает обычно
несколько десятков, общая их длина достигает километра, а располагаются
они в шахте котла зигзагообразно. В нашей стране прямоточные котлы строятся
с 1930 г.
Паровые котлы современной
электростанции - сооружения высотой с 10-12-этажный дом. Производительность
их доходит до 2500 т пара в час, а давление пара достигает 30 МПа при температуре
650° С. Проектируются котлы и много большей производительности: за час
в них будет испаряться 3600 т воды! Столько воды потребляет в сутки поселок
на 8-10 тыс. жителей!
Паровые котлы: а - газотрубный;
б -
водотрубный ; в - прямоточный.
Когда-то давно котлы топили
дровами или крупными кусками угля. Сейчас уголь предварительно размалывают
в тонкую пыль и вдувают в топку через форсунки. В качестве топлива используют
также мазут, природный газ, торф и др. Но особенно широко, и чем дальше,
тем больше, применяют природный газ - самый дешевый вид топлива.
Паровая машина
"Двигатель, универсальный
по своему техническому применению" - такое определение дал паровой машине
К. Маркс. Сто лет она была единственным промышленным двигателем буквально
всюду: на предприятиях, на железных дорогах и на флоте. Паровые машины
стояли и на первых автомобилях. Они вращали роторы генераторов первых электрических
станций. На транспорте паровые машины работали вплоть до 50-х годов XX
в. Кое-где пароходы и паровозы встречаются и сейчас.
Современный паровой котел (фрагмент). Такой
котел - очень сложное сооружение, его опутывают сотни метров труб. По одним
из них подается вода, по другим - уходит пар.
Схема паровой машины.
Первая паровая машина двойного
действия, т. е. такая, у которой пар подавался поочередно - то с одной
стороны поршня, то с другой, была построена в 1784 г. Дж. Уаттом (см. ст.
"Джеймс Уатт"), Главная ее часть - цилиндр, закрытый с обоих концов
крышками. Сквозь одну из них пропущен шток (стержень), на котором
внутри цилиндра укреплен поршень. Снаружи цилиндра шток ходит по
направляющим и с помощью шатуна соединяется с кривошипом
- искривленной в виде буквы П частью вала. На валу сидит маховик,
благодаря
которому вращение вала, а следовательно и движение поршня, происходит более
равномерно. В обеих крышках цилиндра имеются отверстия: в них впускается
пар - сначала с одной стороны, а когда поршень дойдет до противоположного
конца цилиндра - с другой. Управляет впуском пара распределитель - золотник.
Его приводит в движение золотниковый валик с шатуном, связанный с валом
машины через эксцентрик. Особое приспособление - кулиса - позволяет
изменять моменты впуска пара в цилиндр, регулировать длительность впуска
- мощность машины, давать задний ход и останавливать машину.
Пар, выходящий из цилиндра,
можно просто выпускать в воздух. Однако это невыгодно, потому что тогда
его анергия будет использована не до конца, И если, скажем, на паровозах,
где мало места, с этим приходилось мириться, то на морских судах, не говоря
уже о стационарных энергетических установках, пар выпускают в конденсатор
- охлаждаемый водой сосуд, где пар превращается в воду, конденсируегся.
При этом в конденсаторе образуется разрежение, и на поршень действует уже
увеличенная (почти на 0,1 МПа) разность давлений между свежим и
отработавшим
паром. Именно благодаря конденсатору Уатту удалось получить от своей
машины увеличенную мощность. Воду из конденсатора (конденсат)
направляют
обратно в котел. К началу XX в. паровые машины достигали мощности 15 МВт,
самые быстроходные из них развивали до 1000 об/мин, а к. п. д. их возрос
с 0,3% (увы, именно таков был к. п. д. машины Уатта) до 20%. И все-таки
они уже не соответствовали тем требованиям, которые предъявляла техника.
Они были тяжелыми, громоздкими и не обещали никакого дальнейшего повышения
экономичности. Их все больше и больше вытесняли паровые турбины и двигатели
внутреннего сгорания.
Паровая турбина Паровая турбина работает
по тому же принципу, что и водяная, только в ней колесо с лопатками вращается
паром, а не водой. Но эта разница коренным образом повлияла на конструкцию:
паровая турбина ничуть не похожа на водяную. Начать с того, что у ' нее
не один диск с лопатками и не один направляющий аппарат, а несколько. Почему
это так? Потому что пар совершенно не похож по своим свойствам на воду.
В отличие от воды он может
приобрести кинетическую энергию (см. т. 3 ДЭ, ст. "Механика") только в
том случае, если будет течь из области высокого давления в область низкого
давления, иными словами - если будет расширяться. Как и у паровой машины,
у турбины имеется конденсатор, давление в котором 0,0035-0,004 МПа, а давление
в котле -30 МПа, таким образом, пар расширяется почти в 10 тыс. раз! Технически
невозможно создать турбину с одним рядом лопаток, которая бы обеспечила
такое гигантское расширение. Поэтому в одноступенчатой
турбине достаточно
полно использовать энергию пара не удается, к. п. д. ее получается низким,
и таких турбин сейчас не строят.
На роторе мощной паровой турбины рабочие
колеса, которым пар отдает свою энергию.
Многоступенчатая турбина
несравненно лучше по своему к. п. д.: проходя мимо многочисленных рядов
лопаток, пар расширяется постепенно, и, таким образом, его кинетическая
энергия переходит в энергию вращения ротора более полно. Чем ниже давление,
тем длиннее лопатки - сразу, глядя на ротор, можно сказать, в каком направлении
будет идти пар.
Машинный зал тепловой электростанции с
паровыми турбинами (слева и в центре) и турбогенераторами. 
Общий вид тепловой электростанции (макет).
Паровые турбины, как и гидравлические,
подразделяют на реактивные и активные. В реактивных турбинах
пар расширяется, проходя между лопатками направляющего аппарата и между
лопатками ротора. У активных расширение происходит только в то время, когда
пар проходит через направляющий аппарат (в одноступенчатых турбинах старой
конструкции расширение происходило в специальных трубках - соплах).
Паровые турбины были изобретены
в конце XIX в. В 1884 г. англичанин Ч. Парсонс создал -реактивную, а в
1889 г. швед Г. Лаваль - активную турбину.
В нашей стране первая паровая
турбина была изготовлена в 1924 г. на Ленинградском металлическом заводе.
Она использовала пар давлением 1,2 МПа при температуре 300° С и развивала
мощность 2 МВт. На Ленинградском и Харьковском заводах выпускаются в настоящее
время турбины мощностью 500 и 800 МВт, идет подготовка к созданию турбины
в 1,2 ГВт, а в проектировании находятся турбины неслыханной мощности -
около 2 ГВт! Советское турбостроение сегодня - это передовое турбостроение
мира.
Паровые турбины используются
сейчас на морских судах (мощность их сравнительно невелика: до 30 МВт)
и для привода генераторов электростанций - именно для них-то и создаются
турбины колоссальных мощностей.
К. п. д. современных турбин
достигает 40-42%, он непрерывно повышается, хотя довольно-таки медленно.
Тепловая электростанция
(ТЭС) Первая в России тепловая
электростанция с паровыми турбинами была построена в 1906 г. в Москве.
Ее турбоагрегаты (турбины и электрогенераторы) развивали мощность всего
5 МВт. Сейчас на теплоэлектростанциях СССР работают турбоагрегаты мощностью
до 800 МВт.
В первое время тепловые электростанции
строились по такой схеме: из нескольких сравнительно маломощных котлов
пар-поступал в общую сеть, откуда он разводился по турбинам. Сейчас станции
сооружаются по блочной схеме: мощный котел и турбина (моноблок)
или
два котла меньшей мощности и турбина (дубль-блок). Когда тепловая электростанция
с паровыми турбинами строится вдали от городов, то весь отработавший пар
отводится в конденсаторы, где он превращается снова в воду и опять поступает
в котел.
Такие электростанции называют
конденсационными. В городах и вблизи заводов
- потребителей пара и горячей воды - электростанции не только вырабатывают
электроэнергию, но и снабжают дома и заводы теплом. Такие электростанции
называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Пар, проходящий через лопатки
турбины, в определенных местах частично выводят из турбин наружу и направляют
либо на заводы, либо в теплообменники. Там перегретый пар отдает тепло
воде и превращает ее во вторичный пар, который уже идет по трубам
на заводы и в бойлерные - здания, где тоже установлены теплообменники,
но иного типа. Там паром нагревается вода и идет в квартиры: в батареи
центрального отопления и в краны горячей воды. ТЭЦ использует энергию,
заключенную в топливе, в 2-3 раза экономичнее, чем конденсационная электростанция.
Кроме основных агрегатов
- котлов, паровых турбин, электрических генераторов - на электростанциях
имеется немало вспомогательных устройств. Это, во-первых, сооружения водоподготовки:
ведь в котлы должна поступать не обычная вода, а особо чистая. Поэтому
предварительно воду фильтруют, удаляют из нее соли кальция и магния (те
самые, из-за которых в чайниках образуется накипь), иначе они быстро вывели
бы из строя и котел и турбину, а также другие соли. Очищают воду и от малейших
следов масла, и от растворенного в воде кислорода (он вызывает коррозию
стальных труб и лопаток). На конденсационных электростанциях потребность
в такой подпиточной воде относительно невелика, на ТЭЦ же она весьма
значительна, особенно когда пар от турбин отбирается безвозвратно для нужд
теплофикации.
Во-вторых, к вспомогательным
службам относятся и установки топливоподготовки. На электростанциях, работающих
на угле и торфе, топливо, перед тем как сжечь, превращают в мелкую пыль.
Это делают на угольных и торфяных мельницах.
Для создания хорошей тяги
устанавливают мощные дымососы, а чтобы очищать газы, уходящие в трубу,
от золы, устраивают золоуловители и фильтры различных конструкций, в том
числе и электрические.
До 1955 г. основным топливом
у нас в стране был уголь, а сейчас все больше электростанций переводится
на более выгодное топливо - природный газ. Запасы газа в нашей стране огромны,
что и предопределяет его важную роль в производстве электроэнергии. Однако
это вовсе не означает, что угольные электростанции постепенно исчезнут.
Запасы угля весьма велики, особенно в Сибири, и там предполагается строительство
новых мощных тепловых станций, энергия которых по линиям электропередачи
будет идти в Центральную часть СССР и на Урал. Тепловые электростанции
вырабатывают около 80% всей электроэнергии как в нашей стране, так и во
всем мире (вместе с атомными электростанциями, которые по сути тоже тепловые,
но используют внутриядерную энергию урана или другого радиоактивного вещества).
Доля их в производстве электроэнергии останется, судя по всему, неизменной
до конца XX в.
В 1966 г. на юге Камчатки, в долине реки
Паужетки, была пущена первая в СССР геотермическая электростанция.
На снимке: макет Паужетской геотермической
электростанции.
Геотермические электростанции
и гелиостанции Геотермические электростанции
используют
внутреннее тепло Земли. На глубине 2-3 км от ее поверхности температура
недр превышает 100° С. Циркулирующую на больших глубинах воду можно вывести
на поверхность по буровым скважинам и использовать для теплотехнических
целей. В вулканических районах термальные воды находятся ближе всего к
поверхности Земли и имеют высокую температуру (часто они непрерывно выделяются
там в виде пара). В нашей стране первая геотермическая ГЭС мощностью 5
МВт была пущена в 1966 г. на юге Камчатки - в районе вулканов Кошелева
и Камбального, в долине реки Паужетки. В сепараторах от поступившей через
буровую скважину воды отделяется пар. Он подается в турбины, а горячая
вода с температурой около 120° С отводится для теплоснабжения близлежащих
поселков. Станция очень проста по устройству, не требует топлива, а энергия,
вырабатываемая ею, обходится много дешевле, чем энергия, которую дают местные
дизельные электростанции.
За рубежом подобные станции
строят в Италии, Новой Зеландии, США, Японии.
Гелиостанции работают
на тепловой энергии солнечных лучей. Попытки использовать солнечную энергию
относятся еще к середине XVIII в., а в 1912 г. близ Каира (Египет) была
построена солнечная энергетическая установка мощностью около 45 кВт. Но
гелиоустановки всецело зависят от Солнца. Работают они не более нескольких
часов в сутки, да и то лишь в хорошую погоду. Поэтому к ним особый интерес
проявляют главным образом космонавты: ведь в космосе всегда "день". Правда,
на космических кораблях и станциях пока предпочитают использовать более
совершенные полупроводниковые преобразователи солнечной энергии.
|
