Очень кратко остановимся на устройстве ТЭС, принципиальная схема которой показана на рис. 49. Топливо (уголь, мазут — продукт переработки нефти, точнее сказать, остаток, образующийся после отгонки из нефти бензина, керосина и других легких фракций, или природный газ) подается в топку котла 5 и там сжигается. За счет выделившегося при этом тепла вода нагревается и испаряется, образуется водяной пар при температуре насыщения, определяемой давлением в котле и тем более высокой, чем больше давление. Далее пар поступает в перегреватель 1, в котором его температура повышается до требуемой величины.
Рис. 50. Способ преобразования тепловой энергии в механическую в паровой турбине.
В последние десятилетия широкое применение нашли прямоточные котлы. Схема устройства прямоточного котла очень проста: он представляет собой змеевик, в один конец которого подается относительно холодная вода, а из другого конца выходит перегретый пар. Давление воды, подаваемой в прямоточный котел, часто создается выше критического (критическое давление воды составляет около 225 атм.).
Из котла (пароперегревателя) перегретый пар поступает в паровую турбину 2, назначение которой — превращать тепловую энергию пара в механическую. Как это видно из рис. 50, пар поступает в сопла турбины. Сопла, принадлежащие к статору турбины и поэтому остающиеся неподвижными, представляют собой сделанные из металла каналы, профиль которых выполнен таким образом, чтобы скорость струи пара возрастала (па выходе из сопел скорость пара нередко превышает скорость звука). Увеличение скорости струи пара происходит за счет уменьшения его тепловой энергии (при этом давление и температура пара понижаются).
Выходя с высокой скоростью из сопел, струя пара попадает на рабочие лопатки турбины, укрепленные на специальных дисках, жестко связанных с валом. Таким образом, вал турбины, диски и рабочие лопатки, вместе взятые, представляют собой вращающуюся часть турбины — ее ротор.
Проходя по каналам между рабочими лопатками, струя пара значительно снижает свою скорость. Другими словами, кинетическая энергия струи пара превращается в кинетическую энергию ротора турбины.
Важно заметить, что струя пара, теряя свою скорость, заставляет вращаться ротор турбины отнюдь не за счет удара о стенки лопаток. Напротив, конструктор турбины стремится к тому, чтобы избежать такого удара, или по крайней мере, если возможно, его уменьшить. Ротор приводится в движение единственно потому, что струя пара, протекая по криволинейному каналу между рабочими лопатками, оказывает давление на вогнутую поверхность лопаток, как показано на рисунке. Это давление есть единственная причина превращения кинетической энергии струи пара в кинетическую энергию ротора турбины.
Ротор турбины представляет собой одно целое с ротором электрического генератора. Поэтому струя пара, воздействуя на рабочие лопатки, приводит во вращение не только ротор турбины, но и жестко (с помощью муфты) связанный с ним ротор электрического генератора. Таким образом, тепловая энергия пара превращается в электрическую энергию.
Если мы снова посмотрим на схему ТЭС, то увидим, что пар, выходящий из турбины, имеющий температуру, близкую к температуре среды (около 25 °C) и давление около 0,04 атм, поступает в конденсатор 3. Протекающая по трубкам конденсатора охлаждающая вода отнимает тепло от пара, превращает его в воду (конденсат), которая с помощью питательного насоса 4 вновь подается в котел. Цикл замыкается.
Необходимо высказать несколько соображений, касающихся ТЭС. Прежде всего о топливе. Поскольку в котлах ТЭС можно использовать любое низкосортное топливо, желательно, конечно, применять здесь не продукты переработки нефти или природный газ — ценные вещества, нужные для многих других целей, — а уголь или сланцы.
Как известно, для непрерывного производства электроэнергии из тепла необходимо иметь два источника тепла: верхний, с более высокой температурой, и нижний, с более низкой температурой. Известно также, что чем больше разность температур, тем выше может быть коэффициент полезного действия (КПД) процесса превращения тепла в электрическую энергию.
Что касается низкотемпературного источника тепла, то здесь выбирать не приходится: природа дала нам такой источник в виде окружающей среды. Под низкими широтами (ближе к экватору) этот источник заметно теплее, под верхними (ближе к полюсам Земли) — холоднее.
Наоборот, верхний источник тепла в подавляющем большинстве случаев создается человеком, хотя имеются такие естественные источники тепла, как Солнце и геотермальное тепло Земли. Наиболее широко в качестве горячих источников используется тепло, образующееся в результате сжигания органического топлива, и тепло, выделяющееся в ядерных реакциях. В первом случае может быть достигнута температура в пределах 3000 К (в специальных условиях она может достигать 4000 К), во втором случае — неограниченно высокая.
Однако на самом деле температуру водяного пара перёд входом в турбину в настоящее время не поднимают выше 550 °C. Конечно, если бы увеличить начальную температуру водяного пара с 550 °C, например, до 700 °C, то теоретический (термический) КПД увеличился бы с 63,5 до 69,2 %. Но этого пока не делают. Причина заключается в том, что при повышении начальной температуры свыше 550 °C необходимо использовать другие, высококачественные, но зато значительно более дорогие металлы, особенно для таких ответственных частей турбины, как, например, рабочие лопатки, которые испытывают большие механические напряжения при высокой температуре. Увеличение КПД ТЭС при переходе к температуре пара выше 550 °C не окупает повышенных расходов на металл.
Еще один важный вопрос. Значительно выгоднее сооружать тепловые станции, которые снабжают потребителей не только электроэнергией, но и теплом. Такие электростанции называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). ТЭЦ отличаются от обычных ТЭС тем, что из турбины пар выходит с температурой не 25–30 °C, как на ТЭС, а значительно более высокой: 100–150 °C (в зависимости от нужд потребителя). Конечно, в этом случае электроэнергии будет выработано меньше, но зато оставшаяся неиспользуемой в турбине тепловая энергия (например, в виде горячей воды) будет передана тепловому потребителю.
Может возникнуть такой вопрос. Почему бы не сооружать для тепловых потребителей специальные водогрейные котлы, в которых подогревать воду именно до той температуры, которая нужна потребителю? Поступать так, конечно, можно. Более того, чаще всего именно так и делается, но это очень невыгодно. При сжигании топлива только для получения тепла, например для отопления, весь «температурный напор» примерно от 1500 °C (обычная температура продуктов сгорания в таких котлах) до 100 °C (температура воды, нужная тепловому потребителю) теряется, хотя он мог бы быть частично использован (от 550 до 100 °C) для выработки электроэнергии.
Действительно, КПД хорошей ТЭС близок всего лишь к 40 %, в то время как коэффициент использования тепла[358] на ТЭЦ достигает 60–70 %. В Советском Союзе построено большое число ТЭЦ, их общая мощность превышает 50 млн. кВт.
Чем выше давление пара, поступающего в сопла турбины тем, при той же температуре выше КПД ТЭС (или ТЭЦ). Именно поэтому за последние десятилетия широкое использование получил пар сверхвысокого давления (порядка 240 атм).
И наконец, во многих, если не во всех, отраслях техники проглядывается общая тенденция: увеличение мощности отдельных агрегатов. Это в полной мере относится и к теплоэнергетике. 300, 500, 800, 1200 тыс. кВт — таков рост мощности турбогенераторов за последние 30 лет, а вместе с ними паровых котлов и другого оборудования. Тенденция эта вполне оправданна. С ростом мощности отдельных агрегатов растет их КПД и, что, пожалуй, самое главное, снижается величина удельных капитальных вложений.
