Энергетика сегодня и завтра

Чем меньше расходуется топлива на производство 1 киловатт-часа электроэнергии, тем лучше. 1 киловатт-час — это 860 килокалорий. На заре промышленной электроэнергетики для получения этого киловатт-часа нужно было сжечь 1300 граммов условного топлива, то есть затратить 9000 килокалорий. Значит, коэффициент полезного действия составлял всего 10 процентов. А сейчас на современных конденсационных электростанциях за счет прежде всего повышения температуры пара на получение одного киловатт-часа электроэнергии тратится всего около 330 граммов условного топлива.

На паротурбинных установках при давлении пара 240 атмосфер и температуре 540–565 °C был достигнут КПД 37–39 процентов. Когда же на опытных установках подняли температуру до 620–650 °C и давление до 300–350 атмосфер, КПД повысился до 40–41 процента!

Однако при таких параметрах очень сложно обеспечить надежную и длительную работу энергетического оборудования, поэтому за такими опытными установками серийные установки не последовали.

Как видели, каждый процент прироста КПД дается с огромным трудом. Но резервы есть. Так, можно повысить эффективность сжигания топлива в котлах, улучшить КПД турбины, использовать тепло газов, выходящих из котла, для подогрева питательной воды, уменьшить затраты энергии на собственные нужды станции и так далее. Открываются и новые возможности.

На очереди — комбинированные установки, их КПД может достигать 45–48 процентов. В них паровая турбина работает совместно с газовой. В камеру сгорания подается сжатый воздух после компрессора и топливо через форсунки. Горячие газы с температурой 900–1200 °C направляются в газовую турбину и совершают работу, вращая электрогенератор и компрессор почти со стопроцентным КПД. Выходящий с последних ступеней еще очень горячий газ, имеющий температуру около 500–600 °C, подается в парогенератор паровой турбины. Если температура газа, выходящего из газовой турбины, недостаточна для получения пара высоких параметров, то в парогенераторе сжигается дополнительное количество топлива.

Сейчас в нашей стране работают по несколько различным схемам две парогазовые установки: мощностью 200 мегаватт на Невинномысской ГРЭС в Ставропольском крае и 250 мегаватт на Молдавской ГРЭС. Но все же экономия топлива на этих ГРЭС невелика. Слишком низка температура газа на входе в газовые турбины — всего 750 °C. Более высокой температуры не выдерживают лопатки турбины, их надо научиться охлаждать. Тогда можно разогреть газ до 900–1200 °C и тем самым существенно повысить КПД.

Еще один путь — использование термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) тепловой энергии в электрическую. ТЭП — это электровакуумный прибор. В нем с разогретого до температуры 1300 °C электрода-эмиттера (катода) испускаются электроны и движутся к электроду-коллектору (аноду), температура которого 500 °C. В цепи, замкнутой внешней нагрузкой, протекает электрический ток.

ТЭП помещается в топку таким образом, чтобы эмиттер разогревался факелом горящего топлива. Коллектор, отделенный от эмиттера вакуумным зазором, через специальную прокладку отдает тепло трубам, в которых генерируется пар. Он используется в стандартной паротурбинной установке. КПД такой системы может достигать 45–47 процентов. Однако технико-экономические трудности остаются непреодолимыми. Пока не создано даже опытно-промышленной станции. Очень мала в ТЭПах плотность съема электроэнергии — не больше 5 киловатт с квадратного метра. Другими словами, для мощности 200 мегаватт потребовалось бы 40 тысяч квадратных метров площади эмиттеров! Кроме того, мало напряжение, создаваемое на одном модуле ТЭП, и их нужно соединять последовательно в длинные цепочки. Усложняются и инверторы — устройства для преобразования постоянного тока в переменный.

Хорошо бы научиться интенсифицировать горение угля в топках угольных станций. Например, в Ленинградском Центральном котлотурбинном институте (ЦКТИ) и в Ленинградском политехническом институте разработаны вихревые топки и топки с кипящим слоем. Благодаря более эффективному горению снижается расход топлива и выбросы вредных веществ. Если применить вихревую топку на Березовской ГРЭС, потребляющей канско-ачинские угли, то высоту главного корпуса удалось бы снизить со 130 метров до 80 и резко сократить расход металла на котлы, весящие сейчас по 30 тысяч тонн. Применяя же котлы с кипящим слоем, можно добиться экономии металла на 30–50 процентов, а объем уменьшить в 2–3 раза.

Как же работают столь привлекательные котлы с кипящим слоем? Оказывается, при продувании с большой скоростью воздуха между твердыми частицами они начинают вести себя словно кипящая жидкость («псевдосжиженный слой»). Если же повысить давление, то «кипящий» слой займет меньший объем; в него будет подаваться больше воздуха, а с ним — кислорода. Энерговыделение в единице объема резко возрастает, соответственно уменьшаются размеры котла. Тепло от частиц передается трубкам парогенератора, пронизывающим кипящий слой.