С 1824 года, когда Сади Карно установил, что экономичность тепловой установки определяется лишь высшей и низшей температурами цикла и не зависит от вида рабочего тела, инженеры оставили поиски веществ, с помощью которых они надеялись повысить экономичность паровой машины.
Но Карно был не только гениальным ученым, но и талантливым инженером.
«Экономия топлива - это лишь одно из условий, которое должны выполнять тепловые машины; при многих обстоятельствах оно второстепенно, оно часто должно уступать первенство надежности, прочности и долговечности машины, малому занимаемому месту, дешевизне ее установки и т. д.»,
А эти перечисленные Карно показатели очень сильно зависят от свойств рабочего тела. Вот почему, как только в энергетике появляются новые идеи, как только к ней предъявляются новые требования, теплотехники привычно тянутся к термодинамическим таблицам рабочих тел. Так было в 1900-х годах, когда на смену паровой машине пришла турбина, способная развивать в одном агрегате огромные мощности. Последующие перестройки в большой энергетике обошлись бы слишком дорого, поэтому важно было сразу правильно выбрать рабочее тело. Из длинного списка веществ, включавшего и весьма экзотические, вроде ртути, тетрабромида, перхлорнафталина, была снова выбрана вода.
Однако для ядерной энергетики середины XX века, заставившей вновь пересмотреть список рабочих тел, ответ оказался уже не таким однозначным. Здесь сейчас применяют и газы, и воду, и органические жидкости, и жидкие металлы. Быстрый рост мощности энергетических систем вновь обратил внимание теплотехников на вопрос о рабочих телах. 40-х годах редко встречались системы мощностью больше 1 млн. квт. Тогда-то и было решено, что мощность одного агрегата не должна превышать 7-10% от мощности всей системы. Иначе аварийное или ремонтное отключение одной только турбины доставляло бы потребителям слишком серьезные неприятности.
Но сейчас мощность энергетических систем стала расти быстрее, чем мощность одного агрегата. Она нередко достигает 10-12 млн. квт, а иногда даже 40 млн. квт! Для таких систем выгодны агрегаты в 1 млн., а то и в 3-5 млн. квт. Их создание - чрезвычайно сложная проблема, которую энергетики надеются решить с помощью новых рабочих тел.

ВОДА

Какое бы рабочее тело ни применялось в тепловой установке, его температура на выходе из турбины должна быть максимально близкой к температуре окружающей среды, то есть к 20° С. В противном случае горячий пар бесполезно охладится в конденсаторе, не совершая никакое работы. Вот здесь-то водяной пар и показывает себя не с лучшей стороны. При 20° С у него давление всего 0,025 кг/см², а объем 1 кг достигает 55 м³!
Если вспомнить, что расход пара на конденсатор турбин мощностью 800 тыс. квт-1600 т/час, то ясно, каких гигантских размеров должны быть последние ступени. Даже при разделении всего выхлопного потока на 8 частей высота лопатки последней ступени достигает почти метра!
Что касается высшей температуры, то ее, наоборот, следует максимально приближать к температуре в топке котла. Жаропрочные стали уже сейчас выдерживают 700-750° С.
Однако в агрегатах применять такой пар невыгодно. При давлении 240 ата и температуре 565° С кпд установки составляет около 41%. Расчеты показывают, что при 350 ата и 650° С можно кпд поднять до 43%, однако затраты на это повышение уже не окупаются экономией топлива.
Отсюда видно, что создание пароводяной установки даже на 1 млн. квт наталкивается на серьезные трудности.

ВОЗДУХ

В самом деле, может быть, воздух окажется более подходящим, чем водяной пар? И может быть, на смену паровым турбинам в энергетике в ближайшем будущем придут газовые? К сожалению, этого не произойдет. Газовая турбина по сравнению с паровой имеет два существеннейших недостатка. Во-первых, сжать газ гораздо труднее, чем повысить давление в жидкости, поэтому мощность компрессора газотурбинной установки в несколько десятков раз превышает мощность насоса паротурбинной. А во-вторых, температура выхлопа газовой турбины примерно в десять раз выше, чем паровой.
Именно поэтому даже при начальной температуре в 750° С кпд газовой турбины всего 37%. Правда, при 1000° С она догоняет паровую. Но, судя по всему, газотурбинные установки на 1000° С едва ли будут созданы к 1980 году. Ведь металлурги повышают жаростойкость сталей всего на 10° С в год! Парогазовые установки (см. «Техника - молодежи» № 8, 1962 г.) позволяют компенсировать недостатки и газовой и паровой турбин, но они превращаются в сложные, громоздкие сооружения уже при мощности 400-600 тыс. квт. Стоит ли рассматривать их как перспективные, если сейчас нужны сверхмощные агрегаты в 2-5 млн. квт?

УГПЕКИСЛОТА

Но, пожалуй, наиболее интересные и перспективные результаты может дать предложение ученых Одесского технологического института, которые предлагают вместо воды и воздуха использовать углекислоту. Она сравнительно дешева, термостойка, неядовита, взрывобезопасна, негорюча.
При температурах ниже 31° С и давлениях больше 76 ата углекислота превращается в жидкость. Благодаря этому при низких температурах она становится жидкостью. Но стоит нагреть ее выше 31° С, как она приобретает все свойства газа. Таким образом, уже в самой природе этого рабочего тела заложена возможность сочетания в одной установке парового и газового циклов.
Интересно, что трудности, присущие паротурбинной установке, здесь даже не возникают. При температуре 20° С углекислота имеет давление 60 ата. При этом 1 кг занимает объем всего 5 л (по сравнению с 55 тыс. л у водяного пара при температуре 20° С). Поэтому при такой же высоте лопатки, что и у паровой турбины в 50 тыс. квт, на углекислоте можно получить мощность в 10 раз большую, то есть 0,5 млн. квт)
Основную сложность газового цикла - огромную мощность компрессора - преодолеть также легко. Перед сжатием углекислоту-газ превращают в углекислоту-жидкость, которую сжимают насосом с малой затратой мощности. Нагрев сжатую жидкую углекислоту, ее снова превращают в газ, избежав больших затрат энергии на сжатие.
Правда, экономичность простейшего углекислотного цикла оказалась всего 37%. Но в 1958 году инженер В. Дехтерев, усовершенствовав цикл, получил кпд в 45% при начальной температуре в 650° С.
Дальнейшие расчеты показали, что при начальной температуре 800° С, правда при несколько усложненной схеме, можно повысить кпд до 52%. А это всего на 3% ниже кпд магнитогидродинамических генераторов, которые работают при 3000° С и считаются перспективными для 1975-1980 годов.
Итак, уже сейчас кпд 45% вместо 41%! Мощность 500 тыс. квт вместо 50 тыс.! Возможность в ближайшем будущем довести кпд до 52%, а единичную мощность до 2-3 млн. квт! Вот что дают первые прикидки.
Следующее слово - за ленинградскими и харьковскими конструкторами, проектирующими опытно-промышленную установку на 50 тыс. квт и промышленную на 500 тыс. квт.

залил в html А. Семенов, октябрь, 2012 г.
__________________________________________________ [ вверх ] [ оглавление ]

Оптимизирован под Internet Explorer 1024X768
средний размер шрифта
Дизайн A Semenov