Александр Проценко - Энергетика сегодня и завтра

Чем меньше расходуется топлива на производство 1 киловатт-часа электроэнергии, тем лучше. 1 киловаттчас — 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 электродуколлектору (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.

У таких котлов есть еще несколько интересных особенностей. Псевдосжиженный слой на 90 процентов состоит из песка; в этот слой, разогретый пламенем газовой горелки, и подается угольная пыль. Частицы угля горят и передают свое тепло песчинкам. Каждая крупинка топлива достаточно долго находится во взвешенном слое и успевает сгореть полностью. Кстати, в топках с кипящим слоем можно сжигать не только уголь, но также торф, дерево, резину, битумные сланцы, опилки и городские отбросы.

Правда, при продувании воздухом уносится некоторая доля частиц. Беспокоит также быстрая эрозия трубок парогенератора. Чтобы трубки служили дольше, их делают ребристыми. Впрочем, достоинства перевешивают недостатки. Так, благодаря хорошей теплоотдаче поддерживается невысокая температура слоя — 800–850 °C. Образуется гораздо меньше окислов азота. Если же в топку добавлять пылевидные частицы доломита или известняка, то они вступят в реакцию с окислами серы и образуют сульфат кальция, удаляемый с золой. Это очень эффективный способ уменьшения выбросов серы.

Дальнейшее масштабное наращивание мощностей электростанций и котельных на угле невозможно без решения экологических проблем, связанных с использованием угля. О восстановлении ландшафта уже говорилось. Эта цель достижима. А вот удастся ли очистить дымовые газы — пока еще не до конца ясно. Так, на конденсационных электростанциях, удаленных от городов (так как они не производят тепла), при сжигании за один час 1000 тонн низкосортного донецкого угля выбрасывается:

34 тонны шлака;

200 тонн золы;

230 тонн двуокиси углерода;