Теплоэнергетика

Теплоэнергетика, отрасль теплотехники, занимающаяся преобразованием теплоты в др. виды энергии, главным образом в механическую и электрическую. Для генерирования механической энергии за счёт теплоты служат теплосиловые установки; полученная в этих установках механическая энергия используется для привода рабочих машин (металлообрабатывающих станков, автомобилей, конвейеров и т. д.) или электромеханических генераторов, с помощью которых вырабатывается электроэнергия. Установки, в которых преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется без электромеханических генераторов, называются установками прямого преобразования энергии. К ним относят магнитогидродинамические генераторы, термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи энергии. 
 
  Преобразование теплоты в механическую энергию в теплосиловых установках основано на способности газо- или парообразного тела совершать механическую работу при изменении его объёма. При этом рабочее тело (газ или пар) должно совершить замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл). В результате такого цикла от одного или нескольких источников теплоты отбирается определённое количество теплоты Q₁ и одному или нескольким источникам теплоты отдаётся количество теплоты Q₂, меньшее, чем Q₁; при этом разность Q₁ – Q₂ превращается в механическую работу А_теор. Отношение полученной работы к затраченной теплоте называется термическим кпд этого цикла 
 
.   (1) 
 
В простейшем случае цикл может быть осуществлен при одном источнике теплоты с температурой T₁, отдающем теплоту рабочему телу, и одном источнике теплоты с температурой T_2, воспринимающем теплоту от рабочего тела. При этом в температурном интервале T₁ — T₂ наивысший кпд h_к = 1 — T₂/T₁ среди всех возможных циклов имеет Карно цикл, то есть h_к h_t. Кпд, равный 1, то есть полное превращение теплоты Q₁ в работу, возможен либо при T₁ = ¥, либо при T₂ = 0. Разумеется, оба эти условия нереализуемы. Важно ещё подчеркнуть, что для земных условий температура Т₂ для теплоэнергетических установок должна в лучшем случае приниматься равной температуре Т₀ окружающей среды (воздуха или водоёмов). Получить источник теплоты с температурой Т₂ < Т₀ можно лишь с помощью холодильной машины, которая для своего действия в общем случае требует затраты работы. Невозможность полного превращения теплоты в работу при условии, что все тела, участвующие в этих превращениях, будут возвращены в исходные состояния, устанавливается вторым началом термодинамики. 
 
  Процессы, протекающие в реальных установках, преобразующих теплоту в др. виды энергии, сопровождаются различными потерями, в результате чего получаемая действительная работа А_{действ.} оказывается меньше теоретически возможной работы А_теор. Отношение этих работ называется относительным эффективным кпд установки h_oe, то есть, 
 
.   (2) 
 
  Из формул (1) и (2) получаем А_действ= Q₁ × h_th_oe = Q₁h_e, 
 
где h_е = h_е×h_oe — эффективный кпд установки. При прочих равных условиях эффективность преобразования теплоты в работу зависит от температуры, при которой эта теплота передаётся рабочему телу. Максимальная работа, которая может быть получена за счёт некоторого количества теплоты Q, отбираемого при температуре T₁ при заданной температуре среды Т₀, называется работоспособностью, или эксергией l_a этой теплоты, то есть 
 
.   (3) 
 
  Из формулы (3), в частности, видим, что при T₁ = T₀ эксергия теплоты равна нулю. 
 
  В наиболее полном варианте установки, преобразующие теплоту в механическую работу (теплосиловые установки), включают: рабочее тело, осуществляющее замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл); системы подвода теплоты к рабочему телу от какого-либо источника тепловой энергии; одну или несколько машин, воспринимающих работу рабочего тела или отдающих ему работу; систему отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду. По способу передачи теплоты к рабочему телу различают установки с внешним подводом (теплота подводится к рабочему телу от внешнего источника в теплообменнике) и установки с внутренним подводом (рабочее тело — продукты сгорания топлива). 
 
  Тепловые электростанции. Основу современной Теплоэнергетика (1975) составляют теплосиловые установки паротурбинных электростанций, которые состоят из котлоагрегата и паровой турбины (так называемые паросиловые установки). В СССР на таких электростанциях в 1975 было выработано более 80% всей электроэнергии. В крупных городах чаще всего строятся теплофикационные электростанции (ТЭЦ), а в районах с дешёвым топливом — конденсационные электростанции (КЭС). 
 
  Отличие ТЭЦ от КЭС состоит в том, что ТЭЦ отдаёт потребителю не только электроэнергию, но и теплоту с сетевой водой, нагретой в бойлерах до 150—170 °С. Сетевая вода по магистральным теплопроводам подаётся в жилые массивы и далее либо непосредственно, либо через промежуточные теплообменники направляется на отопление и горячее водоснабжение. Турбины ТЭЦ помимо регенеративных отборов пара имеют один или несколько регулируемых теплофикационных отборов. Такая турбина работает по графику теплового потребления, и в наиболее холодное время года пропуск пара в конденсатор практически равен нулю. Отопление от ТЭЦ экономичнее, чем от индивидуальных и даже центральных котельных, так как на ТЭЦ сетевая вода подогревается отработавшим паром, температура (а значит, и эксергия) которого лишь немногим выше температуры сетевой воды. В котельных для повышения экономичности используется теплота при максимальной температуре горения топлива. 
 
  Упрощённая принципиальная схема конденсационной паротурбинной электростанции изображена на рис. В топке котлоагрегата сжигается топливо (уголь, мазут или природный газ). Необходимый для сгорания воздух, предварительно нагретый уходящими из котлоагрегата газами в рекуперативном воздухоподогревателе, подаётся в топку дутьевым вентилятором. Продукты сгорания отдают свою теплоту также воде и водяному пару в различных элементах котлоагрегата и с температурой 130—150 °С через золоуловитель поступают в дымосос, который выбрасывает их в дымовую трубу. Рабочее тело, преобразующее теплоту в механическую работу, — водяной пар. Перегретый водяной пар поступает из пароперегревателя и направляется в паровую турбину. Давление пара перед турбиной на крупных электростанциях достигает 35 Мн/м² при температуре 650 °С. В турбине пар поступает через неподвижные сопла в каналы, образованные криволинейными лопатками, закрепленными по окружности ротора, и, отдавая свою энергию, приводит ротор во вращение. Механическая энергия ротора турбины преобразуется в электроэнергию в электромеханическом генераторе. Паровая турбина чаще всего выполняется в двух или трёх корпусах. Пар, поступающий из первого корпуса турбины во второй, иногда вновь направляется в парогенератор для промежуточного перегрева в пароперегревателе. Отработав в турбине, пар конденсируется в конденсаторе, в котором поддерживается давление 0,003—0,005 Мн/м² и температура 25—29 °С. Полученный конденсат насосом подаётся в систему регенеративных подогревателей (где подогревается до 230—260 °С за счёт теплоты пара, отбираемого из турбины), а затем насосом — в экономайзер. После экономайзера вода поступает в барабан котла, а из него в размещенные на стенах топки экранные трубы, в которых происходит частичное испарение воды и из которых образовавшаяся пароводяная смесь возвращается в барабан, где насыщенный пар отделяется от воды и направляется в пароперегреватель и далее в турбину, а вода возвращается в экранные трубы. Для генерации пара сверхкритических параметров (давлением свыше 24 Мн/м²) используют прямоточные котлы. 
 
  Охлаждающая вода подаётся в конденсатор из естественных или искусственных водоёмов и, нагревшись в конденсаторе на несколько градусов, сбрасывается в этот же водоём. В конечном итоге температура охлаждающей воды возвращается к прежнему уровню за счёт испарения некоторой её части. При отсутствии достаточно больших водоёмов охлаждающая вода циркулирует в замкнутом контуре, отдавая теплоту воздуху в испарительных охладителях башенного типа — градирнях. В районах с недостатком воды применяют так называемые сухие градирни (градирни Геллерта), в которых охлаждающая вода отдаёт теплоту воздуху через стенку теплообменника. 
 
  Одна из основных тенденций развития тепловых электростанций — увеличение мощности единичных агрегатов (парогенераторов и паровых турбин), что позволяет быстрыми темпами наращивать энерговооружённость народного хозяйства. В СССР (1976) на КЭС осваиваются энергетические блоки мощностью 800 Мвт (сооружается блок мощностью 1200 Мвт), а на ТЭЦ — 250 Мвт. 
 
  На газотурбинных электростанциях теплосиловая установка представляет собой газотурбинный двигатель (ГТД). В камеру сгорания ГДТ подаётся топливо (природный газ или мазут) и сжатый в компрессоре до нескольких Мн/м² воздух. Сгорание топлива ведётся при больших коэффициентах избытка воздуха (2—4), что снижает температуру продуктов сгорания, которые направляются в газовую турбину. После турбины продукты сгорания либо отдают в регенераторе часть своей теплоты воздуху, направляемому в камеру сгорания, либо (в упрощённых схемах) сбрасываются в дымовую трубу. Механическая энергия ротора турбины в электромеханическом генераторе превращается в электрическую энергию и частично расходуется на привод компрессора. Газотурбинные электростанции применяются для энергоснабжения магистральных газопроводов (где есть горючий газ под давлением) и в качестве пиковых электростанций для покрытия нагрузок в часы «пик». К середине 70-х гг. суммарная мощность газотурбинных электростанций в мире превысила 2,5 Гвт. 
 
  Перспективны парогазотурбинные установки (ПГУ), в которых осуществляется комбинированный цикл газо- и паротурбинной установок. В зависимости от тепловой схемы различают: ПГУ, в которых пар давлением 0,6—0,7 Мн/м² из высоконапорного парогенератора направляется в паровую турбину, а продукты сгорания — в газовую турбину, служащую для привода воздушного компрессора и электромеханического генератора; ПГУ, у которых горячие отходящие газы газотурбинной установки поступают в топку парового котла для повышения в ней температуры или же которые служат для подогрева питателя воды в экономайзере котла. В ПГУ по сравнению с паротурбинными установками (тех же мощности и параметров) удельный расход теплоты на 4—6% меньше. 
 
  На дизельных электростанциях (ДЭС), в отличие от тепловых и атомных электростанций, электромеханические генераторы приводятся во вращение не турбинами, а двигателями внутреннего сгорания — дизелями. ДЭС служат для снабжения электроэнергией районов, которые удалены от линии электропередачи и где невозможно сооружение тепловых или гидроэлектрических станций. Мощность отдельных стационарных дизельных электростанций превышает 2,2 Мвт. 
 
  Атомные электростанции (АЭС). В подавляющем большинстве АЭС паротурбинные. От тепловых электростанций они отличаются тем, что вместо парогенератора с топкой они имеют ядерный реактор, в котором энергия деления ядер урана превращается в теплоту, отдаваемую теплоносителю первого контура, чаще всего воде. В теплообменнике (парогенераторе) этот теплоноситель передаёт теплоту рабочему телу (воде) второго энергопроизводящего контура, в результате чего рабочее тело (вода) испаряется, а полученный водяной пар направляется в паровую турбину. В некоторых случаях, в частности когда реактор охлаждается жидким металлом, между первым и вторым контуром из соображений безопасности вводится ещё один промежуточный контур с каким-либо теплоносителем. 
 
  Первая в мире АЭС (мощность 5000 квт) была построена в СССР в 1954. В 1964 суммарная мощность АЭС в мире составила 5 Гвт, а в 1974 — около 40 Гвт. По прогнозам к 1980 в мире на АЭС будет вырабатываться около 10% всей электроэнергии. Изменение структуры энергетического баланса в пользу АЭС определяется тем, что, хотя стоимость установленного квт на АЭС примерно на 80% выше, чем на др. тепловых электростанциях, расчётные затраты на производство электроэнергии примерно одинаковы. В дальнейшем следует ожидать повышения стоимости химического топлива, что сделает АЭС экономически более выгодными. 
 
  Транспортные теплосиловые установки. На автомобильном транспорте в качестве двигателей применяются главным образом теплосиловые установки — поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС) с внешним смесеобразованием (карбюраторные двигатели) и с внутренним смесеобразованием (дизели). В ПДВС рабочим телом служат продукты сгорания топлива. В рабочем цилиндре ПДВС осуществляются все процессы, необходимые для преобразования теплоты в механическую энергию: в цилиндр засасывается топливовоздушная смесь; здесь же эта смесь сгорает; образовавшиеся продукты сгорания, расширяясь, совершают полезную работу, отдаваемую через поршень внешним механическим устройствам; продукты сгорания поршнем же выталкиваются из цилиндра в атмосферу. Различие ПДВС прежде всего определяется разными термодинамическими циклами и, как следствие, проявляется в различном конструктивном оформлении. На железнодорожном транспорте до середины 20 в. основным двигателем была паровая машина — поршневая машина, работающая па водяном паре, генерируемом в отд. паровом котле. В 70-х гг. основу локомотивного парка всех промышленно развитых стран составляют тепловозы (локомотивы, оснащенные мощным дизелем) и электровозы. Перспективны газотурбовозы. В судовой энергетике используют все перечисленные выше виды теплосиловых установок — от небольших автомобильных двигателей до паротурбинных установок мощностью в десятки Мвт. В авиации для приведения в движение летательных аппаратов служат следующие тепловые двигатели: поршневые авиационные двигатели, передающие механическую энергию на воздушный винт: турбовинтовые двигатели, основная тяга которых создаётся воздушным винтом, а дополнительная тяга (8—12%) — в результате истечения продуктов сгорания; реактивные двигатели, тяга которых возникает при истечении с большой скоростью рабочего тела (продуктов сгорания топлива) из реактивного сопла (см. также Турбореактивный двигатель, Жидкостный ракетный двигатель, Ракетный двигатель). 
 
  Установки прямого преобразования тепловой энергии. Рассмотренные выше теплосиловые установки преобразуют теплоту в механическую энергию, которая на электростанциях превращается в электроэнергию с помощью электромеханических генераторов либо затрачивается на движение в двигательных установках. Однако возможно непосредственное преобразование теплоты в электроэнергию с помощью так называемых установок прямого преобразования энергии. Наиболее перспективны установки с магнитогидродинамическим генератором (МГД-генератором). Термодинамический цикл электростанции с МГД-генератором, работающим на продуктах сгорания органического топлива, аналогичен циклу газотурбинной установки. В камеру сгорания подаются топливо и сжатый воздух, предварительно подогретый до возможно более высокой температуры либо обогащенный кислородом. Это необходимо, чтобы тем или иным способом получить теоретическую температуру горения топлива — около 3000 К. При такой температуре продукты сгорания, к которым добавляют некоторое количество ионизирующейся добавки — щелочной металл (чаще всего калий), переходят в состояние плазмы и становятся достаточно электропроводными. В канале МГД-генератора кинетическая энергия плазмы непосредственно преобразуется в электроэнергию в результате взаимодействия потока плазмы с неподвижным магнитным полем МГД-генератора. После генератора продукты сгорания тем или иным способом охлаждаются, очищаются от ионизирующейся присадки и сбрасываются в дымовую трубу. Мощность отдельных МГД-генераторов на продуктах сгорания составляет несколько десятков Мвт (1975). Так как температура газов после генератора очень велика (более 2000 К), рационально использовать МГД-установку в комплексе с обычной паротурбинной станцией. В этом случае теплота, отбираемая от газов, идёт на производство пара для паротурбинной установки. Кпд такой комбинированной установки может достигать 50—60%. Такое повышение кпд очень важно также с точки зрения уменьшения тепловых выбросов электростанций в окружающую среду. Так, если принять, что кпд тепловой электростанции составляет около 40%, то при увеличении кпд до 60% количество сбрасываемой теплоты уменьшится примерно в 2,3 раза (при одинаковой электрической мощности станций). 
 
  Для малых энергетических установок специального назначения, например для бортовых источников электроэнергии космических кораблей, разрабатываются и находят применение термоэлектрические и термоэмиссионные установки прямого преобразования энергии. Термоэлектрический генератор (ТЭГ) состоит из двух полупроводниковых термоэлементов с разным типом проводимости — электронной и дырочной. С одного торца эти элементы соединяются между собой коммутационной пластиной, а к свободным их торцам присоединяются электрические контакты для подключения к внешней цепи. Если торцы (спаи) элементов поддерживать при различной температуре, то возникает термоэлектродвижущая сила, пропорциональная разности температур торцов. Когда цепь термоэлементов замкнута на внешнее сопротивление, в ней возникает электрический ток, при протекании которого в горячем спае начнёт поглощаться теплота, а в холодном — выделяться. Если пренебречь джоулевыми потерями в цепи (см. Джоуля-Ленца закон) и перетоком теплоты теплопроводностью от горячего спая к холодному, то кпд термоэлемента окажется равным кпд цикла Карно для температур, соответствующих температурам спаев. Действительные значения кпд термоэлементов и составленных из них ТЭГ существенно меньше и достигают при разностях температур между спаями в 400—500 К в лучшем случае нескольких процентов. Этим, а также высокой стоимостью самих термоэлементов объясняется малая распространённость ТЭГ, несмотря на их крайнюю простоту и отсутствие каких-либо движущихся частей. 
 
  Простейший термоэмиссионный преобразователь энергии (ТЭП) аналогичен двухэлектродной электронной лампе (диоду). Если катод и анод лампы поддерживать при разных температурах, подводя к катоду теплоту и отводя её от анода, то электроны, вылетающие из катода в результате термоэлектронной эмиссии, устремятся к аноду, заряжая его отрицательно. Если анод и катод во внешней цени соединить через какое-либо сопротивление, то за счёт разности потенциалов во внешней цепи пойдёт ток. Если пренебречь необратимыми потерями, кпд ТЭП также близок к кпд соответствующего цикла Карно. Реальный же кпд ТЭП не более 7—8%, прежде всего из-за больших потерь теплоты излучением между катодом, имеющим температуру около 2000 К, и анодом — около 1000 К. ТЭГ и ТЭП представляют интерес в сочетании с ядерными источниками теплоты, образуя полностью статичные автономные источники электроэнергии.