Паросиловая установка

Паросиловая установка — это совокупность оборудования, предназначенного для преобразования тепловой энергии водяного пара в механическую работу, которая затем может быть использована для привода генераторов электрического тока, насосов, компрессоров, судовых винтов и других механизмов. Паросиловые установки являются основой современной теплоэнергетики и составляют значительную часть генерирующих мощностей тепловых электростанций, атомных станций, а также используются на морском и железнодорожном транспорте.

История

Ранние прототипы

Первые попытки использования энергии пара для выполнения механической работы относятся к античности. В I веке н. э. Герон Александрийский описал эолипил — простейший паровой двигатель, представлявший собой полый шар с двумя изогнутыми соплами, вращающийся под действием реактивной силы выходящего пара. Однако это устройство не нашло практического применения.

Промышленная революция

Современная паросиловая установка берёт начало в XVII—XVIII веках. В 1698 году английский инженер Томас Севери запатентовал паровой насос для откачки воды из шахт. В 1712 году Томас Ньюкомен создал более совершенную паровую машину — атмосферный двигатель, в котором пар конденсировался в цилиндре, создавая вакуум, и поршень двигался под действием атмосферного давления. В 1765 году шотландский изобретатель Джеймс Уатт значительно усовершенствовал конструкцию, добавив отдельный конденсатор, что позволило повысить КПД и сделать машину пригодной для вращательного движения. Это изобретение стало ключевым фактором промышленной революции.

Развитие в XIX—XX веках

В XIX веке паросиловые установки стали основой транспорта (паровозы, пароходы) и промышленности. Появились паровые турбины: в 1884 году британский инженер Чарльз Парсонс создал многоступенчатую реактивную турбину, а в 1889 году шведский инженер Густав де Лаваль — активную турбину. Паровые турбины позволили значительно увеличить мощность и КПД установок, что привело к их широкому внедрению на электростанциях. В XX веке развитие паросиловых установок шло по пути повышения параметров пара (температуры и давления), внедрения промежуточного перегрева и регенеративного подогрева питательной воды.

Принцип работы

Основу работы паросиловой установки составляет термодинамический цикл Ренкина. В упрощённом виде он включает четыре основных процесса:

1. Нагрев и испарение воды в котле или парогенераторе. Вода под давлением поступает в теплообменник, где нагревается до температуры кипения и превращается в насыщенный пар. В промышленных установках часто используется перегрев пара для повышения его температуры выше точки насыщения, что увеличивает КПД.
2. Расширение пара в тепловом двигателе (паровой турбине или паровой машине). Пар высокого давления и температуры поступает в проточную часть двигателя, где расширяется, совершая работу по вращению ротора турбины или перемещению поршня. В результате давление и температура пара снижаются.
3. Конденсация отработавшего пара в конденсаторе. Отработавший пар охлаждается (обычно циркуляционной водой) и конденсируется, превращаясь в воду. Конденсатор поддерживает низкое давление на выходе из турбины, что увеличивает перепад давлений и, следовательно, работу, совершаемую паром.
4. Подача конденсата обратно в котел питательным насосом. Вода (конденсат) сжимается до давления, необходимого для подачи в котел, и цикл повторяется.

Основные элементы

Типовая паросиловая установка включает следующие основные компоненты:

• Паровой котел (парогенератор) — устройство, в котором происходит нагрев и испарение воды, а также перегрев пара. В качестве источника тепла могут использоваться органическое топливо (уголь, газ, мазут), ядерное топливо (на АЭС), солнечная энергия или тепло промышленных процессов.
• Паровая турбина (или паровая машина) — тепловой двигатель, преобразующий потенциальную энергию сжатого и нагретого пара в механическую работу вращения вала. В современных установках почти исключительно применяются паровые турбины.
• Конденсатор — теплообменник, в котором отработавший пар конденсируется, отдавая тепло охлаждающей воде.
• Питательный насос — устройство для подачи конденсата (питательной воды) обратно в котел под высоким давлением.
• Вспомогательное оборудование: системы регенеративного подогрева питательной воды, деаэраторы (устройства для удаления из воды растворённых газов), системы маслоснабжения, регулирующая арматура, контрольно-измерительные приборы.

Классификация

Паросиловые установки классифицируются по нескольким признакам:

По назначению

• Энергетические — предназначены для выработки электроэнергии на тепловых и атомных электростанциях. Обычно работают на высоких параметрах пара (давление до 30 МПа, температура до 620 °C).
• Промышленные — используются для привода компрессоров, насосов, вентиляторов на предприятиях (например, в металлургии, химической промышленности).
• Транспортные — применяются на судах (пароходы, турбоходы) и, исторически, на железнодорожном транспорте (паровозы). В настоящее время на судах часто используются паротурбинные установки, работающие на ядерном или органическом топливе.
• Отопительные — небольшие установки для теплофикации и горячего водоснабжения (часто в составе ТЭЦ).

По типу теплового двигателя

• Паротурбинные — с паровой турбиной. Наиболее распространены в современной энергетике.
• Паровые машины — с поршневым двигателем. В настоящее время практически вытеснены турбинами из-за низкого КПД и больших габаритов, но сохраняются в некоторых исторических и маломощных установках.

По параметрам пара

• Низкого давления (до 1,5 МПа).
• Среднего давления (1,5–4 МПа).
• Высокого давления (4–10 МПа).
• Сверхвысокого давления (10–22,5 МПа).
• Сверхкритического давления (более 22,5 МПа).

Применение

Электроэнергетика

Паросиловые установки являются основой мировой электроэнергетики. На тепловых электростанциях (ТЭС) они работают на угле, газе, мазуте, торфе. На атомных электростанциях (АЭС) парогенератор нагревается за счёт тепла, выделяемого в ядерном реакторе. Паросиловые установки также используются на геотермальных и солнечных тепловых электростанциях.

Промышленность

В промышленности паросиловые установки применяются для привода мощных компрессоров (например, в доменном производстве), насосов (в магистральных нефтепроводах), вентиляторов. Кроме того, они могут использоваться для выработки технологического пара и тепла.

Транспорт

Исторически паросиловые установки были основой железнодорожного (паровозы) и водного (пароходы) транспорта. В настоящее время на судах применяются паротурбинные установки, особенно на крупных военных кораблях (авианосцы, крейсеры) и ледоколах, в том числе с ядерной энергетической установкой. Паровозы практически полностью вытеснены тепловозами и электровозами.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая единичная мощность — паротурбинные установки могут достигать мощностей 1200–1500 МВт и более.
• Возможность использования различных видов топлива — органического, ядерного, геотермального, солнечного.
• Надёжность и долговечность — при правильной эксплуатации ресурс паросиловых установок составляет десятки лет.
• Возможность комбинированной выработки тепла и электроэнергии (теплофикация) на ТЭЦ.

Недостатки

• Относительно низкий КПД — в классическом цикле Ренкина КПД современных паросиловых установок составляет 35–45%, что ниже, чем у газотурбинных установок в комбинированном цикле (ПГУ).
• Большие габариты и металлоёмкость — особенно для котлов и конденсаторов.
• Необходимость в системе охлаждения — конденсатор требует большого количества охлаждающей воды, что ограничивает размещение станций.
• Длительный пуск — от холодного состояния до выхода на номинальный режим может потребоваться несколько часов.
• Экологические последствия — при сжигании органического топлива образуются выбросы CO₂, NOₓ, SOₓ и твёрдых частиц.

Современные тенденции

Совершенствование паросиловых установок направлено на повышение их КПД и экологичности. Основные направления:

• Повышение параметров пара — внедрение сверхкритических и суперсверхкритических параметров (давление до 30–35 МПа, температура до 700 °C) позволяет увеличить КПД до 50% и выше.
• Комбинированные циклы — создание парогазовых установок (ПГУ), в которых газовая турбина работает на природном газе, а выхлопные газы используются для нагрева воды в котле-утилизаторе, питающем паровую турбину. КПД таких установок достигает 60–64%.
• Улавливание и хранение углерода (CCS) — технологии, позволяющие снизить выбросы CO₂ в атмосферу.
• Использование возобновляемых источников — интеграция паросиловых установок с солнечными концентраторами (CSP) и геотермальными источниками.

Источники

• Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика. — М.: Энергоатомиздат, 1983.
• Рыжкин В. Я. Тепловые электрические станции. — М.: Энергия, 1976.
• Стерман Л. С., Лавыгин В. М., Тишин С. Г. Тепловые и атомные электрические станции. — М.: Издательство МЭИ, 2008.
• Паросиловая установка // Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978.
• Moran M. J., Shapiro H. N. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. — 5th ed. — John Wiley & Sons, 2006.