80% электроэнергии, вырабатываемой в нашей стране, приходится на долю тепловых электростанций, использующих каменный уголь, торф, сланцы и природный газ. Топливо сжигается в паровых котлах, в которых получается пар, приводящий в движение паровые турбины. А турбины вращают соединенные с ними генераторы электрической энергии.

Мы знаем, что турбины – очень сложные сооружения и обеспечить их надежную, бесперебойную работу не так-то просто. Поэтому современная электростанция – это огромное предприятие со многими машинами и механизмами.

Давайте последуем по пути топлива, пара, воды и электрической энергии на мощной тепловой электростанции и посмотрим, как она работает.

По железнодорожной ветке то и дело прибывают длинные составы с каменным углем. Вагоны задерживать нельзя, их надо быстро освободить. В одних вагонах есть люки; их открывают, и уголь высыпается. К другим на помощь приходит вагоноопрокидыватель: он по очереди перевертывает их и сразу высыпает весь уголь. По подземным коридорам бесконечные ленты транспортеров быстро доставляют уголь на топливный склад.

Значение этого склада очень велико. Случится что-нибудь на шахте или на железной дороге – топливо перестанет вовремя поступать на электростанцию. А не хватит топлива- остынут котлы, остановятся турбины, перестанут вырабатывать ток электрические генераторы. Чтобы так не получилось, на складе хранится двухнедельный, а иногда даже двухмесячный запас топлива.

В таком виде, в каком уголь хранится на складе, подавать его в топки котлов нельзя- он будет плохо гореть. Лучше всего сжигать уголь в виде пыли. Поэтому сначала зубастые дробилки дробят его на мелкие куски, а затем транспортеры доставляют на верхний этаж котельной и ссыпают в огромные ящики- бункера.

Из бункеров уголь понемногу поступает но вращающиеся барабаны угольных мельниц. Стальные шары, перекатываясь по барабану, превращают куски угля в мелкую пыль. Мощные вентиляторы- эксгаустеры – прогоняют через мельницы топочные газы или горячий воздух, которые просушивают пыль и доставляют ее в большие металлические цилиндры – циклоны, расположенные над бункерной галереей.

Здесь пыль отделяется от воздуха и ссыпается в бункера. Отсюда ее с помощью питателей подают в поток воздуха и вместе с ним через специальные горелки вдувают в топки. Сгорая, угольная пыль образует факел пламени температурой до 1500 °. Для полного ее сгорания нужно много воздуха. Его подают в горелки дутьевые вентиляторы. Чтобы не тратить на нагрев воздуха значительного количества тепла, его предварительно подогревают дымовыми газами в воздухоподогревателе.

Гудит пыле- воздушная смесь в горелках, пламя заполняет огромную топку и нагревает воду в тонких трубках, которыми, как экраном, покрыты изнутри стенки котла.

Раскаленные газы устремляются по дымоходу, отдавая свое тепло сначала воде, циркулирующей в густой сети кипятильных трубок, затем пару, проходящему по причудливо изогнутым змеевикам пароперегревателя. Еще дальше по дымоходу они встречают экономайзер – приспособление, в котором подогревается поступающая в котел вода, а за ним-воздухоподогреватель.

Топливо хорошо горит, если в топке есть сильная тяга. Ее можно создавать при помощи высоких дымовых труб. Но на огромных котлах электростанций в помощь трубам устанавливают еще мощные вентиляторы – дымососы.

Дымовые газы несут в себе много золы. Поэтому их очищают в специальных золоуловителях. Количество золы, собираемой в золоуловителе, достигает на больших электростанциях 2,5 Г в сутки!

Рис. 1. На электростанциях бывают барабанные и прямоточные паровые котлы.

Из золоуловителей зола водой смывается в отстойники, а затем ее отвозят на золовые отвалы.

Видите, как много различных вспомогательных механизмов потребовалось установить на электростанции только для того, чтобы топливо хорошо сгорало. Но они оправдали себя: 90% тепла, заключенного в угле, превратилось в энергию пара. И только 10% тепла пропало без пользы – его унесли с собой дымовые газы и зола.

Чтобы обеспечить четкую, согласованную работу всех этих механизмов, в котельной установлено много различных автоматических устройств и контрольно-измерительных приборов. Они помогают дежурному следить за режимом котла и управлять его механизмами.

Итак, путь топлива окончен – оно сгорело, передав тепло воде. Посмотрим, что происходит с водой.

Паровые котлы на электростанциях бывают барабанные и прямоточные. В барабанных есть большой неподвижный барабан, в верхней части которого собирается пар. В прямоточных вода непрерывно движется по трубам, превращаясь по пути в пар. Такие котлы устанавливают на мощных электростанциях, работающих при давлении пара свыше 100 атм (рис. 1).

Пар образуется в экранных и кипятильных трубках. Но пускать его в турбины еще нельзя – он будет быстро остывать и превращаться в капельки воды. Поэтому он прежде всего поступает в змеевики пароперегревателя, где нагревается до очень высокой температуры. Затем по паропроводам, покрытым толстым слоем теплоизоляции, он покидает котельную и направляется в машинный зал. На электростанциях можно встретить турбины, различные и по устройству и по мощности. Есть маленькие турбины, мощностью в десятки и сотни киловатт, а есть турбины-гиганты, мощностью 300 тыс. кет и даже больше.

У паровых турбин (рис. 2, 3)есть особенности. Их, например, нельзя сразу нагружать на полную мощность, как водяные турбины на гидроэлектростанциях. Сначала их надо прогреть на холостом ходу, и на это иногда приходится затрачивать несколько часов. Паровые турбины очень чувствительны к качеству пара: сырой или загрязненный пар может вызвать повреждение лопаток рабочих колес.

Рис. 2. Мощная паровая турбина состоит из множества рабочих колес с лопатками, которым пар отдает свою энергию.

Давление и температура пара – это его параметры. Чем выше параметры пара на входе в турбину и чем ниже они на выходе из нее, тем больше энергии пара использует турбина. Высокие параметры пара создает паровой котел. Чтобы понизить их на выходе из турбины, пар не выпускают на воздух, как на паровозе, а направляют в конденсатор. Внутри него по тонким латунным трубам непрерывно циркулирует холодная вода, которая охлаждает пар и превращает его в конденсат. В результате этого давление в конденсаторе становится в 10-15 раз меньше атмосферного. Такому разрежению способствуют вакуумные насосы, откачивающие воздух, попавший в конденсатор вместе с паром (рис. 4).

Рис. 3. Так выглядит турбинная установка большой мощности.

Конденсат – очень чистая вода, в которой совершенно не содержится никаких химических и механических примесей. Ее нельзя выбрасывать – она очень нужна котлам. Поэтому сконденсировавшийся пар возвращают обратно в котел.

Сначала насосы откачивают его из конденсатора и направляют в деаэратор. Здесь конденсат нагревают и удаляют из него пузырьки воздуха, содержащие кислород.

Рис. 4. Из турбины пар поступает в конденсатор, где, охлаждаясь, превращается в конденсат.

При высоких давлениях и температурах кис-пород становится очень опасным: если его допустить в котел, он начнет активно окислять стенки кипятильных трубок и вызовет их быстрое разрушение.

Очищенный от кислорода конденсат называют питательной водой. Если ее прямо из деаэратора подать в котел, то на ее нагрев придется затратить много топочного тепла. Поэтому ее предварительно прогоняют по трубам подогревателя, где она нагревается паром, отобранным из турбины. Затем вода проходит по трубам экономайзера, обогреваемого дымовыми газами. И только после такого двойного нагрева вода попадает в котел, чтобы вновь превратиться в пар. Как видите, пар на электростанции совершает движение по замкнутому кругу.

Несмотря на очень тщательное соединение паровых и водяных трубопроводов, несмотря на все уплотнения в движущихся частях турбин и насосов, все же не удается полностью избежать утечки пара и конденсата. Но добавлять в котлы сырую, неочищенную воду нельзя, так как ее механические и химические примеси при нагревании образуют накипь на стенках трубок и приводят к их быстрому перегоранию.

Поэтому на каждой электростанции обязательно есть устройства для подготовки воды. Насосы забирают воду из реки или озера и подают ее в установки для химической очистки. Если такой очистки недостаточно, воду направляют в испарители, подогреваемые паром, отобранным из турбин. Там она испаряется, а затем вновь охлаждается и превращается в химически чистую дистиллированную воду. В деаэраторе ее смешивают с конденсатом, а затем направляют в котел, возмещая все потери пара и конденсата. Как мы уже знаем, пар конденсируется за счет охлаждения холодной водой, непрерывно циркулирующей по трубам. Если электростанция находится на берегу реки, циркуляционные насосы забирают воду для конденсаторов из реки. Пройдя через конденсаторы, теплая вода сливается обратно в реку. Расход воды при этом очень велик. Например, для турбины мощностью 150 тыс. кет он составляет свыше 20 тыс. ж /час. Это равно примерно суточному потреблению воды городом с населением 200 тыс. человек.

Если воды в реке недостаточно или электростанция расположена далеко от источников воды, приходится осуществлять оборотное водоснабжение. На территории электростанции сооружают специальные пруды, бассейны с брызгательными установками или высокие башни – градирни (рис. 5). Выходящая из конденсаторов горячая вода поступает в них, охлаждается и возвращается обратно.

Обычно на электрических станциях устанавливают несколько котлов и несколько турбин. Соединяют их между собой различными способами. На электростанциях малой и средней мощности пар от котлов поступает в общий паропровод, а затем распределяется между турбинами. Для больших электростанций с котлами и турбинами высокого и сверхвысокого давления применяют блочные схемы, при которых два котла работают на одну турбину. Есть и другие схемы соединения турбин и котлов, при которых каждый котел дает пар только одной турбине. По такой блочной схеме в нашей стране строятся гигантские тепловые электростанции мощностью свыше 1 млн. кет. Мощность агрегатов, устанавливаемых на этих электростанциях, достигает 300 кет. Скоро появятся турбины на 600 тыс. кет.

Теперь нам осталось познакомиться с получением и распределением электрической энергии. Паровые турбины приводят в движение электрические генераторы, которые вырабатывают трехфазный переменный ток частотой 50 пер/сек и напряжением до 10-15 кв.

Обычно турбины имеют скорость 3 тыс. об/мин, а ротор генератора делается двухполюсным. Это позволяет соединять вал турбины непосредственно с валом генератора без промежуточных передач. Полученный в генераторах электрический ток прежде всего поступает на сборные шины распределительного устройства генераторного напряжения.

Здесь электрическая энергия делится на три основных потока. Часть ее отправляется различным потребителям, расположенным недалеко от электростанции. Небольшая часть идет в распределительное устройство собственных нужд, от которого питаются электрические двигатели всех вспомогательных механизмов станции – транспортеров, мельниц, вентиляторов, насосов и т. д. Эти механизмы потребляют до 8С/О всей электроэнергии, вырабатываемой на электростанции. Основная часть электрической энергии предназначается для городов и заводов, расположенных далеко от электростанции. Передачу тока на большие расстояния осуществляют при напряжении в 110-220кв (теперь есть линии и на 500 кв). Для этого на электростанции есть повысительная трансформаторная подстанция и распределительное устройство высокого напряжения. От него расходятся высоковольтные линии электропередач.

Рис. 5. При оборотном водоснабжении горячая вода из конденсатора попадает в градирню и, сливаясь тонкими струйками, охлаждается, потом снова возвращается в конденсатор.

Мы познакомились с тепловой электрической станцией, которая называется конденсационной, потому что весь пар, прошедший через турбину, попадает в конденсатор. Несмотря на все совершенство ее машин и механизмов, несмотря на все меры, принятые для сокращения потерь тепла, на таких электростанциях превращается в электрическую энергию всего 35-40°/0 тепла, заключенного в топливе. Остальное тепло бесполезно теряется.

Ученые и инженеры стали думать, как улучшить использование тепла на электростанциях. И тут возник вопрос: «А нужно ли все тепло, получаемое в паровых котлах, превращать в электрический ток?»

Ведь фабрикам и заводам нужна не только электрическая энергия. Для паровых молотов и прессов, для увлажнения и сушки различных материалов, для некоторых технологических процессов в металлургии и во многих других случаях нужен пар. Пар и горячая вода необходимы баням, прачечным, столовым, фабрикам-кухням. А сколько горячей воды надо для отопления квартир в большом городе!

Обычно пар и горячую воду для этого получают в маленьких котельных, где, конечно, нет таких совершенных машин и механизмов, как на электростанции. Там уголь сгорает плохо, котельные дымят, загрязняют воздух, в них используется очень незначительная часть тепла, заключенного в топливе.

Вот и решили подавать предприятиям и городам пар с тепловых электрических станций. Для этого на них устанавливают специальные теплофикационные турбины. Обычно они состоят из двух цилиндров – высокого и низкого давления – и допускают отбор пара. Отработает часть пара в нескольких ступенях турбины или в цилиндре высокого давления – ее отбирают у турбины и направляют потребителям тепловой энергии. Но потребители тепла бывают разные. Многие из них так загрязняют конденсат, что его очень трудно очистить. А некоторые вообще не возвращают его на станцию. Приходится расширять цех водоподготовки, устанавливать дополнительные очистительные аппараты и испарители.

Поэтому такая открытая система отпуска тепла иногда оказывается очень невыгодной. Тогда прибегают к другой – закрытой системе. На электростанции устанавливают паропреобразователи, через которые проходит пар, отработавший в турбинах. Этот пар нагревает воду, а затем попадает в конденсатор, откуда в виде конденсата возвращается в котел. Нагретая в паропреобразователе вода превращается во вторичный пар, который направляется потребителям. Если его конденсат и не вернется, не жалко – главное, сохранен основной конденсат для питания паровых котлов.

Жилые здания обычно отапливают не паром, а горячей водой с температурой от 60 до 80°. В специальных бойлерных установках ее нагревают паром, идущим с электростанции. Пройдя через отопительную сеть, горячая вода остывает и возвращается в бойлер для подогрева. Часть воды, используемая в умывальниках, ванных и душевых, не возвращается, и ее потеря возмещается добавлением в бойлер очищенной воды.

Тепловые электрические станции, которые отпускают потребителям одновременно электричество и тепло, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Они значительно экономичнее конденсационных станций и позволяют использовать до 75°/0 тепла, заключенного в топливе.

В нашей стране тепловые электростанции широко используются для теплофикации городов, фабрик и заводов. Мощность ТЭЦ в настоящее время составляет около 1;3 мощности всех наших тепловых электрических станций.

Что же выгоднее строить: конденсационные электростанции или теплоэлектроцентрали?

Там, где много топлива и нет поблизости больших городов и заводов, надо строить конденсационные станции. Возьмем, к примеру, раскинувшиеся где-нибудь в глуши торфяные болота или угольные месторождения. Не возить же торф и уголь за сотни километров! Лучше превратить их на месте в электрическую энергию и передать ее по проводам.

Возле городов и крупных комбинатов выгоднее строить теплоэлектроцентрали. Они будут снабжать город и теплом, и электрической энергией. Перестанут дымить маленькие несовершенные котельные на заводах и в жилых домах, чище станет воздух. А еще лучше, если ТЭЦ в качестве топлива будет использовать природный газ. Тогда исчезнут и угольные склады, и составы, груженные углем.