Текст книги "Тепловая электрическая станция ― это очень просто"

К. Э. Аронсон, Ю. М. Бродов, Н. В. Желонкин, М. А. Ниренштейн
Тепловая электрическая станция ― это очень просто

ПРЕДИСЛОВИЕ

Если вы не можете объяснить что-то простыми словами, значит, вы сами недостаточно хорошо это понимаете.

А. Эйнштейн

Скажите честно, много ли вы знали о своей будущей специальности, когда после окончания школы принесли свои документы в приемную комиссию Уральского федерального университета и решили стать турбинистом? И сколько осталось тех, кто потом не пожалел о своем выборе? Для того чтобы помочь школьникам сделать правильный выбор, а студентам – понять, чем, собственно, является и какое значение для энергетики в целом имеет этот сложный агрегат ― турбина, авторы решили написать эту книгу.

Учебное пособие предназначено, прежде всего, для студентов первого курса кафедры «Турбины и двигатели» (лучшей в МИРЕ кафедре) Уральского энергетического института (Урал ЭНИН) – структурного подразделения Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, крупнейшего федерального университета России. Пособие может быть полезно также учащимся старших классов средних школ, выпускникам колледжей (техникумов) и абитуриентам вузов при выборе будущей профессии и конкретной специальности. Эта книга продолжает серию, начатую учебным пособием «Турбина ― это очень просто», идея которой выношена заведующим лучшей в мире кафедрой Ю. М. Бродовым в течение 50-ти лет работы (и непрерывной учебы) в стенах УрФУ (ранее УПИ им. С. М. Кирова, позднее УГТУ – УПИ).

Авторы постарались простыми словами, как и советовал А. Эйнштейн, рассказать об истории развития главных составных частей электрической станции, основным элементом которой является турбоагрегат, о появлении первых тепловых станций, об устройстве современной тепловой станции, управлении энергетикой и перспективах ее дальнейшего развития. Чтобы читателю было интересно, мы включили в книгу занимательные истории, фрагменты биографий и факты из жизни великих ученых, инженеров и изобретателей разных стран, гением которых были разработаны фундаментальные основы теплотехники и электротехники, созданы турбины, генераторы и построены первые промышленные электростанции.

Материал учебного пособия изложен на доступном, даже популярном уровне, чтобы его могли читать не только студенты, но и школьники, а также люди, далекие от техники, но проявляющие к ней интерес. Авторы выражают благодарность рецензентам за ценные советы и замечания, сделанные при подготовке учебного пособия к изданию. Теперь авторы и сами намного лучше понимают, как работает тепловая электрическая станция.

Вперед, читатель! Будет интересно!

Глава 1. ОТ ЭНЕРГИИ СТИХИЙ К ЭНЕРГЕТИКЕ

1.1. Энергично об энергии

Наверное, нет более широко употребляемого слова, чем энергия. Мы знаем множество громких и звучных словесных конструкций с этим словом. Почитайте только газетные заголовки ― тут и «Энергия созидания», и «Энергия разрушения», и «Энергия мысли», и «Энергия действия» и много еще подобного. А сколько разных компаний и предприятий носят название «Энергия»! Хотите – потренируйтесь сами и придумайте другие пафосные клише.

Однако кроме словесных упражнений у этого слова есть еще и строгий научный, точнее физический смысл. Понятие той физической величины, которую мы теперь называем энергией, оставалось неясным до середины XIX века. Ни Галилео Галилей, ни Исаак Ньютон – основоположники современной науки – не знали этого понятия и не пользовались им. Специальный термин энергия был введен в 1807 г. Томасом Юнгом.

Галилео Галилей (Galileo Galilei, 1564–1642) – итальянский физик, механик, астроном, философ и математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Он первым использовал телескоп для наблюдения небесных тел и сделал ряд выдающихся астрономических открытий. Галилей – основатель экспериментальной физики. Своими экспериментами он заложил фундамент классической механики. При жизни был известен как активный сторонник гелиоцентрической системы мира, что привело Галилея к серьезному конфликту с католической церковью.

Сэр Исаак Ньютон (Isaac Newton, 1643–1727) – английский физик, математик и астроном, один из создателей классической физики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики. Разработал дифференциальное и интегральное исчисление, теорию цвета и многие другие математические и физические теории. В начальной школе Исаак Ньютон учился весьма посредственно. Но ровно до тех пор, пока его не избил и не оскорбил лучший ученик в классе, нанеся Ньютону моральную травму. После этого все успехи Ньютона в учебе были блестящими. Интересный случай из жизни знаменитого физика. Исаак Ньютон, как известно, был членом палаты лордов и посещал заседания палаты самым регулярным образом. Однако на протяжении многих лет Ньютон не проронил ни слова на заседаниях. Все замерли, когда наконец великий человек вдруг попросил слова. Все ожидали грандиозной и умной речи, но Ньютон в гробовой тишине провозгласил свою единственную речь в парламенте: «Господа, я прошу закрыть окно, иначе я могу простудиться!».

Согласно Википедии, энергия (др. – греч. ἐνέργεια – действие, деятельность, сила, мощь) – это скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Само слово энергия введено Аристотелем в трактате «Физика», однако там оно обозначало деятельность человека.

Томас Юнг (Thomas Young, 1773–1829) – английский физик, врач, астроном, полиглот и египтолог, человек с весьма разносторонними научными интересами. Один из создателей волновой теории света, автор гипотезы о поперечности световых колебаний. Юнг ввел в механику понятие модуля упругости (модуль Юнга) и термин «энергия». Разработал теорию трехкомпонентного цветного зрения, из которой, можно, несколько утрируя, сказать, выросло цветовое пространство RGB, объяснил процесс аккомодации глаза. С детства знавший латинский, греческий, еврейский и арабский, Юнг занимался расшифровкой египетских иероглифов и был первым человеком, прочитавшим имя Клеопатры.

В современной жизни этот термин мы слышим очень часто. Говорят об энергоносителях, источниках энергии, энергетической ценности продуктов. Большинство процессов во вселенной связано с изменением энергетических состояний. Переходы энергии из одной формы в другую обнаруживаются во множестве природных и бытовых явлений.

Современная физика изучает различные формы движения материи, их взаимные превращения, а также свойства вещества и поля. Подобно тому, как из семи нот образуется все многообразие музыки, так из различных форм энергии движения образуется все многообразие процессов во Вселенной. К наиболее общим формам движения материи относятся механическая, тепловая, электромагнитная, внутриатомная и внутриядерная формы движения материи. Из всех видов энергии нас, теплотехников, больше всего интересует тепловая энергия.

Раньше всего человек использовал превращение механической энергии в тепловую, добывая огонь трением. Умение использовать огонь изменило жизнь человечества, стимулировало развитие цивилизации, научило людей широко применять в жизни различные процессы, связанные с тепловой энергией. Первичными источниками тепловой энергии в основном были и остаются органические топлива (уголь, природный газ, нефть, горючие сланцы и др.).

Многообразие форм существования энергии, свойство их взаимопревращения позволяют использовать для производства и потребления энергии различные топливно-энергетические ресурсы и энергоносители.

Понимание единства и эквивалентности разных форм энергии сложилось к середине XIX века, когда был накоплен большой опыт преобразования одних форм энергии в другие. Опыты и наблюдения ученых говорили о том, что тепловая и механическая энергия могут переходить друг в друга и что, вероятно, можно найти экспериментально механический эквивалент теплоты, то есть количество работы в механических единицах, эквивалентное данному количеству теплоты в тепловых единицах.

Еще в 1744–1745 гг. М. В. Ломоносов в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода» высказал утверждение о том, что тепловые явления обусловлены движением частиц тела – его молекул. Ломоносов решительно отверг господствующую тогда теорию теплорода. Ученый придерживался механической теории теплоты и утверждал, что теплота есть движение мельчайших частиц тела. Опытное доказательство правильности идей Ломоносова, значительно способствовавшее установлению механической теории теплоты, было дано лишь в конце XVIII в. Это сделал английский физик Бенджамин Румфорд (Томпсон).

Ломоносов Михаил Васильевич (1711–1765) – русский ученый, работавший во многих отраслях знаний, поэт, просветитель, один из самых выдающихся светил мировой науки. Родился в семье крестьянина в деревне Денисовка. В 1730 он пришел пешком в Москву, где получил образование в Славяно-греко-латинской академии. В начале

Бенджамин Томпсон, граф Румфорд (Benjamin Rumford, 1753–1814) – английский физик, член Лондонского королевского общества (с 1779). Родился в США. Систематического образования не получил. В 1766–1772 гг. работал мальчиком-помощником в магазинах Сейлема в Бостоне и у врача в Уоберне, штат Массачусетс. В 1766–1776 – офицер милиции в Нью-Хэмпшире, одновременно выполнял секретные задания командования Великобритании. В 1776–1781 служил в правительственных ведомствах в Лондоне, в 1781–1783 командовал королевским драгунским полком в войне за независимость в Северной Америке. В 1799 вернулся в Лондон, был инициатором основания Королевского института. С 1802 жил в Париже. Научную деятельность начал в 1778 (количественное измерение взрывной силы пороха). Кроме этого, Румфорд открыл и исследовал явление конвекции в газах и жидкостях, сконструировал ряд физических приборов и аппаратов (специальные термометры, фотометры для изучения поглощения света веществом и т. д.). Считается, что он изобрел кухонную плиту, кофеварку, армейскую полевую кухню, печи для обжига кирпича, паровую отопительную систему. В честь Бенджамина Румфорда Лондонское королевское общество учредило награду для выдающихся ученых – медаль Румфорда.

Следя за изготовлением пушек в Мюнхенском арсенале, Румфорд обратил внимание на то, что при сверлении и ствол пушки, и сверло сильно разогреваются. Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фаренгейта.

Наблюдая нагревание ствола пушки, он пытался объяснить это явление на основе господствующей тогда теории теплорода. Румфорд спросил себя: не происходит ли нагревание оттого, что получаемые от сверления металлические опилки обладают меньшей теплоемкостью, чем обрабатываемый металл? В этом случае имеющееся в целом куске металла количество теплоты при переходе его в опилки может уместиться в них, только вызвав повышение температуры (это подобно тому, как ведро с водой, смятое с боков, содержит ту же массу воды, что и до смятия, но уровень ее в ведре становится выше). Однако оказалось, что теплоемкость сплошного металла и опилок одинакова, и поэтому дать такое объяснение наблюдаемому явлению нельзя. Тогда Румфорд предположил, что при сверлении теплота входит в изделие из воздуха. Он проверил это предположение, заливая рассверливаемый ствол водой. Результат, однако, получился прежний – в процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Вот тогда-то Румфорд понял, что если можно получить теплоту в неограниченном количестве, для чего достаточно только продолжать сверление, то теплоту нельзя считать веществом (теплородом), и поэтому все тепловые явления следует рассматривать как движение.

Немецкий физик и врач Юлиус Роберт Майер, заметив, что температура воды в медицинской колбе повышается, если ее несколько минут встряхивать, в 1842 г. вычислил механический эквивалент теплоты по разности удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме. В то время точные значения этих удельных теплоемкостей еще не были известны, а потому его результат был не совсем верным, хотя и правильным по порядку величины. Через три года Джеймс Джоуль точно измерил количество теплоты, получаемое при преобразовании механической работы в тепловую энергию, и уточнил результат Майера.

Юлиус Роберт фон Майер (Julius Robert von Mayer, 1814–1878) – немецкий врач и естествоиспытатель. В работе «Органическое движение в его связи с обменом веществ» Майер четко сформулировал закон сохранения энергии и теоретически рассчитал численное значение механического эквивалента теплоты. По представлениям Майера, движение, теплота, электричество и т. д. – это качественно различные формы «сил» (так Майер называл энергию), превращающихся друг в друга в равных количественных соотношениях. Он рассмотрел также применение этого закона к процессам, происходящим в живых организмах, утверждая, что аккумулятором солнечной энергии на Земле являются растения, в других же организмах происходят лишь превращения веществ и «сил», но не их создание. Идеи Майера не были поняты его современниками.

Так возникла наука термодинамика – теоретическая основа начавшей развиваться теплотехники. Ее первоначальной задачей было изучение закономерностей превращения теплоты в работу. Основным содержанием современной физической термодинамики является изучение закономерностей тепловой формы движения материи и связанных с ней физических явлений. Тепловая форма движения материи – это хаотическое движение атомов и молекул в макроскопических телах. Особое положение термодинамики связано с тем, что любая форма энергии при ее превращениях в конце концов переходит в тепловую форму: электрическая, механическая, химическая энергии становятся тепловой энергией.

Представление о том, что теплота есть просто одна из форм энергии, а именно кинетическая энергия движения атомов и молекул, стало одним из главных достижений физики XIX в.

1.2. Энергия и энергетика

В современном мире доступность энергии и надежность энергоснабжения являются основой развития экономики и улучшения качества жизни людей. Именно снабжение энергией различных производств и населения страны является задачей энергетики. Если сказать красиво, энергетика ― это кровь экономики.

Энергетика – это область хозяйственно-экономической деятельности, включающая в себя совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Целью энергетики является обеспечение производства энергии путем преобразования первичной, природной энергии во вторичную, например в электрическую или тепловую энергию.

Согласно ГОСТ 19431–84, сфера энергетики охватывает «энергетические ресурсы, производство, передачу, преобразование, аккумулирование, распределение и потребление различных видов энергии».

На заре цивилизации в период первобытно-общинного строя единственным источником энергии являлись мускульные усилия человека. Можно сказать, что тогда господствовала биоэнергетика ― энергетика мускульных усилий. Она сохранила свои позиции и в эпоху рабовладельческого общества, в котором труд раба ценился не выше, чем работа животных.

Великие технические прорывы в рабовладельческом обществе (I век до н. э.) ― изобретение и применение водяных колес для орошения посевов и энергии ветра в ветряных мельницах – не вызывали еще сколько-нибудь серьезных изменений в общем уровне энергетической техники. Отдельные технические достижения, сделанные до новой эры, не нашли широкого применения в повседневной жизни. Приспособления и технические устройства находили быстрое применение лишь в военных целях – для защиты или нападения. Многие открытия впоследствии были попросту забыты, а затем совершались заново в эпоху средневековья.

Только в X―XI веках новой эры, в эпоху феодального средневековья, начинают распространяться водяные и ветряные мельницы. К тому времени история развития человечества уже имеет богатейший запас научных и технических решений в вопросах преобразования энергии на уровне достаточно сложных передаточных механизмов. Несколько позднее, в XIII веке, появляются такие сложные механизмы, как часы (первыми были башенные часы с одной стрелкой).

Рис. 1.1. Большие башенные часы

Гидроэнергетика. С широким распространением водяного колеса настала эпоха гидроэнергетики, и это дало мощный толчок развитию техники. Например, в металлургии удалось повысить температуру в печах, меха которых приводились в движение от водяного колеса; а в горном деле ― расширить возможность откачки воды из шахт с помощью насосов, приводимых в движение водяным колесом.

Начиная с XIII века гидроэнергетика определяет технический уровень энергетической техники, вплоть до промышленного переворота в конце XVIII века. Конструкция водяных колес совершенствуется. В Шотландии, в Гринкоке на реке Клайд, работало стальное водяное колесо диаметром 21,35 м, шириной 3,8 м. Оно обеспечивало напор 19,5 метров водяного столба и снабжало энергией прядильную фабрику. Скорость вращения этого колеса составляла 1,3 об/мин и мощность 191 л. с. при КПД 75 %. Отличные показатели для XVIII века!

К концу XIX века уже были созданы эффективные гидравлические турбины, электрогенераторы переменного тока, осуществлена передача электроэнергии на значительные расстояния. Большой вклад в развитие гидроэнергетики внес русский инженер М. О. Доливо-Добровольский, под руководством которого в 1891 г. была построена первая промышленного переворота промышленная гидро электростанция (ГЭС)

Рис. 1.2. Водяное колесо времен на острове Мэн

мощностью 220 кВт с генератором трехфазного тока (в местечке Лауфен на реке Неккар в Германии). Впервые от нее была осуществлена передача электроэнергии переменным током напряжением 8,5 кВ на расстояние 170 км во Франкфурт-на-Майне.

В ХХ столетии были разработаны совершенные конструкции гидроагрегатов и построены крупнейшие гидроэлектростанции. В настоящее время в мире строятся ГЭС суммарной мощностью 170 млн кВт, что составляет 19 % мощности всех эксплуатируемых ГЭС, еще планируются к строительству ГЭС мощностью порядка 500 млн кВт.

Теплоэнергетика. В этой отрасли энергетики выработка энергии производится с помощью тепловых двигателей, рабочим телом которых является пар, воздух или газ достаточно высоких начальных параметров. Чтобы получить высокопотенциальное рабочее тело, используют химическую энергию органического топлива.

Начнем с определения: тепловой двигатель – это машина для преобразования теплоты в работу.

Прообразом теплового двигателя считается эолипил, созданный в I в. до н. э. Героном Александрийским, выдающимся ученым и изобретателем (рис. 1.3). Эолипил представлял собой полый шар с двумя выступающими диаметрально противоположными изогнутыми трубками. Под шаром был установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала, пар поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее по изогнутым трубкам, вызывая вращение шара. Строго говоря, эолипил, названный в честь Эола, бога воздуха, скорее был игрушкой, а не двигателем, так как ничего не приводил в движение, однако имел один из главных элементов любого теплового двигателя – расширительный сосуд.

Рис. 1.3. Эолипил Герона Александрийского, схема и внешний вид

Сочинения Герона пользовались известностью в средние века и оказали влияние на некоторых изобретателей первых аппаратов, использующих давление пара. В истории упоминаются изобретения итальянских и французских инженеров XVI в. (Джованни делла Порта, Филиберта Делорма, Соломона де Ко), представляющие собой в основном аппараты для подъема воды с помощью энергии пара. Большое внимание привлек к себе Эдвард Соммерсет, маркиз Вустер, получивший патент в Англии 15 ноября 1661 г. В описании своего изобретения он характеризует его как устройство «для работы водой и огнем», мощность которого ограничена только прочностью сосудов. Устройство поднимало воду так, что она била постоянным фонтаном высотой более 12 м.

Рост горнодобывающей промышленности в Англии XVII века стимулировал использование энергии пара в качестве привода различных механизмов. Необходимо было откачивать воду из шахт, которые становились все более глубокими. От создания нового мощного двигателя зависело дальнейшее развитие горнорудной промышленности. Эта чисто практическая задача стала причиной того, что первым тепловым двигателем стала машина для откачки воды.

Капиталистический способ производства вызвал к жизни новую энергетическую технику, основой которой стала паровая машина. Возникновение машинного производства в конце XVIII века требовало создания мощного и универсального по использованию двигателя. Этот двигатель должен был избавить промышленность от привязанности к природным источникам энергии ― воде, в первую очередь. Таким двигателем явилась паровая машина.

Изобретение универсального парового (теплового) двигателя явилось вторым этапом промышленного переворота в XVIII веке ― на смену гидроэнергетике пришла теплоэнергетика.

В течение столетий многие выдающиеся инженеры (Сэмюэль Морленд, Дени Папен, Томас Ньюкомен, Джеймс Уатт, И. И. Ползунов и др.) совершенствовали конструкции, искали новые принципы работы тепловых двигателей, пока, наконец, трудами Густава Лаваля, Чарльза Парсонса, Огюста Рато не был создан новый тип теплового двигателя ― турбина.

Сегодня, когда в мировом масштабе теплоэнергетика преобладает над гидроэнергетикой, турбоустановки различных типов являются основным видом двигателя для производства энергии. Для получения рабочего тела турбин с необходимым начальным давлением и температурой используются разные виды топлива. На базе угля вырабатывается 46 % всей электроэнергии мира, на базе газа – 18 %, еще около 3 % производится за счет сжигания биомасс, а нефть используется для производства всего 0,2 % общего объема выработки. В сумме тепловые электрические станции обеспечивают около 2/3 от общей выработки всех электростанций мира.

ХХ век принес новый вид топлива ― ядерное. На атомных электростанциях рабочий пар турбин получает энергию от управляемой цепной ядерной реакции в уране и плутонии.

Энергетика таких стран мира, как Польша и ЮАР, практически полностью основана на использовании угля, а энергетика Нидерландов – газа. Мировыми лидерами по производству электроэнергии на атомных электрических станциях являются США, Франция и Япония.

Нетрадиционная энергетика. Большинство направлений нетрадиционной энергетики основаны на вполне традиционных принципах. Первичной энергией в них служат либо природные источники, например ветер (с ветряными мельницами воевал Дон Кихот), а также геотермальные, приливные, солнечные, либо источники, находящиеся в стадии освоения, например термоядерная энергетика.

Рис. 1.4. Современные ветряные двигатели (а) и Дон Кихот, рисунок П. Пикассо (б)

Огромным преимуществом нетрадиционной энергетики является экологическая чистота, а недостатками ― чрезвычайно большие затраты на капитальное строительство (например, для солнечной электростанции мощностью 1000 МВт требуется покрыть весьма дорогостоящими зеркалами площадь около 4-х кв. км) и малая единичная мощность. Вот основные направления нетрадиционной энергетики:

• ветровая энергетика;

• геотермальная энергетика;

• солнечная энергетика;

• биоэнергетика;

• водородная энергетика;

• термоядерная энергетика.

Сюда также можно отнести и так называемую малую энергетику. Чаще всего это электростанции мощностью до 30 МВт с агрегатами единичной мощностью до 10 МВт. Это и экологичные виды энергетики, перечисленные выше, и малые гидро– и электростанции на органическом топливе, такие как дизельные электростанции (среди малых электростанций их подавляющее большинство, например в России – примерно 96 %), газопоршневые электростанции, газотурбинные установки малой мощности на дизельном и газовом топливе.

Согласно исследованиям ЮНЕСКО11
  ЮНЕСКО ― United Nations Educational Scientific and Cultural Organization ― cпециализированное учреждение Организации Объединённых Наций по вопросам образования, науки и культуры.


[Закрыть], энергетика является одной из самых сложных отраслей жизнедеятельности человека, третьей после медицины и космонавтики. Это ко многому обязывает!

Вы уже поняли, что из всех разновидностей энергетики преобладающей является теплоэнергетика. Теперь вы окончательно убедились, что правильно выбрали профессию! Вам предстоит заниматься самым важным для всего человечества делом!

Студенты-турбинисты ― остроумные люди

*

Раньше студенты учились и подрабатывали, а теперь работают и подучиваются.

*

Учеба для нас ― праздник, а по праздникам мы не учимся…

*

Те, у кого есть долги за сессию, точно знают имя и отчество декана.

*

― Ты учишься в университете?

– Нет, я его посещаю.

*

Новости образования: на уроках информатики оценки будут выставляться не в баллах, а в лайках.

*

Я люблю свой университет. А учиться в нем ― нет!

*

Как говорит один известный зав. кафедрой, «жены почему-то стареют, а вот студентки третьего курса ― никогда!».

*

Умение слушать преподавателя ― большой плюс, но умение сделать вид, что слушаешь ― это уже талант.