На всех парах

История вопроса

Хотя о применении водяного пара задумывался ещё Герон Александрийский в I веке до н. э., его первое промышленное использование отмечено историками в конце XVII века. Паровые машины, работавшие за счёт эффекта сжатия газа при охлаждении и конденсации, приводили в движение насос для выкачивания воды на угольных шахтах, за что и были прозваны «друзьями рудокопов».

Во второй половине XVIII века Джеймс Уатт на основе отдельных изобретений предшественников превратил поступательное движение в поршневой паровой машине во вращательное. Технология паровых машин Уатта стала предвестником индустриальной революции в Европе. Инженеры усовершенствовали изобретение, использовав способность пара расширяться. Паровая машина стала символом XIX века и двигателем его прогресса. Уже в 1825 году только в Англии на фабриках и заводах было установлено более 15 тысяч паровых машин.

От потенциальной энергии к кинетической

Столько же, сколько существовало оборудование на водяном паре, инженеры бились над созданием паровой турбины на основе пара высокого давления. В одной только Англии за сто лет выдали 200 патентов на паровую турбину, но ни один не нашёл практического применения: не хватало технических и научных возможностей.

Только ближе к концу XIX столетия два конструктора почти одновременно сумели использовать кинетическую энергию пара. Чарлз Алджернон Парсонс и Карл Густав де Лаваль создали первую турбину, в которой использовалась не тепловая энергия пара, а энергия движения парового потока. Ведь важнейшей особенностью водяного пара является высокая скорость истечения его из одного объёма в другой даже при небольшом перепаде давления.

В изобретении инженеров поток водяного пара через направляющие сопла поступает на криволинейные лопатки, закреплённые по окружности ротора, и воздействием на них вращает ротор. Особенность изобретения в том, что турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение. В такой конструкции не требуются дополнительные механизмы преобразования, как ранее в возвратно-поступательных устройствах.

Сверхвеличины

Практически сразу же паровые турбины вытеснили гидрогенераторы за счёт экономической целесообразности. Уже к 1910 году в тепловой энергетике не использовались никакие иные паровые машины, кроме турбин. На сегодняшний день именно паровые турбины – основное оборудование для производства электроэнергии.

Борьба за экономию энергоресурсов обуславливает постоянную мировую тенденцию к улучшению тепловой экономичности (коэффициента полезного действия) энергоустановок. Согласно физическим законам КПД при увеличении параметров пара повышается, так что современная инженерная мысль работает над созданием агрегатов со значительными параметрами давления и температуры.

Около половины мировых энергоблоков обладает стандартными сверхкритическими параметрами пара – 24 МПа, 540 °С. Их средний КПД – около 35%. Существуют и энергоблоки с ультрасверхкритическими параметрами пара, так называемые USC-блоки – 30 МПа и больше, 600 °С и выше. Их КПД составляет более 45%.

Первыми создание USC-блоков начали США и СССР. В 1949 году ультрасверхкритический энергоблок появился на ТЭЦ ВТИ. Ещё один наработал десятки тысяч часов на Каширской ГРЭС. Сейчас энергоблоки с ультрасверхкритическими параметрами работают в Дании, Германии, Японии.

Россия, увы, немного отстаёт в этом направлении. Только к 2016 году будет спроектирован, построен и сдан в эксплуатацию опытный энергоблок на сверхкритических параметрах пара с мощностью 600–800 МВт при давлении пара до 30 МПа и температуре 600–620 °С. КПД опытного энергоблока составит около 45%, удельное потребление топлива (угля) – около 270 граммов на кВт*ч. Основные преимущества разработки – тепловая экономичность, уменьшение численности обслуживающего персонала и, что особенно важно, снижение негативного воздействия на окружающую среду.

Чистая энергия

Развитие и внедрение USC-блоков должно принести пользу не только энергетике, но и экологии. Чем выше КПД энергоблока, тем меньше расход топлива. В условиях растущей цены на газ спрос на уголь растёт быстрее, чем на какой-либо другой вид топлива. По ориентировочным прогнозам МЭА, доля ископаемого топлива в мировом производстве будет только увеличиваться. Если сейчас она составляет около 25%, то к 2030 году источником 45% электроэнергии на Земле будет угольное топливо. При этом в данный момент на угольную электрогенерацию в мире приходится почти 30% всех выбросов двуокиси углерода.

Технология улавливания и хранения углерода (CCS – Carbon Capture and Storage) пока развита слабо. Во-первых, она слишком дорога, во-вторых, на процессы CCS может тратиться до четверти выработанной электроэнергии. Тем самым снижается эффективность ТЭС и... увеличивается объём потребляемого ископаемого сырья: чтобы возместить потери в электроэнергии, приходится сжигать больше угля.

Так что для борьбы с глобальным потеплением необходимо сокращать расход топлива любыми доступными методами. В том числе – повышать эффективность ТЭС. Заставлять пар работать ещё эффективнее.

Наше ультрасверх

Группа «Интер РАО ЕЭС» первой на рынке занялась прикладными научными исследованиями по разработке принципиально нового энергетического оборудования. Специально для этой цели был сформирован фонд научной, научно-технической и инновационной деятельности «Энергия без границ». Его основные цели – определять перспективные направления развития и финансировать проведение прикладных исследований, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР). Фонд ставит перед собой задачу профинансировать разработку научно-конструкторскими институтами отечественного энергоблока на ультракритических параметрах пара с увеличенными параметрами термодинамического цикла до уровня 700–720 °С, давлением 35 МПа и КПД на уровне 48–50%. Первая и основная проблема, которую предстоит решить для постройки USC-блока, – производство материала, способного выдерживать высокие температуры и давление, длительное время сохраняя прочность. Поэтому фонд стимулирует научные исследования в области получения конструкционных сталей.

Срок завершения научно-исследовательских работ и подготовки к созданию опытного образца обозначен 2016 годом.