1.1. Основні поняття у теплоенергетиці

На сучасному етапі розвиток людської цивілізації неможливий без широкого використання енергії. Енергетика – це галузь народного господарства, яка охоплює енергетичні ресурси, виробництво, перетворення, передачу і використання різних форм енергії. Основними формами енергії, яка застосовується в даний час, є теплота і електрика.

Різноманіття форм існування енергії, властивість їх взаємоперетворення дозволяють використовувати для виробництва і споживання енергії різні паливно-енергетичні ресурси і енергоносії, визначають їх взаємозамінність. Розуміння єдності й еквівалентності різних форм енергії склалось в середині ХIХ століття, коли був накопичений великий досвід перетворення одних форм енергії в інші. Природним узагальненням величезного об’єму накопичених даних з перетворення одних форм енергії в інші виявився закон збереження і перетворення енергії – один з основних фундаментальних законів природи (див. другу книгу).

Потреба в перетворенні енергії пов’язана з необхідністю застосування конкретних форм енергії (головним чином теплоти і електроенергії) в сучасних технологічних процесах при достатньо великій різноманітності первинних енергоресурсів для їх отримання. При цьому навіть ці два види енергії застосовуються в різних формах: теплота – у вигляді пари, нагрітих газів і води при різних значеннях температури, а електрика – у вигляді змінного або постійного струму і при різних рівнях напруги.

Первинними джерелами теплової енергії в основному були і залишаються органічні палива (вугілля, природний газ, нафта, горючі сланці та ін.). Аналіз всіх взаємозв’язків між джерелами енергії (енергоресурсами), тепловою енергією і пристроями для отримання роботи (електроенергії) відноситься до сфери теплоенергетики. Теплоенергетика – галузь енергетики, яка займається перетворенням теплоти в інші види енергії, головним чином в механічну і електричну. Предметом вивчення теплоенергетики є термодинамічні цикли і схеми енергоустановок, степінь їх досконалості, питання горіння палива, теплообміну, теплофізичні властивості робочих тіл та теплоносіїв та ін.

Перетворення енергії реалізується в різних машинах, апаратах і пристроях. В енергетиці в основному використовуються п’ять видів установок: генеруючі, перетворюючі, акумулюючі, транспортуючі та споживаючі.

Технічну основу сучасної теплоенергетики складають теплосилові установки теплових електростанцій (ТЕС), які складаються із котлоагрегатів і парових турбін (мал.1.1).

Над удосконаленням установок, перетворюючих теплову енергію в електричну, працюють більше 100 років. Енергетична цінність енергоресурсів, ефективність їх використання, ступінь удосконалення процесів і установок, технологічних стадій енергетичного виробництва визначаються коефіцієнтом корисної дії (к.к.д.) енергоустановки. К.к.д. більшості вугільних теплових електростанцій в світі складає менше 35–40 %; максимально досягнутий – 45%; на ПГУ і ГПУ – в середньому менше 50%, максимально досягнутий – 60%.

Установки, в яких перетворення теплоти в електроенергію здійснюється без електромеханічних генераторів, називаються установками прямого перетворення енергії. До них відносяться магнітогідродинамічні генератори (МГДГ), термоелектричні генератори (ТЕГ), термоемісійні перетворювачі енергії (ТЕмП).

Поняття про к.к.д. циклу перетворення теплоти у механічну енергію

Перетворення теплоти у механічну енергію в теплосилових установках базується на здатності газоабо пароподібного тіла здійснювати механічну роботу при зміні його об’єму. Газоабо пароподібне тіло, здатне здійснювати механічну роботу при зміні його об’єму, називається робочим тілом. При цьому робоче тіло (газ або пара) повинно здійснити замкнуту послідовність термодинамічних процесів (цикл). У результаті такого циклу від одного або декількох джерел теплоти відбирається певна кількість теплоти Q1 і одному або декільком джерелам теплоти віддається кількість теплоти Q2, менша Q1. При цьому різниця Q1 – Q2 перетворюється в механічну роботу Атеор. Відношення отриманої роботи до затраченої теплоти називається термічним к.к.д. цього циклу:

У найпростішому випадку цикл може бути реалізований при одному джерелі теплоти з температурою T1, яке віддає теплоту робочому тілу, і одному джерелі теплоти з температурою T2, яке сприймає теплоту від робочого тіла. При цьому в температурному інтервалі T1–T2 найвищий к.к.д. ηк серед всіх можливих циклів має цикл Карно, тобто ηк=1– T2/T1≥ηt. К.к.д., рівний 1, тобто повне перетворення теплоти Q1 в роботу, можливий або при T1=0, або при Т2=0. Обидві ці умови такі, що не реалізуються. При земних умовах температура Т2 для теплоенергетичних установок повинна в кращому випадку прийматись рівною температурі То навколишнього середовища (повітря або водойм). Отримати джерело теплоти з температурою Т2<То можна тільки за допомогою холодильної машини, яка для своєї дії потребує затрати роботи.

Процеси, які протікають в реальних установках, перетворюючих теплоту в інші види енергії, супроводжуються різними втратами, в результаті чого отримана дійсна робота Адійсн. виявляється меншою теоретично можливої роботи Атеор. Відношення цих робіт називається відносним ефективним к.к.д. установки ηве, тобто

Мал. 1.1. Загальна схема теплової електростанції на вугіллі

 

(1.2)

Із формул (1.1) і (1.2) отримуємо

Адійсн.=Ql·ηt·ηве=Q1ηе,

де ηе=ηt·ηве – ефективний к.к.д. установки.

При інших рівних умовах ефективність перетворення теплоти в роботу залежить від температури, за якої ця теплота передається робочому тілу. Максимальна робота, яка може бути отримана за рахунок деякої кількості теплоти Q, що відбирається при температурі Т1 при заданій температурі середовища То, називається роботоздатністю, або ексергією Е цієї теплоти, тобто

(1.3)

Із формули (1.3), зокрема, бачимо, що при Т1=То ексергія теплоти дорівнює нулю.

У найбільш повному варіанті установки, які перетворюють теплоту в механічну роботу (наприклад паросилові установки), включають: робоче тіло, яке реалізує замкнуту послідовність термодинамічних процесів (цикл); системи підводу теплоти до робочого тіла від джерела теплової енергії; одну або декілька машин, що сприймають роботу робочого тіла або віддають йому роботу; системи відводу теплоти від робочого тіла в навколишнє середовище. За способом передачі теплоти до робочого тіла розрізняють установки із зовнішнім підводом (теплота підводиться до робочого тіла від зовнішньо го джерела в теплообміннику) і установки з внутрішнім підводом (робоче тіло – продукти згоряння палива).

Пара та її основні параметри. Призначення пари в енергетиці

Робочим тілом, що перетворює теплоту в механічну роботу в теплосилових установках, є пара або газ. Пара – газоподібний стан речовини в умовах, коли газова фаза може знаходитись в рівновазі з рідкою або твердою фазами тієї ж речовини.

Принципової різниці між газом і парою немає. При достатньо високій температурі та низьких тисках, наприклад в продуктах згоряння палива, пара, як і газ, за своїми властивостями наближається до ідеального газу і підпорядковується законам ідеальних газів. Таким чином, водяна пара поряд з твердою і рідкою фазами є однією із форм існування води в природі. Водяна пара використовується як робоче тіло в паросилових установках, як теплоносій в системах вентиляції, теплоі водопостачання, а також використовується в технологічних цілях.

Основні переваги використання водяної пари як теплоносія полягають в наступному:

• пара утворюється із води, яка в природі є відносно легкодоступною;

• пара може зберігати і переносити значну кількість теплоти при відносно низькій температурі в порівнянні з іншими рідинами або газами;

• тиск і температуру пари можна регулювати в широкому діапазоні в залежності від потреб;

• пару можна подавати в місця застосування,використовуючи тільки її внутрішню енергію;

Оскільки насичена пара утворюється в котлі при умовах рівноваги, то присутня в ньому кількість теплоти не перевищує суму ентальпії води (ентальпія води – теплота, затрачена на нагрівання 1 кг води від 0°С до температури насичення) і теплоти пароутворення або випаровування (теплота, затрачена на перетворення 1 кг води з температурою насичення в суху насичену пару). Навіть невеликі втрати теплоти призводять до конденсації пари. Крім того, при утворенні в котлах насиченої пари разом з вихідною парою має місце винесення води. Це відбувається через інтенсивне утворення бульбашок пари при кипінні води. Винос води посилюється при високому вмісті розчинених твердих частинок в котловій воді, високому рівні води в котлі й раптових надмірних витратах пари. Виносні крапельки води містять розчинені тверді частинки, які знаходились в котловій воді. З підвищенням тиску в котлі винос зменшується.

Теоретично насичена пара є сухою, але на практиці вона завжди волога. Ступінь сухості насиченої пари рівний процентному вмісту чистої пари в пароводяній суміші. При хорошій експлуатації котла ступінь сухості може сягати 93% і більше. У нагрівальних пристроях теплоізолюючі водяні плівки значно впливають на теплопередачу. Тому для відпуску кінцевим споживачам пари високої якості слід приймати заходи з максимального зменшення конденсації пари і виносу води.

• пару можна використовувати для покриття змінних теплових навантажень без додаткових витрат енергії;

• пара може використовуватись для опалення, гарячого водопостачання і виробничих потреб;

• втрати пари просто виявляються і достатньо просто компенсуються;

• водяна пара екологічна, не становить небезпеки для здоров’я і навколишнього середовища, пожежобезпечна і не призводить до забруднень.

Водяну пару зазвичай отримують в котельних агрегатах (парових котлах) і незалежно від призначення, типів, розмірів і конструкції котельних агрегатів завжди принципово однаковими способами при постійному тиску.

Якщо при деякому тиску воду нагріти до визначеної температури (для води при атмосферному тиску – 101,325 кПа, або 760 мм рт.ст., – ця температура складає 100°С), то вона закипить, тобто почнеться процес інтенсивного пароутворення. Буде генеруватись пара, яка має ту ж температуру, що й кипляча вода, але при суттєво більшому об’ємі (об’єм пари при 100°С в 1673 рази більший об’єму води при 4°С). Пара над рідиною в такому стані має назву насиченої пари. У процесі пароутворення маса води буде поступово зменшуватись, а маса пари – збільшуватись. До тих пір, поки залишається деяка кількість води, температура системи, незважаючи на безперервний підвід теплоти, постійна. Стан, за якого вода і пара знаходяться в рівновазі, називається станом насичення, котрий характеризується тиском  насичення і температурою насичення.

Моменту, коли остання крапля води випарувалась, відповідає стан сухої насиченої пари. Отже, сухою насиченою парою називається пара, яка не містить крапель рідини і отримується наприкінці процесу пароутворення. Вона все ще знаходиться при температурі насичення. Тільки після перетворення всієї води на пару температура пари може почати підвищуватись.

Якщо процес випаровування проходить при тисках, відмінних від атмосферного, то температура випаровування змінюється: з ростом тиску температура випаровуваної води зростає. Вологою насиченою парою називають суміш сухої пари з краплями вологи, рівномірно розподіленої у всьому об’ємі пари. У присутності рідини відбувається утворення тільки насиченої пари, тому вологу пару називають вологою насиченою. Її можна розглядати як суміш сухої насиченої пари з дрібними краплями води, завислими в масі пари. Склад вологої пари визначають в масових частках, для чого вводять поняття ступеня сухості пари. Під ступенем сухості насиченої пари або під паровмістом розуміють частку сухої пари в 1 кг вологої.

У паропровід можна включити осушувач пари – сепаратор вологи. Важливо правильно розміщувати ці сепаратори. Якщо сепаратор встановлений біля котла, то він може висушувати пару до того, як остання почне надходити у вихідний паропровід. Проте внаслідок теплових втрат в трубопроводі після сепаратора і супутньої цьому конденсації пари вона буде потрапляти в місце використання дещо зволоженою. Якщо встановити сепаратор поблизу місця використання, пара буде подаватись на обладнання практично сухою. Конденсат, який утворюється в паророзподільних колекторах і головних паропроводах, слід систематично видаляти через спускні пристрої.

Повітря заповнює паровий об’єм (котлів, труб, теплообмінників і т.п.), як тільки подача пари припиняється, оскільки залишена в системі пара поступово конденсується і створюється розрідження. Крім того, повітря надходить в парові системи з живильною водою котла. Після термічної деаерації деяка кількість кисню і азоту все ж залишається в живильній воді. Введення хімічних домішок дозволяє зв’язати тільки кисень. При розкладанні карбонатів, які містяться в живильній воді котла, утворюється газоподібний двооксид вуглецю. Гази, як правило, не розчиняються у воді при температурах, характерних для котлів, вони виходять із котла з парою і накопичуються в застійних зонах енергообладнання. Повітря і несконденсовані гази збільшують термічний опір теплообмінних поверхонь, викривляють теплові характеристики і створюють нерівномірність нагрівання поверхонь, а кисень до того ж викликає в присутності вологи корозію. Тому слід приймати заходи для усунення несконденсованих газів у парових системах за рахунок якісної водопідготовки і деаерації.

Чим вищий ступінь вологості пари, тим менше енергії вона містить в 1 кг. Наприклад, суха пара з тиском 0,8 МПа містить 2769 кДж/кг, при 93% ступеня сухості й тиску 0,8 МПа – 2626 кДж/кг; при 85% ступеня сухості й тому ж тиску – 2462 кДж/кг. Якісна ізоляція труб допомагає скоротити такі втрати енергії, а також мінімізувати проблеми, пов’язані зі зволоженням пари.

Як відмічалось вище, до моменту випаровування всієї води утворюється суха насичена пара. Якщо до сухої насиченої пари продовжувати підводити теплоту при постійному тиску, температура її буде зростати, тобто пара матиме температуру вищу, ніж температура насичення при тому ж тиску, через що вона називається перегрітою парою.

Таким чином, за термодинамічним станом розрізняють насичену пару і перегріту пару. Насиченою називають пару, що знаходиться в динамічній рівновазі з рідиною, з якої вона утворена. Перегріта пара має температуру вищу температури насичення при даному тиску.

Стан пари характеризується такими термодинамічними параметрами, як тиск (Па, МПа), питомий об’єм (м3/кг), температура (°С, К), ентальпія (від грецької «enthalpo» – «нагріваю») (кДж/кг), внутрішня енергія (кДж/кг), ентропія (кДж/кг), ступінь перегріву і ступінь сухості.

У залежності від початкових параметрів пари (тиску і температури) на сьогоднішній день розрізняють установки низьких, середніх, високих, докритичних, критичних, надкритичних і супернадкритичних параметрів пари (табл.1.1).

Теплова енергія пари перетворюється в механічну в теплових енергетичних установках – парових машинах і парових турбінах. Для сучасної великої теплоенергетики практичний інтерес становляють тільки паросилові установки (ПСУ) на базі парових турбін. Парові машини можуть бути використані для когенераційних багатопаливних установок невеликої потужності (менше 500 кВт).

У паросиловій установці, яка працює на насиченій парі, можна реалізувати цикл Карно, що позволяє в заданих межах температур Т1 і Т2 отримати максимальний к.к.д. Розглянемо T–S-діаграму циклу Карно для водяної пари (мал.1.2), де T – абсолютна температура, а S – ентропія. Крива А–К–В є суміжною для системи вода–водяна пара.

Відрізок діаграми 4–1 відповідає процесу підводу тепла при перетворенні води у водяну пару до отримання сухої пари. Оскільки при фазовому переході не змінюються ні температура, ні тиск, то цей процес є як ізотермічним (з температурою Т1), так й ізобарним (з тиском р1) одночасно.

Відрізок 1–2 відповідає адіабатичному розширенню пари в паровій турбіні. Після турбіни пара надходить в конденсатор, в якому відбувається фазовий перехід пари у воду і відводиться тепло. Цей процес (відрізок 2–3) також є ізотермічним (з температурою Т2) та ізобарним (з тиском р2). Процес 3–4 відповідає стисненню в компресорі. Точку 3 вибирають таким чином, щоб стиснення проводилось по адіабаті.

Але на практиці ідеальний цикл Карно для водяної пари нездійсненний. Оскільки в точці 3 процес конденсації пари не завершений, питомий об’єм вологої пари при тиску р2 і температурі Т2 такий великий, що для її стиснення в компресорі великих розмірів потрібно виконати значну роботу. Тому реальна корисна робота циклу Карно буде набагато менша за теоретичну.

Таблиця 1.1. Класифікація параметрів пари у залежності від початкових тиску й температури

Параметри пари	Тиск, МПа	Температура, °С
Низькі	< 1,3	200–330
Середні	5	420–450
Високі	9	480–535
Докритичні	13	540
Критичні	16	540
Надкритичні	24	540
Супернадкритичні	30 і більше	650 і вище

Щоб зменшити витрату енергії на стиснення, доцільно провести конденсацію пари до кінця (точка 5). У цьому випадку буде стискатись вода, яка практично не змінює густину і має малий питомий об’єм. Тому виконана робота стиснення буде незначною і піде тільки на проштовхування води до досягнення робочого тиску р1. На відрізку 5–4 буде проходити ізобарний нагрів води до температури Т1. Цикл паросилової установки з повною конденсацією водяної пари називають циклом Ренкіна. Його к.к.д. менший теоретичного к.к.д. циклу Карно, але саме цикл Ренкіна застосовується в паросилових установках сучасних теплових і атомних електростанцій. У цих установках котел (або парогенератор) виробляє перегріту або насичену пару, яка надходить в парову турбіну. Відпрацьована пара, що має більш низькі температуру і тиск, конденсується і повертається в цикл.

Розвиток парових двигунів починаючи з ХIХ століття йшов в напрямку підвищення к.к.д. і збільшення швидкохідності. Для підвищення їх к.к.д. стали на шлях збільшення робочого тиску пари і застосування багатократного її розширення. З цією метою в парових двигунах почали застосовувати перегріту пару. При цьому підвищується к.к.д. циклу Ренкіна (мал. 1.3). Суха насичена пара із парового котла спрямовується в пароперегрівачі для ізобарного нагріву при тиску р1 (точка 1 діаграми).

Розширення в турбіні перегрітої пари відповідає адіабаті 1–2. Процес конденсації пари в конденсаторі описується відрізком 2–2'. Після конденсатора за допомогою живильного насосу тиск води підвищується до робочого практично при постійному об’ємі (ізохорний процес 2'–3), і вона надходить в паровий котел. Відрізок 3–4 відповідає процесу нагріву води в котлі до температури її кипіння при тиску р1. Із мал. 1.3 видно, що при застосуванні перегрітої пари термічний к.к.д. циклу Ренкіна вищий, ніж для циклу з насиченою парою, оскільки вища середня температура підводу теплоти.
Мал. 1.2. Цикли Карно і Ренкіна для насиченої пари

Регенеративний підігрів живильної води парою, відібраною із проміжних ступенів парової турбіни, приводить до підвищення частки корисно використаної теплоти в циклі в порівнянні з відведеною теплотою, в результаті чого збільшується к.к.д. циклу. На мал. 1.3 пунктиром показана крива 6–2'', яка характеризує відбір теплоти водяної пари із турбіни для нагріву живильної води на ділянці 3–4. Таким чином, зменшується довжина відрізку ізотермічної віддачі теплоти в конденсаторі на величину 2–2'', а отже, і втрати з проміжним перегрівом теплоти в ньому. Як підігрівачі живильної води в схемах з регенеративним підігрівом можуть використовуватись теплообмінники змішаного і поверхневого типів. У потужних паросилових установках кількість регенеративних відборів може сягати дев’яти.

Мал. 1.3. Цикл Ренкіна для перегрітої пари

Мал. 1.4. Цикл Ренкіна для перегрітої пари

Із вищесказаного випливає, що термічний к.к.д. паросилової установки тим вищий, чим більший перепад ентальпій на вході й виході парової турбіни. Тому для збільшення к.к.д. слід підвищувати параметри гострої пари (тиск р1 і температуру Т1) і знижувати тиск наприкінці розширення р2 (в конденсаторі). Найбільший ефект від підвищення ентальпії гострої пари досягається при одночасному збільшенні тиску і температури (мал. 1.4), що пояснює тенденцію впровадження установок з максимально високими параметрами пари. Значення р1 і Т1 обмежуються жароміцними характеристиками металів, із яких виготовлено обладнання паросилової установки. Мінімально можливий рівень кінцевого тиску р2 визначається оптимальним відношенням витрат, потрібних для його досягнення, і термодинамічною користю, яка буде отримана при зниженні кінцевого тиску до рівня р2.

У реальних умовах тиск в конденсаторі складає р2=1–3,5 кПа, що набагато менше атмосферного.

Проте ріст початкового тиску і зниження кінцевого одночасно зі збільшенням перепаду ентальпій призводять до підвищення вологості пари наприкінці розширення (точка 2 на мал. 1.4). У реальній турбіні кінцева вологість пари не повинна перевищувати 12%. При більшій вологості відбувається зниження к.к.д. турбіни і збільшується механічне спрацювання її лопаток краплями вологи. Тому для підтримки допустимої вологості при зростанні параметрів гострої пари використовують проміжний перегрів: після ступеня високого тиску, де пара стає насиченою (точка 6), вона спрямовується в перегрівач, розташований в котельному агрегаті, в якому вона нагрівається до робочої температури Т1 (ділянка 6–1), і далі повертається в наступні за точкою відбору ступені турбіни (відрізок 1–2). Із мал. 1.4 видно, що вологість точки 2 менша, ніж точки 2. Проміжний перегрів пари одночасно приводить також до росту ефективності циклу паросилової установки, оскільки додається корисна робота, еквівалентна площі 6–1–2–2.

Таким чином, в сучасній тепловій і атомній енергетиці основним робочим тілом є водяна пара, продукована в парових котлах теплових електростанцій або в парогенераторах атомних електростанцій. Частка газотурбінних електростанцій, на яких робочим тілом є суміш повітря з продуктами згорання палива, в світовій енергетиці до останнього часу відносно невелика.

Кінець ХХ і початок ХХI століття в світі характеризуються розробкою і використанням електростанцій на низькокиплячих робочих тілах, які в поєднанні з водяними паросиловими установками дозволяють більш повно використовувати теплоту палива. Походження більшості типів низькокиплячих робочих тіл має природний характер – це вуглеводні, водоаміачний розчин, двооксид вуглецю. Із синтезованих можна виділити фторвуглець (FC) з нульовим впливом на озоновий шар атмосфери і силіконове масло.