Глава седьмая
ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ
В предыдущих главах был затронут ряд вопросов, дающих представление о современном состоянии энергетики. В некоторых случаях, например в связи с невозобновляющимися источниками энергии, говорилось о проблемах, связанных с их удорожанием и постепенным исчерпанием.
В данной главе мы попытаемся представить себе, в каких направлениях будет развиваться энергетика. Разумеется, могут быть высказаны лишь самые осторожные суждения, прежде всего потому, что сегодня мы не имеем оснований предпочесть один путь развития другому, ибо не знаем, какие усовершенствования и достижения будут достигнуты на том или ином пути.
Сегодня нам ясно следующее. Современная энергетика во многих своих областях достигла периода технологической зрелости, и здесь вряд ли могут ожидаться существенные качественные изменения. К такой технологии относится, например, получение электроэнергии на паротурбинных электростанциях. Схема этих установок и отдельные их элементы достигли такой степени совершенства, что в этой области возможны лишь небольшие количественные изменения — незначительное улучшение к. п. д., увеличение единичной мощности агрегатов, уменьшение вредности воздействия на окружающую среду.
С другой стороны, сегодня имеются направления, представляющие пока еще слабые ростки. Им еще пред-· стоит окрепнуть. Некоторые из этих направлений не выдержат конкурентной борьбы и либо отомрут, либо трансформируются, другие разовьются и через 30—50 лет (такой срок считается обычным для широкого внедрения новой технологии) займут в энергетике доминирующее положение.
Правильно угадать, какие из этих направлений перспективны — важная и ответственная задача, ибо сегодня развитие новых направлений в энергетике требует огромных материальных и людских затрат. В данной главе мы перечислим те из новых направлений, для которых сегодня не видно альтернатив, т. е. развитие которых как будто бы предопределено.
ПРОБЛЕМА К. П. Д.
Эта проблема наиболее существенна для установок, преобразующих теплоту в работу или электроэнергию.
Почему она нас беспокоит? С одной стороны, потому, что увеличение к. п. д. — это экономия первичных энергоресурсов, важная как сама по себе, так и для снижения стоимости вырабатываемой энергии. С другой стороны, необходимо отметить, что значение к. п. д. непосредственно связано с количеством теплоты, выбрасываемой в соответствии со вторым законом термодинамики в окружающую среду. Пока энергетические установки имели малую мощность и концентрация их в одном месте была невелика, это так называемое тепловое загрязнение окружающей среды не представляло особой опасности. Однако теперь, и особенно в будущем, этот вопрос, как будет показано в § 7.4, приобретает большую остроту.
Покажем, что тепловое загрязнение окружающей среды очень сильно зависит от к. п. д. теплосиловой установки.
Действительно, пусть теплосиловая установка имеет к. п. д. ηе и вырабатывает L кДж механической или электрической энергии. Тогда на основании формул (4.5) и (4.6) легко подсчитать, сколько теплоты Q2 должно быть отдано в окружающую среду на каждый килоджоуль выработанной электроэнергии:
Вид этой зависимости показан на рис. 7.1. Как отмечалось в гл. 4, к. п. д. современных теплосиловых установок и тепловых двигателей составляет около 40%. В соответствии с рис. 7.1 это означает, что на каждый килоджоуль выработанной электроэнергии такие установки сбрасывают в окружающую среду 1,5 кДж теплоты. Если бы удалось повысить к. п. д. с 40 до 50%, т. е. в 1,25 раза, то, как видно из рис. 7.1, Q2/L при этом уменьшилось бы с 1,5 до 1,0, т. е. в 1,5 раза.
Рис. 7.1. Влияние к.п.д. на тепловое загрязнение окружающей среды.
Какие же есть возможности для повышения к. п. д. теплосиловых установок? Как уже говорилось в гл. 4, основная и радикальная возможность лежит в расширении температурного диапазона, в котором осуществляется цикл теплосиловой установки. При этом не нужно думать, что речь идет только о повышении верхней температуры цикла. Понижение нижней температуры тоже может явиться достаточно действенным способом повышения к. п. д. цикла.
Последнее замечание особенно существенно для циклов паротурбинных электростанций. Сегодня нижняя температура паротурбинного цикла (температура, при которой конденсируется пар, см. рис. 4.4) принимается равной примерно Т2=302 К (29°С). В то же время вода естественных водоемов и окружающий воздух, к которым должна отводиться теплота Q2, имеют обычно более низкую температуру, особенно зимой. Всякое понижение Т2, особенно в паросиловом цикле, очень желательно для повышения к. п. д. Например, понижение температуры Т2 с 302 до 297 К увеличивает к. п. д. паросилового цикла примерно на 2%. В реальных установках, как правило, не идут на такое понижение температуры Т2. Выбор этой температуры определяется технико-экономическими расчетами. При этом большое значение имеют свойства водяного пара, применяемого сегодня в паросиловых установках повсеместно. В частности, при температуре Т2=302 К необходимое давление в конденсаторе составляет 0,04·105 Па. Это давление очень низкое — оно в 25 раз меньше атмосферного давления. Водяной пар при таком давлении представляет собой очень разреженный газ; один килограмм такого пара занимает объем 35,5 м3 (для сравнения укажем, что 1 кг воздуха при нормальных условиях занимает объем 0,77 м3, т. е. в 46 раз меньший). Чтобы пропустить такие большие объемы пара, последние ступени паровых турбин должны иметь очень большой диаметр, а сами лопатки — очень большую высоту (до 1,5 м). Дальнейшее понижение температуры, а значит, и давления в паросиловом цикле, например, до Т2=297 К потребовало бы давления в конденсаторе около 0,03· 105 Па, а соответствующий объем 1 кг пара возрос бы с 35,5 до 46,5 м3, т. е. в 1,3 раза. Это потребовало бы примерно во столько же раз увеличить длину последней лопатки. В такой длинной лопатке возникают очень большие механические напряжения за счет центробежных сил, и такая лопатка оказывается либо неосуществимой, либо ненадежной. Большое значение при выборе температуры Т2 имеет и тот факт, что при ее понижении возрастает влажность пара на последних ступенях турбины. Капли влаги вызывают эрозию лопаток и уменьшают надежность турбины.
Есть ли выход из этого положения? Можно ли более эффективно использовать нижнюю часть температурного интервала, который дает нам окружающая среда? Можно, если отказаться от водяного пара и использовать при низких температурах в качестве рабочего тела пар какого-либо другого вещества, имеющего при низких температурах более высокие давления конденсации.
Таким рабочим телом, например, могла бы быть углекислота. При температуре 297 К ее давление конденсации составляет 62,6·105 Па, а объем 1 кг 0,044 м3, т. е. примерно в 1000 раз меньше, чем у водяного пара. Но для высокотемпературной части цикла углекислота оказалась бы менее удобной, чем водяной пар.
Таким образом, проблема снижения температуры Т2 в термодинамическом цикле — это в большой мере проблема подходящего рабочего тела. Существует возможность использовать в паросиловой установке несколько рабочих тел — каждое в том интервале температур, для которого оно более всего приспособлено. Но в этом случае схема всей установки усложняется, нужны дополнительные теплообменники, передающие теплоту от одного рабочего тела к другому.
Сегодня эта проблема все еще не нашла удовлетворительного решения. Хотя низкокипящие вещества, например фреоны или аммиак, применяются в некоторых паросиловых установках, например в геотермальных (см. § 3.6), но в большую теплоэнергетику они пока не внедряются, ибо технико-экономические преимущества, обеспечиваемые ими, сравнительно невелики, а многие эксплуатационные характеристики электростанции при этом ухудшаются. Однако поиски подходящих рабочих веществ будут продолжаться, и по мере удорожания органического топлива технико-экономические показатели будут склоняться в пользу повышения к. п. д. установки.
Проблема верхней температуры термодинамического цикла Т1 отчасти затрагивалась в гл. 4. Если по температуре Т2 улучшение может сводиться к понижению температуры всего на 10—15°С (предел — температура окружающей среды), то принципиальные возможности повышения температуры Т1 несравненно шире.
Даже, если говорить только о природных органических топливах, то температура их продуктов сгорания может составить около 2000 К, а при некоторых усложнениях схемы и 3000 К. В то же время сегодня в стационарной теплоэнергетике температура Т1 в паросиловом цикле не превышает 815 К, а в газотурбинных авиационных двигателях в лучшем случае достигает 1400 К.
Что же мешает поднять температуру Т1? В подавляющем большинстве случаев ограничения на температуру Т1 накладывают прочностные и коррозионные характеристики материалов. С ростом температуры механическая прочность почти всех материалов уменьшается. Основой сегодняшнего энергомашиностроения являются различные стали, механические характеристики которых при приближении к температуре 1000 К резко ухудшаются. Конечно, существуют материалы, имеющие достаточную прочность и при более высоких температурах, но есть множество причин, среди которых одна из важнейших — стоимость, по которым применение этих материалов для повышения температуры Т1 в термодинамическом цикле нецелесообразно.
Остается другая возможность — расширять температурный диапазон термодинамического цикла с помощью принципиально других схем и устройств, в которых механические характеристики материалов не играли бы решающей роли.
Такими устройствами могут явиться и некоторые из рассмотренных в гл. 5 устройств прямого преобразования энергии. Прежде всего к ним следует отнести магнитогидродинамические или (а может быть и) термоэмиссионные преобразователи. Как уже отмечалось в гл. 5, они используют верхнюю часть температурного интервала, а в нижней части остается обычная паросиловая установка.
Почему же установки прямого преобразования энергии — ТЭП или МГД способны работать при более высоких температурах, чем обычные турбинные установки? Это связано с тем, что механические напряжения в элементах их конструкций несравнимо меньше, чем в лопатках и роторах турбин, а значит, упоминавшееся ранее ограничение для них не столь существенно. Правда, в таких установках к материалам предъявляются иные, подчас не менее сложные требования. Это безусловно тормозит внедрение методов прямого преобразования в энергетику. Но широкий фронт работ, посвященных этим проблемам, дает основание надеяться, что методы прямого преобразования, и во всяком случае МГД метод, войдут в энергетику в течение ближайших десятилетий. При этом к. п. д. электростанций должен возрасти от сегодняшних 40% до 50, а в дальнейшем, возможно, и до 55—60%. Такое повышение к. п. д. позволит в 1,5 раза уменьшить расход первичных источников энергии и в 2,2 раза уменьшить тепловое загрязнение окружающей среды.
