Ликбез №31: Трансформируем энергию Солнца
Водяной пар вращает турбину, к валу которой присоединен ротор генератора. На выходе получается электроэнергия. Процесс выглядит просто, но это только кажется. Наши коллеги из «Сибирского энергетика» изучили тонкости работы угольной электростанции на примере ТЭЦ-10 «Иркутскэнерго».
По системе «дубль-блок»
«Проект станции был разработан в пятидесятых годах, строительство началось в середине десятилетия, 19 сентября 1959 года была пущена первая турбина, а в 1962 году заработал восьмой энергоблок. Станцию построили за три года – таких темпов в Советском Союзе не было за всю историю энергетики. Вдобавок в те годы это была самая крупная тепловая электростанция в стране», – рассказывает начальник производственно-технического отдела ТЭЦ-10 Виктор Гнутов. Станция расположена в Ангарске и является крупнейшей ТЭЦ в Иркутской области: ее установленная электрическая мощность — 1110 МВт, тепловая — 563 Гкал*час.
ТЭЦ-10 также одна из самых передовых: впервые в СССР на уровне проекта был заложен принцип блочной компоновки (котел – турбина – генератор) с прямоточными котлами. При этом ТЭЦ-10 не работает в теплофикационном режиме, по сути – это электростанция. Раньше в национальной энергосистеме их ставили в определенных узлах, чтобы выдерживать режим работы всей сети. Сегодня ТЭЦ-10 востребованна, когда не хватает электроэнергии, которую вырабатывают другие ТЭЦ, работающие в теплофикационном режиме, и ГЭС. Поэтому лучшего примера для рассказа о том, как уголь превращается в электричество, не найти. Для станции, носящей статус ГРЭС, именно оно – а не тепло – является первичным продуктом производства. Хотя само слово «производство» здесь не совсем уместно.
«Мы не вырабатываем энергию, мы ее только трансформируем, – подчеркивает Виктор Гнутов. – Уголь содержит химическую энергию топлива: по сути – это энергия Солнца, которая когда-то была запасена. Мы просто превращаем ее в тепловую энергию – пламя. Затем в механическую – пар. Ее генератор преобразует в электрическую энергию».
Принцип работы кратко можно описать семью словами: пар из котла раскручивает рабочие колеса турбины. Но за каждым вторым или третьим из них стоит отдельный процесс со своими тонкостями. Для начала пар высочайшей температуры под огромным давлением подают по трубе, которая соединяет котел с турбиной. «Паропроводы проходят внизу, – объясняет Гнутов, указывая на стопорный клапан перед турбоагрегатом. – Если с них снять изоляцию, то в затемненном помещении они будут светиться вишневым цветом – можно запросто прикурить сигарету или поджечь лист бумаги».
Паропроводов два, поскольку на ТЭЦ-10 на одну турбину приходится два котла. Этим – наличием дубль-блоков – она отличается от других тепловых электростанций «Иркутскэнерго». Есть и отличия в составе оборудования. Только первая из восьми машин ТЭЦ-10, как говорят энергетики, является турбиной с двойным отбором: теплофикационным, когда пар сам по себе забирают для нужд отопления, и производственным, при котором его используют для подогрева воды. Остальные семь являются конденсационными, то есть предназначенными исключительно для выработки электричества. Объясняется такая схема просто: изначально станцию строили как источник энергии для Ангарского электролизного химического комбината, на котором обогащали уран. Поэтому на каждую турбину приходится по два котла – если один остановится, второй останется в работе, а от каждого энергоблока на предприятие тянется отдельная линия электропередачи. Плюс на станцию заходят ЛЭП, идущие со стороны Иркутской и Братской ГЭС.
Два барабанных котла, знакомых по другим ТЭЦ «Иркутскэнерго», на «Десятке» объединены только с первой турбиной – 60-мегаваттной ТП-60. На семь оставшихся машин К-150 приходится 14 прямоточных агрегатов ПК-24. «В верхней части барабанного котла установлена, по сути, большая бочка, где разделяют пар и воду. Вода в нем кипит в опускных и подъемных трубах. У нас же получается «навивка» – трубы идут по стенкам котла с подъемом по боковым стенам. Вода по ним поднимается, превращается в пар, который потом перегревается и уходит на турбину», - рассказывает Гнутов. Все восемь энергоблоков при этом располагаются очень компактно: главный корпус ТЭЦ-10 почти такой же по длине, как у Ново-Иркутской ТЭЦ, хотя там установлено шесть турбин, а здесь – восемь.
«Моргнули – пятьдесят оборотов ротор сделал»
Однако на всех станциях машины действуют одинаково. Пар, пришедший по паропроводам из котельного отделения (или цеха, если котлотурбинный цех разбит на два самостоятельных подразделения), поступает в цилиндр высокого давления. Для первой машины «Десятки» его температура составляет 530 градусов, а давление достигает 90 атмосфер, у остальных – 545 градусов и 130 атмосфер соответственно. Силу потока при этом меняют с помощью регулировочных клапанов. Пар раскручивает рабочие колеса турбины – множество лопаток, которые установлены на вал. По внешнему диаметру они соединены бандажной лентой. Чтобы выдержать напор горячего пара, рабочие лопатки для первого колеса делают сравнительно небольшими – примерно полтора десятка сантиметров в длину. На следующих колесах их размеры постепенно увеличиваются.
Чтобы раскрутить многоступенчатую конструкцию, потоку необходимо придать форму синусоиды. За это отвечают направляющие лопатки, которые устанавливают в корпусе турбины так, чтобы они оказались между рабочими колесами. Одну из них – увесистую деталь сложной формы, навевающей ассоциации с полумесяцем или стилизованным взмахом ракетки на логотипе кроссовок Nike, – демонстрирует начальник производственно-технического отдела ТЭЦ-10. Отполированная зеркальная поверхность, ощущение приятной тяжести – все говорит о том, что перед нами нестандартный продукт, сделанный из жаропрочного сплава. «Честно говоря, не представляю, как их в пятидесятых годах вытачивали, – замечает Виктор Гнутов. – Сейчас-то станки с числовым программным управлением, все понятно. Да и сама паровая турбина – продукт высоких технологий. Вращается она с частотой три тысячи оборотов в минуту. То есть пятьдесят в секунду. Моргнули – пятьдесят оборотов ротор сделал».
Пар, который прошел через цилиндр высокого давления, направляют на пароперегреватель, где температуру вновь повышают до 545 градусов (в случае с турбиной К-150) и после этого направляют в цилиндр среднего давления. Здесь установлен ротор с рабочими колесам большего диаметра. На выходе поток пара разделяют – часть его движется дальше по оси турбины, а часть подается через П-образный трубопровод, установленный сверху. Это сделано для того, чтобы нагрузка на рабочие лопатки в цилиндре низкого давления распределялась равномерно. Мера не лишняя – длина тех из них, которые установлены на последнем колесе, достигает 76 см.
Давление пара, который проходит по сложной траектории через многоступенчатую конструкцию, на входе в турбину, как уже было сказано, равняется 130 атмосферам. На выходе оно уже ниже атмосферного – менее 700 мм ртутного столба. «Это вакуум, – констатирует Гнутов. – Есть даже такое профессиональное выражение: «Сорвать вакуум». Оно означает, что при остановке турбины закрываются инжекторы, которые его поддерживают. За счет этого она быстрее останавливается – в вакууме она будет крутиться гораздо дольше».
Друзья и враги турбины
В конструкции, которые вращаются с огромной скоростью, заложен значительный запас прочности. При этом качество их изготовления должно быть высочайшим. «После монтажа или ремонта турбину раскручивают постепенно, замеряя вибрацию. Есть специальные приборы, с помощью которых определяют, куда повесить груз для балансировки. Потому что вибрация – это враг турбины. Из-за нее разрушаются лопатки, рабочие колеса, а в итоге вскрывается вся турбина», - объясняет Гнутов.
Такие нагрузки не выдерживают и привычные шариковые или роликовые подшипники, так что вал закреплен в подшипниках скольжения. Внутри них – втулки из баббита, сплава из олова или свинца, сурьмы и меди, названного в честь изобретателя Исаака Бэббита. Между втулками и гладкой шейкой вала – слой масла. «При такой частоте вращения возникает масляный клин, и ротор слегка всплывает, – поясняет Гнутов. – То есть нет контакта металла с металлом». Для этого масло из бака, рассчитанного на 20 тонн, постоянно подается на подшипники – поток его можно увидеть, заглянув в смотровое окошко сливных маслопроводов. Главный насос, который его подает, работает от вала турбины. Есть также резервный и аварийный маслонасосы, причем последний работает от аккумуляторной батареи. Масло, которое проходит через подшипники и нагревается, пропускают через охладители и сливают в бак. Оттуда его вновь накачивают насосы, и цикл повторяется. Для охлаждения генератора, который и вырабатывает ток, используется водород. Его чистота должна быть не ниже 97%.
Современные технологии позволяют управлять столь сложной машиной, как паровая турбина, с помощью обычной компьютерной мыши – щиты управления энергоблоками компьютеризированы. Дублирующая система – множество вентилей, задвижек и кнопок. «Назначение каждой надо знать, – отмечает Виктор Николаевич, когда мы лавируем среди запорной арматуры. – А их здесь сотни!». В глаза, впрочем, сразу бросается кнопка под красным колпаком – автомат безопасности, с помощью которого можно в случае чего отключить турбину. Заметнее него разве что пожарные стволы, расставленные по машинному залу через равные промежутки. Безопасности на опасном производственном объекте уделяют первоочередное внимание.
Для этого снаружи главного корпуса станции оборудованы подземные коллекторы, в которые в случае пожара сливается масло из баков, находящихся внутри него. Также на улице установлены трансформаторы. Дело в том, что генератор, входящий в состав энергоблока, выдает напяжение 18 киловольт. Чтобы передать электрическую энергию потребителям, напряжение необходимо повысить до 110 кВ. Для собственных нужд станции напряжение, напротив, понижают до 6 кВ. Трансформаторы, которые его преобразуют, даже выглядят по-разному: повышающие существенно больше понижающих.
Любой гидроузел в России – комплексного значения, и выработка электроэнергии – не самая его главная задача. Гораздо важнее бывает, например, обеспечение водоснабжения городов как в верхнем, так и в нижнем бьефе. Общественники требует снизить пропуск через Иркутскую ГЭС, невзирая на угрозу водозаборам городов Иркутской области. Объясняем на примере Ангарска, почему так сделать не получится.
Наш друг – газета «Сибирский энергетик» – о том, как организован процесс водоподготовки на тепловой станции, работающей на угле. Казалось бы, вода – источник генерации только на ГЭС; но на ТЭЦ без нее не получится пара, а без пара – тепла и электричества. Но в тепловой генерации воду для использования в технологическом процессе сначала специально готовят.
