Енергія як повітря, допоки
вона є, її ніхто не помічає…
Не знаючи енергетичного голоду,
легко можуть не
помічати і того, хто його втамовує.
Отже, чому вугілля? Тому що це просто. Тому, що його достатньо.
З прадавніх часів вугілля
використовують як енергетичну і енерго-технологічну сировину. Про вугілля повідомляють античні, давньо-римські, давньо-китайські джерела.
Досить рано людство навчилося з допомогою вугілля виконувати роботу. Перший випадок розумного застосування вугілля і пари в механіці описано в 1545 р. в Іспанії,
коли капітан флоту Бласко де Ґарай сконструював машину, за допомогою
якої приводив в рух бічні гребні колеса корабля. За наказом короля Карла V
машина вперше була випробувана в Бар
селонській гавані при
перевезенні 4000 центнерів вантажу кораблем на три морські милі за дві
години. Винахідник був винагороджений, але машина залишилася без
застосування і була забута.
Зоряний час вугілля і пари почався за Нової історії, коли новонароджена промисловість вимагала більше і більше
енергії для свого росту. А надавали енергію в ті часи в основному водяні колеса. І якщо текстильну фабрику ще можна побудувати на
березі ріки, то поклади руди чи вугілля мають
розроблятися в місцях залягання. На копальнях, віддалених від річок, могли використовувати тільки силу тварин. Власник однієї англійської копальні у 1702 році для приведення в дію
насосів, які відкачували воду, був вимушений тримати 500 коней. А таке підсобне господарство рудокопу мати було не дуже цікаво.
Тож промисловість для свого розвитку конче потребувала потужний двигун нового типу, який дозволяв би створювати
виробництво і видобуток в будь-якому місці. І першим поштовхом до створення нових
двигунів, не прив'язаних до рік, стала саме потреба в насосах і підйомниках в
металургії і гірничій справі. Відгукуючись на цю потребу, технічний геній людства ніби з рогу достатку став "випльовувати" з кожним разом все кращі шедеври з металу, вогню та пари. Атмосферні машини Севері (1698 р.), Ньюкомена-Коулі (1710), Ползунова (1766), парова машина Ватта (1774 р.)... Зрозуміло, парову машину спробували помістити спочатку на корабель - пароплав "Клермонт" Фултона (1807), - а згодом і на візок: локомотив "Паффі Біллі" (1813), паротяги Стефенсона (1815-25), Черепанових (1834).
У 1769 році Ватт запатентував паровий двигун з окремим конденсатором, пізніше - застосування в двигуні пари з тиском, вищим за атмосферний, що значно
знижувало витрати палива. Саме в машині Ватта було закладено основні принципи будови і роботи поршньової парової машини надмірного тиску (0,2–0,3 МПа). Вона стала вироком останньому водяному колесу. Згодом, починаючи з Вольфа в Англії, розроблялися схеми багатократного розширення пари послідовно в 2, 3 і навіть у 4 прийоми, коли пара переходила з циліндра високого тиску (ЦВТ) у наступні циліндри з остаточним тиском (ЦСТ, ЦНТ). Однак, після Ватта більше ніхто нічого істотного не міг додати у частині принципу дії двигуна, тож приблизно з 1790-х, вдосконалення йшли переважно в напрямі підвищення робочого тиску і температури водяної пари двигунів. Якщо перші атмосферні машини Севері потребували більше 25 кг вугілля на 1 кінську силу своєї потужності, то через 150 років паросилові установки, що випускалися промисловістю США, затрачали вже 3 кг вугілля на 1 к. с. Тож рушій прогресу на найближчі 100 років було чітко визначено. Ним стало старе і знайоме вугілля.
З першим пуском серійного виробництва електричних двигунів у 1850-60-х роках, винайденням перших телеграфу і телефону людство все більше смакувало принадами електричної енергії. А з винайденням у 1870-х лампи розжарювання просто бог звелів завести електрику у кожну оселю. І коли людство зрозуміло, що для величезних перспектив, що раптом йому відкрилися, можливостей тогочасних гальванічних батарей йому буде замало, знов технічна думка в особі Густава Лаваля і Чарлза Парсонса підказала оптимальне вирішення проблеми. Ним у 1870-х роках стали перші прототипи сучасної парової турбіни, яка призначалась для роботи разом з електричним генератором для добування електроенергії.
З тих часів виробництво електрики принципово не змінюється. Воно має такі стадії перетворення енергії.
Мінеральне
паливо спалюється в котлі. Виділена при цьому теплова енергія
акумулюється робочим середовищем – водою, яка після поглинання певної
кількості тепла перетворюється на стиснену і перегріту ("гостру" чи "свіжу" - це вже залежно від сленгу різних енергетиків) водяну
пару. Остання під тиском подається на лопатки турбіни, змушуючи
обертатися ротор турбіни, що напряму з'єднаний з валом
електрогенератора.
Температура
Т та тиск
Р "гострої" пари є базовими
параметрами енергогенеруючого устаткування теплових електростанцій.
Такою була динамо-машина, встановлена містером Едісоном на Pearl-Street в Нью-Йорку у 1882 р.
А таким є машинний зал сучасної електростанції, відкритої в Німеччині в 2015 році.
Під декоративним кожухом багатосоттонне нагромадження корпусів, валів, коліс,
труб… Що спільного? І в 1882, і в 2015
в таких енергоблоках ми спалюємо вугілля. З року в рік спалюємо все більше. Мені подобається ілюстрація з однієї брошури вчених Уппсальського
університету (Швеція) і ці числа звідти ж. Так, пані, панове, це далеко
не гігант, це європейський середнячок, Швеція, кінець 1980-х!!!
Ще є інформаційний ресурс, що
дозволяє просто шкірою відчути швидкість і масштаби видобування
викопного палива у світі. Як тільки Ви увійшли на сторінку, вмикаються лічильники,
що відраховують кількість добутого вугілля, нафти і газу з моменту
Вашого входу. Можна дізнатися також, скільки добуто цих копалин з
моменту Вашого народження.
А різниця за майже 200 років? Різниця в тому, на скільки розумніше з часом ми спалюємо це вугілля.
В історії розробки ТЕС має місце постійне збільшення одиничної
потужності та зростання параметрів робочої пари для кожного наступного
покоління енергоблоків. На межі 19 і 20 століть звична потужність турбін була 300...400
кВт; великими вважалися турбіни на 1000 кВт (1 МВт). А вже в 1950-х була подолана межа 1000 МВт.
І мотив тут зовсім не американський
чи радянський гігантизм, а суто економічний аспект.
Ось як виглядав типовий початок науково-технічних звітів, які тисячами "народжували" радянські науково-дослідні інститути з вивченняпроблем енергетики і супутніх технічних галузей
Для устаткування
попереднього покоління, спроектованого до 80-х рр. 20 ст., були
досягнуті параметри "гострої" пари Т = 540-580 °С; Р = 16-25 МПа. При
цьому коефіцієнт корисної дії (ККД) енергоблоків становив 35-40 %.
Тривала міцність низьколегованих перлітних сталей з вмістом хрому до 3
%, з яких виготовлялися турбо- та котлоагрегати, трубні системи,
перепускна та регулювальна апаратура, була достатньою для забезпечення
вищевказаних параметрів. А далі зась. Для роботи при Т > 580 °С; Р > 25 МПа
мусили виготовляти енергоблоки вже з більш жароміцних матеріалів,
відомих на той час. Це мартенситно-феритні сталі з вмістом Сr 11-13 %,
аустенітні хромо-нікелеві сталі, сплави з високим вмістом нікелю. Але
спроби розробки устаткування з надкритичними параметрами пари тоді не
були численними через недоліки та обмеження, пов'язані з цими
матеріалами та їх зварними з'єднаннями.
Подальше
зростання параметрів пари стало можливим тільки після 80-х із розробкою
складнолегованих мартенситних сталей з вмістом Сr 8-10 %: Р91 (США,
1980 рiк), NF616 (Японія, 1985) та Е911 (Європейський союз, 1990). Ці
сталі мають вищий комплекс характеристик міцності та пластичності при
кімнатній та високій температурах, ніж будь-які перлітні сталі та
більшість мартенсито-феритних сталей. Їх вартість нижча, ніж в
аустенітних сталей. За технологічністю у виготовленні вони переважають
мартенситно-феритні сталі. Тому на основі чисто мартенситних сталей з
8-10 % Сr стало можливим проектування та масове промислове впровадження
енергогенеруючого устаткування нового покоління з параметрами "гострої"
пари Т = 590-620 °С; Р = 26-31 МПа, що триває і нині. Таке підвищення
параметрів пари обумовлює зростання ККД енергоблоків нового покоління до
41-44 %.
Ось все вищесказане - історія зростання робочих параметрів ТЕС, коротко і в графічній формі, на прикладі японських електростанцій.
В цій царині кожне підвищення параметрів на 10-20 °С чи на 2-3 МПа - вже свято. Подекуди при визначенні майбутнього покоління блоків фігурують
такі перспективні числа робочих параметрів Т до 720 °С; Р до 37 МПа. Щоб
представити це наочніше, скажу, що сталь при нагріві до 720 °С
світиться яскравомалиновим кольором.
Але при цьому вона не м'яка, як
пластилін, а має певний рівень міцності достатній, щоб тримати всі ті
неймовірні тиски та температури мініатюрного керованого пекла в нутрощах
енергоблоку.
Зараз це мрія.
Але й зараз же ось яка реальність: "постіндустріальна"
Європа морщить чоло, роздуває щоки і відсапується, бо намагається
вичавити все, що можна, з таких банальних матеріалів як сплави заліза. І
поступово наближається до тих меж!
Розробляються нові типи сталей з нетрадиційними механізмами зміцнення
металевої матриці при високих температурах (інтерметаліди, карбонітридна
z-фаза замість традиційних карбідів). Вже можна ставити під сумнів і
коректність терміну "сталь" для матеріалів, в яких вміст вуглецю
становить 0,002 % і менше. Всі хочуть мати справу з матеріалом
мартенситного класу, а не з геморною нержавійкою чи наддорогим "високим
нікелем". Хід робіт цього напряму контролюється на вищому урядовому
рівні відповідними єврокомісарами. Для чого?
Бо досягнення отих меж обіцяє загнати ККД
вугільних енергоблоків за відмітку 50 %. А кожен подібний стрибок ККД це деяке зменшення
затраченого палива та викидів в атмосферу на одиницю отриманої потужності ТЕС.
Так-так, невеличке зменшення отих гір, що покривають вежу Ейфеля, і хмар над ними. Мабуть зайве говорити, що над
тим самим працюють у поті чола і США, і Японія. Останні років із 10 в цій царині досить активний і Китай. Отож, пані-панове, з 18 століття
і дотепер ми безпросвітно сидимо у добі вугілля й пари. Знову ж таки всезнаюча
статистика десь у 2000 р. вияснила, що за всю попередню людську історію добуто тільки 2-3 %
від запасів вугілля, розвіданих на той момент. Все в природі йде легкими шляхами і
уникає важких шляхів. А вугілля порівняно легко добувати. Воно є досить рівномірно по регіонах і континентах. Ось людство і вчепилося
за нього, як дідько за грішну душу.
Але біда в тому, що продемонстрована в цій таблиці забезпеченість світу вугіллям цілком ілюзорна. Бо якщо людство скористається і спалить ці запаси, то воно поверне собі той склад атмосфери, який був багато сотень мільйонів років тому. Ще до того як стародавні флора і фауна планети спожили весь той атмосферний вуглекислий газ, звільнили кисень, забрали собі на будову тіла вуглець і нарешті відклалися у вигляді скам'янілих решток "чорного золота".
[ 