На цикле А.И.Калины

Всякое расширение интервала температур теплосилового цикла, теоретически ведущее при прочих равных условиях к повышению его термического КПД, связано, как известно, с необходимостью увеличения отношения давлений испарения и конденсации.

Возможности уникального в этом отношении вещества – воды – в современной теплоэнергетике практически исчерпаны. Поэтому на верхнем, «горячем», участке цикла часть перепада температур используется уже вне парового цикла, например в газовой турбине. У современных атомных и геотермальных электростанций (по самой их природе) верхняя температура рабочих циклов ограничена, поэтому ни­каких других реальных возможностей существенного расширения температурного интервала работы пароводяных циклов у этих электростанций в обозримой пер­спективе нет. Что касается нижней части цикла, необходимость в высоком вакууме исключает использование воды как рабочего тела при температурах, даже приближающихся к нулю, не говоря уже о более низких. Поэтому современная «большая» теплоэнергетика вынуждена пока работать в условиях, диктуемых свойствами воды. Между тем «расширение» интервала температур работы тепловых электростанций остается в числе актуальных проблем повышения эффективности теплоэнерге­тики. И здесь есть только один путь – «вниз». Его предопределяют не только законы термодинамики, но и климатические условия как в России, так и в некоторых других странах.

Попытки использовать в теплоэнергетике другие рабочие тела (речь, естественно, идет о паротурбинных электростанциях, а не о двигателях внутреннего сгорания или газотурбинных установках), например некоторые из применяемых в холодильной технике, рассматривались до последнего времени большинством специалистов-энергетиков как экзотика, хотя иногда и обсуждались в литературе.

Однако тематика обсуждения не выходила за рамки классических температур теплосилового цикла, без какого-либо учета возможности и целесообразности переноса его нижней границы в область, близкую к нулю и, тем более – в область отрицательных температур. Для «водяной» теплоэнергетики это невозможно. Кроме того, возникают проблемы, пугающие своей кажущейся сложностью, главная из которых состоит (кроме выбора рабочего тела) в непостоянстве (включая сезонность) температуры окружающей среды – воздуха. Следует отметить, что, несмотря на все сказанное, идея использовать на тепловых электростанциях аль­тернативное воде рабочее тело, чтобы реализовать цикл с конденсацией в области низких температур, бы­ла впервые высказана в России.

В 1894 г. П.К. Янковский предложил употребить для этого в качестве рабочего тела галоидопроизводные предельных углеводородов – «родственников» современных фреонов. Однако в то время идея приме­нения в теплоэнергетике циклов с «неводяными» парами, да еще с низкой температурой конденсации, была явно преждевременной и никакого внимания не привлекла.

Возрождение интереса к использованию в теплоэнергетике «неводяных» рабочих тел было связано в первую очередь с началом практических работ по со­зданию геотермальных установок для производства электроэнергии.

Такие разработки впервые появились в России. Еще в 1955 г. Л.М. Розенфельд предложил использовать в теплосиловых устройствах бинарный водоаммиачный цикл. В 1965 г. была изготовлена и запущена фреоновая низкотемпературная установка УЭФ-90/0,5 мощностью 750 кВт для выработки электроэнергии. Грею­щей средой для нее служила геотермальная вода температурой 80 °С. С 1967 до 1971 г. на Камчатке в лаборатории натурных испытаний Института теплофизики СО АН СССР проводились эксплутационные исследования с использованием фреона R-12.

Всего в процессе испытаний УЭФ-90/0,5 отработала 2 140 ч, в том числе 820 ч в промышленном режиме. Результаты «паратунского» эксперимента показали, что создание надежной работоспособной энергетической установки с «неводяным» рабочим телом вполне возможно.

Однако основным в «неводяной» теплоэнергетике стало все же водоаммиачное направление, основанное на циклах А.И. Калины, разработанном им при активной поддержке известного американского ученого, специалиста в области термодинамики М. Трайбуса.

А.И. Калина окончил Одесский институт холодильной промышленности. В 70 - х годах эмигрировал в США, где организовал фирму Exergy Inc., успешно работающую с корпорацией «Дженерал Электрик» в области создания водоаммиачных циклов электростанций.

Выбор смеси NH₃ + Н₂О, опиравшийся на опыт и традиции холодильной техники, оказался чрезвычайно удачным. Как аммиак, так и водоаммиачные смеси хо­рошо изучены. Аммиак занимает второе место после воды по теплоте парообразования; он широко исполь­зуется не только в холодильной технике, но и в химической технологии. Существующие среди энергетиков опасения о последствиях, связанных с использованием аммиака, мягко говоря, преувеличены. Здесь не возникает проблем, тем более что в теплоэнергетических системах аммиак может работать в смеси с водой. Он дешев и доступен, не оказывает корродирующего действия на железо и его сплавы, растворим в воде во всем диапазоне концентраций.

Наконец, что очень важно, в водоаммиачном тепло­силовом цикле даже при низких температурах конден­сации, которые могут встретиться на практике, давле­ние двухфазной смеси превышает атмосферное. Значение этого обстоятельства трудно переоценить как с конструкторской, так и эксплутационной точек зрения.

Экспериментальная электростанция мощностью 3 МВт, построенная по циклу А.И. Калины (при непосредственном его участии) с использованием водоаммиачного рабочего тела, показала высокую термодинамическую и эксплутационную эффективность этого цикла.

Единственным, но существенным негативным ре­зультатом оказалась невозможность поднять температуру цикла выше 550 – 600 °С. Надежды на то, что аммиак в смеси с водой не начнет диссоциировать при такой температуре, не оправдались.

Что касается температур, лежащих ниже диссоциации, то водоаммиачный цикл А.И. Калины уже успешно используется в этих условиях на установках в США, Японии и Исландии (рис. 7.6). Планируется создание и других электростанций мощностью более 100 МВт.

Естественно, что аммиаком и другими известными холодильными агентами выбор рабочего тела для низкотемпературных геотермальных электростанций исчерпывается. Необходимы дальнейшие исследования, начало которым уже положено. Опыт, накопленный при эксплуатации низкотемпературной техники, может быть очень полезен.

Рис. 7.6. Принципиальная схема опытной геотермальной электростанции,

работающей в Исландии