ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ЗАВОД БЕЗ СКЛАДОВ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ1
4-1. О складах и запасах
Доброе вино выдерживают в подвалах по нескольку лет. Склады винодельческих совхозов обычно могут вместить запас готовой продукции больше годичного.
На промышленных предприятиях стремятся ускорить производство, ускорить движение оборотных средств. Готовую продукцию без задержек направляют потребителям. Но на любом металлургическом или металлообрабатывающем заводе, на текстильной фабрике, на пищевом предприятии имеются склады для готовой продукции. Эти склады различны по величине. На одних предприятиях они вмещают готовую продукцию, выработанную за месяц, на других — за неделю. Во всяком случае, продукцию, выработанную за сутки, всегда есть где разместить.
Газовые заводы имеют большие резервуары — газгольдеры, которые сглаживают колебания потребления газа в течение суток. Когда потребление газа мало, излишний газ накапливается в газгольдерах; в часы максимального потребления газ из них расходуется.
Но современная система производства и распределения электрической энергии такова, что запас электрической энергии и в сборных шинах электростанций и подстанций, и в линиях передачи, и во всех разветвлениях сложных распределительных сетей меньше, чем потребление электроэнергии за 1/100 секунды — за один полупериод переменного тока. Производство электрической энергии переменного тока с частотой 50 Гц не знает емких складов готовой продукции. Все, что производится, немедленно же потребляется.
Как же все-таки удовлетворяется внезапно возникающий спрос на электроэнергию, если в энергосистеме нет наготове ее запасов? Сразу вспыхивает электролампа при повороте выключателя, без промедления идет в ход электродвигатель мощностью в тысячи киловатт, когда оператор на пульте управления нажимает кнопку «Пуск».
На всех современных электростанциях электроэнергию производят генераторы переменного тока, приводимые во вращение паровой или водяной турбиной. Вращающаяся часть — ротор этих генераторов — это тяжелый электромагнит. Он несет в себе большой запас механической энергии — энергии движения, кинетической энергии.
В мощных турбогенераторах запас кинетической энергии ротора достаточен, чтобы поднять на несколько километров вверх массу весом в тонну или довести до кипения несколько десятков литров воды.
Внезапные толчки нагрузки погашаются прежде всего запасом энергии ротора. При включении новых потребителей ротор чуть притормаживается и при этом отдает часть своего запаса кинетической энергии, которая переходит в электрическую. При сбросах нагрузки ротор разгоняется и воспринимает избыточную энергию. Запас его кинетической энергии возрастает.
Инерция роторов электрических генераторов смягчает толчки нагрузки. К турбинам, которые вращают генераторы, толчки нагрузки приходят сглаженными и замедленными. Когда роторы генераторов, а следовательно, и соединенные с ними роторы приводящих их во вращение турбин притормаживаются или разгоняются, то приходят в действие регулирующие устройства турбин. При торможении ротора регулятор увеличивает подачу пара в паровую турбину или воды в гидротурбину. При разгоне ротора, наоборот, подача пара или воды уменьшается. Регулятор стремится сохранить неизменным число оборотов турбины.
На тепловых электростанциях при увеличении или уменьшении потребления пара турбинами изменяется давление пара в паропроводах и на котлах. На изменение давления пара немедленно отзывается регулирующее устройство котлов. Оно соответственно увеличивает или уменьшает подачу воды, топлива, воздуха, необходимого для горения, а также изменяет тягу. Так происходит на электростанциях, где котлы оборудованы автоматическими регуляторами горения и питания.
Рис. 4-1. Общий вид современной теплоэлектроцентрали.
Уголь с железнодорожной ветки 14 подается в саморазгружающихся вагонах в разгрузочный сарай 1. Оттуда по системе транспортеров 5 уголь попадает на башню пересыпки 2. Эта башня является промежуточной станцией на пути движения угля. Отсюда уголь может высыпаться наружу и механическими лопатами растаскиваться по угольному складу 3. В случае необходимости уголь со склада этими же механическими лопатами можно подать в бункера 16 и оттуда опять по системе транспортеров 5 через дробильную башню 4 — на бункерную галерею котельной.
В главном здании 6 расположены основные цехи станции Самая высокая часть — это котельная; слева от нее, ближе к дымовым трубам, расположено помещение пылеприготовления; видны выходящие на крышу верхние части циклонов пыли. Более широкая и низкая часть главного здания — это машинный зал. В торце главного здания расположены служебные помещения 17. Машинный зал соединен переходным мостиком с главным пультом управления 10, к которому непосредственно примыкает главное распределительное устройство и открытая подстанция 11 с трансформаторной мастерской 15 С открытой подстанции уходят вдаль высоковольтные линии 12.
Небольшое круглое здание 9 перед главным корпусом — это багерная насосная. В ней ниже уровня земли расположены насосы (они называются багерными), которые перекачивают смесь золы и воды из каналов гидрозолоудаления на золоотвалы. В здании 8, расположенном левее главного корпуса, помещается химическая водоочистка. Приземистые здания 13 — это склады и механические мастерские.
Теплоэлектроцентраль, изображенная на рисунке, построена вблизи больших промышленных предприятий, которые она снабжает паром и горячей водой. Реки поблизости нет, поэтому для охлаждения циркуляционной воды построены две градирни 7.
На электростанциях, где автоматика на котлах еще не установлена, изменение подачи топлива, воздуха, воды и регулировка тяги производятся кочегарами котлов, которые неотступно следят за давлением пара по манометрам, расположенным на пультах управления или на видных местах на фронтовой части котлов.
Электростанция хотя и не имеет склада готовой продукции — электроэнергии, но зато она имеет ряд промежуточных складов — складов полуфабрикатов, складов незавершенной продукции. Это запас энергии движения роторов генераторов и запас тепловой энергии в паропроводах и котлах. Эти склады позволяют воспринимать неожиданные изменения нагрузки.
На очень короткие толчки нагрузки реагирует только генератор. На более длительные изменения отзывается турбина. А медленнее всего реагирует котел. Это более емкий промежуточный склад, более инертное звено.
Большинство современных электростанций электрически соединено между собой. Они работают на общую электрическую сеть, образуют единую энергосистему. Изменения потребления электроэнергии отражаются не на одном генераторе, не на одной электростанции, а на всех генераторах и станциях энергосистемы.
Современная энергосистема может работать без запасов электрической энергии «на складах» потому, что она питает одновременно огромное количество потребителей. Случайные непредвиденные изменения нагрузки очень мало вероятны. Здесь все подчинено закону больших чисел.
4-2. О средних цифрах
Очень трудно предсказать, что произойдет на следующей неделе с вашим даже очень хорошим знакомым. У него может вдруг открыться голос и, оставив скромное поприще техника-конструктора, он вступит в хоровой ансамбль; или, возвращаясь в рассеянном настроении домой, он станет жертвой уличного движения.
Судьба отдельного индивидуума сокрыта во мраке неизвестности, как любили выражаться поэты старых времен.
Но велико могущество средних чисел. Статистика в разгар лета знает, сколько народу будет участвовать в лыжных вылазках будущего года. Достоверно можно предсказать, сколько человек забудет в трамвае свои портфели и сколько новых граждан СССР появится на свет в будущем году.
Трудно заранее предугадать, когда будет зажжена та или иная лампа. Но современная энергосистема объединяет миллионы ламп. Даже включение или отключение электродвигателя мощностью в сотни киловатт не может заметно изменить баланс энергосистемы. На основании статистики можно заранее подсчитать, какое количество электроэнергии потребуется от энергосистемы в тот или иной час, в тот или иной день. Увеличение или уменьшение нагрузки повторяется с той же регулярностью, что и приливы и отливы в океане.
4-3. Графики нагрузки
Ночью, когда останавливается городской электрический транспорт, жители гасят свет в квартирах, часть электродвигателей на фабриках и заводах останавливается — нагрузка минимальная. Наступает ночной провал нагрузки.
К утру просыпаются жители, включают бытовые электрические приборы, начинает работать электрический транспорт и, главное, начинают работать на полную мощность фабрики и заводы — нагрузка энергосистемы резко возрастает. Наступает утренний пик — утренний максимум нагрузки.
Днем уменьшается бытовое потребление электроэнергии, уменьшается потребление электроэнергии на производствах в связи с обеденными перерывами или окончанием смены — нагрузка энергосистемы падает. Наступает дневной провал нагрузки.
Вечером бытовое потребление электроэнергии опять возрастает, зажигается уличное освещение и освещение в квартирах. Часть фабрик и заводов продолжает работать на полную мощность. Нагрузка энергосистемы опять резко возрастает, наступает вечерний пик, вечерний максимум нагрузки. В вечерние часы нагрузка энергосистемы наибольшая за сутки.
На нагрузку энергосистемы влияет не только время суток, но и время года и погода. В короткие осенние и зимние дни вечерний максимум начинается раньше, и от системы требуется больше электроэнергии, чем в летнее время, так как увеличение бытового потребления электроэнергии накладывается на потребление электроэнергии фабриками и заводами, которые еще продолжают работать на полную мощность.
Рис. 4-2. График нагрузки районной электростанции.
Здесь изображен суточный график нагрузки Шатурской ГРЭС на 26 января 1927 г. Жирная ломаная линия — это заданный диспетчером график. Тонкая волнистая линия — фактическое исполнение. Станция является базисной — она несет основную нагрузку и не регулирует частоту тока в системе. Поэтому ей задается относительно ровный, без больших провалов график. Пунктиром изображена нагрузка станции в праздничный день, когда большинство заводов не работает. Диспетчер вынужден был дать большой провал нагрузки даже для этой электростанции.
В пасмурные дни естественное освещение уменьшено; вечерний максимум наступает раньше, а утренний максимум затягивается. Выпадет густой снег — и сразу увеличится сопротивление движению и рельсового, и безрельсового электротранспорта. Тяговые подстанции начнут забирать больше энергии.
Диспетчер энергосистемы заранее знает, как будет меняться ход потребления энергии в течение будущих суток, недель, месяцев. Диспетчерская служба заранее составляет трафик нагрузки на каждые сутки. На основe общего графика нагрузки составляется отдельные графики нагрузки для каждой электростанции системы. Каждый час суток электростанция должна вырабатывать электроэнергию строго по расписанию.
Рис. 4-3. График нагрузки энергосистемы большого города.
Жирной линией изображена фактическая нагрузка в зимний день, а пунктирной — в летний. Зимой нагрузка в ночной провал составляет всего 1/6 часть нагрузки в вечерний максимум. Вечерний пик нагрузки — зимой в 16 ч, а летом, когда темнеет, позднее, — в 21 ч.
Для компенсирования могущих быть незначительных непредвиденных изменений нагрузки диспетчер выделяет одну регулирующую электростанцию или несколько генераторов, которые воспринимают на себя эти изменения нагрузки. При всех изменениях нагрузки скорость вращения генераторов поддерживается строго постоянной. Поэтому неизменна и частота тока во всей энергосистеме.
Выработка электроэнергии по всей энергосистеме и по отдельным электростанциям также заранее планируется и обеспечивается необходимым количеством топлива и гидроресурсами.
Посетим «среднюю» ГРЭС — Государственную районную электростанцию, пройдем по всем ее цехам, от подъездных железнодорожных путей, по которым поступает топливо, и до выводов высоковольтных линий, уносящих выработанную электроэнергию вдаль на десятки, а подчас и сотни километров.
4-5. Сырье для тепловых электростанций
Топливо, холодная вода и воздух — вот что потребляет тепловая электростанция. Зола, горячая вода, дым и электроэнергия — то, что она производит.
Тепловые электростанции работают на различных видах топлива.
В средней полосе Советского Союза некоторые электростанции работают на местном топливе — торфе. Его сжигают в топках котлов в кусковом виде на движущихся решетках или в виде торфяной крошки — фрезерного торфа — в шахтно-мельничных топках или топках системы инж. Шершнева.
Фрезерный торф получается путем снятия мелкой стружки, крошки с торфяного массива зубчатыми барабанами-фрезами. Затем эту крошку сушат.
Сжигание фрезерного торфа в чистом виде долгое время оставалось неразрешенной проблемой, пока у нас в СССР инженер Шершнев не сконструировал топку, в которой фрезерный торф сжигается во взвешенном состоянии. Фрезерный торф вдувается воздухом в топку. Несгоревшие крупные частицы падают, но опять подхватываются сильной струей воздуха и, таким образом, остаются в топочном пространстве во взвешенном состоянии до полного сгорания.
В 1931 г. в СССР пущена первая в мире электростанция, сжигающая фрезерный торф в подобных топках. Это Брянская районная электростанция.
Позднее для сжигания фрезерного торфа были сконструированы шахтно-мельничные топки. В шахтных мельницах фрезерный торф подсушивается, дробится, перемешивается с воздухом и уже в виде очень мелких подсушенных частиц попадает в топку, где сгорает.
В нефтяных районах СССР есть электростанции, работающие на жидком топливе — мазуте (отходы перегонки нефти). С открытием месторождений природного газа часть электростанций стала применять его в топках своих котлов.
Но ни один из этих видов топлива не является таким распространенным, как уголь. Большинство тепловых электростанций СССР потребляет в качестве топлива различные сорта углей.
Современные электростанции очень неприхотливы к качеству угля. Они могут использовать многозольные и влажные угли, которые непригодны к сжиганию в топках пароходов и паровозов, в доменных и мартеновских печах.
Раньше на электростанциях уголь сжигался в топках паровых котлов на решетках — таких же, как в печах для кускового торфа и для дров. Практика показала, что значительно выгоднее сжигать уголь в виде мелкого порошка — угольной пыли. Для ее получения уголь размалывается в мельницах. В этих же мельницах он и подсушивается. Большинство современных тепловых электростанций работает на угольной пыли.
Для тепловой электростанции требуется очень большое количество воды. Надо питать паровые котлы. Но больше всего воды идет для охлаждения отработанного пара, для конденсирования его.
Современные крупные тепловые электростанции строятся большей частью на берегу реки, озера или специально созданного пруда. Но не всегда в том месте, где строится электростанция, есть достаточное количество воды. В этом случае довольствуются маленьким водохранилищем, где воду искусственно охлаждают при помощи брызгальных бассейнов или градирен.
К брызгальным бассейнам теплая вода подходит под напором. Система труб распределяет эту воду между множеством сопел. Вода выходит из них небольшими фонтанами, распыляется на мелкие брызги, охлаждается окружающим воздухом и, уже охлажденная, падает в бассейн.
Градирни представляют собой высокие, полые внутри башни. В нижней их части по окружности расположены решетки. Теплая вода льется на решетки мелким дождем. Воздух проходит сквозь этот искусственный дождь, нагревается за счет тепла воды и вместе с парами воды попадает в центральную часть градирни. Эта гигантская труба создает тягу. Теплый воздух поднимается вверх и выбрасывается наружу. Над градирнями всегда стоят огромные облака пара.
Рис. 4-4. Распределение потерь и полезной энергии на паротурбинной электростанции.
Цифрами от 1 до 6 показаны потери: 1 — потери в котле (ушло в окружающий воздух и на нагревание котельной); 2 — потери с уходящими газами; 3 — потери в паропроводах; 4 — потери в турбине и на нагревание машинного зала; 5 — потери в генераторе; 6 — потери с охлаждающей водой.
На конденсационной электростанции внутренние потери и потери с охлаждающей водой составляют 60—65%. На теплоэлектроцентрали часть тепла, содержащегося в отборном и отработанном паре турбин, используется в промышленных предприятиях 7 и для бытовых нужд 8. Суммарные потери составляют 35—40%.
Теплоэлектроцентралями — сокращенно ТЭЦ — называются электростанции, которые, кроме электроэнергии, отдают потребителям еще и тепло в виде пара для технологических нужд фабрик и заводов и в виде горячей воды, идущей на отопление жилищ и бытовые нужды населения.
Рис. 4-5. Схема технологического процесса тепловой электростанции (топливоподача и котельная).
Поданный в саморазгружающихся вагонах в бункера разгрузочного сарая 1 кусковой уголь по системе транспортеров 2 попадает в бункера 3 дробильной башни и через магнитный сепаратор 4 и колосниковый грохот 5 — в дробилку 6, где дробится до кусков размером 10—13 мм. После дробилки мелкий уголь по транспортеру 2 подается на транспортеры бункерной галереи 7 и по ним — в бункера сырого угля котлов 8. Из бункеров сырого угля посредством ленточного питателя 9, скомбинированного с ленточными весами, уголь попадает в шаровую мельницу 10, где размалывается и подсушивается топочными газами, подведенными к мельнице по газопроводу 11. Смесь угольной пыли и газов отсасывается из мельницы мельничным вентилятором (эксгаустером) 12, проходит через мельничный сепаратор 13, где крупные частицы пыли отделяются я возвращаются по пылепроводу 14 обратно в мельницу. Мелкая пыль с газами попадает в пылевой циклон 15, где пыль отделяется от газов и ссыпается в бункер пыли 16. Из циклона пыли 15 газы отсасываются по газопроводу 17 и через горелку 19 вдуваются в топку котла 20. В этот же поток газов посредством питателей пыли 18 подсыпается количество пыли, необходимое для данной нагрузки котла.
Дутьевой вентилятор 21 забирает из верхней части котельной нагретый воздух, прогоняет его через воздухоподогреватель 22, где воздух доводится до температуры 300—350° С, и подает его в количестве, нужном для полного сгорания пыли, по воздушным коробам 23 к горелкам 19. Огненные факелы, выходящие из горелок, имеют температуру около 1 500° С. Раскаленные топочные газы, образующиеся при сгорании пыли, отдают часть своего тепла лучеиспусканием экранным трубам 24, отсасываются из топки дымососом 29 и им же по борову 30 выбрасываются в дымовую трубу 31.
По пути из топки газы омывают кипятильные трубы 25, пароперегреватель 26, водоподогреватель — водяной экономайзер 27 и воздухоподогреватель 22. Температура газов падает ниже 200° С. В электрофильтрах 28 уходящие газы очищаются от золы, которая ссыпается вместе со шлаком из топки в каналы гидрозолоудаления 32, из которых уносится мощным потоком воды
Вода в котел поступает из машинного зала по трубопроводу питательной воды 33, проходит через водяной экономайзер 27, где подогревается приблизительно до точки кипения для данного давления, подается в барабан котла 34 и оттуда заполняет всю трубную систему. Образующийся пар отводится из верхней части барабана котла по пароотводящим трубам 35 в пароперегреватель 26. Перегретый пар через главную паровую задвижку 37 по паропроводу перегретого пара 36 идет в машинный зал к турбинам.
Теплоэлектроцентрали значительно экономичнее простых или, как их называют, конденсационных электростанций. На последних больше половины тепла, получившегося при сжигании топлива, уносится с охлаждающей водой. На теплоэлектроцентралях эти потери значительно меньше, так как часть отработанного в турбинах пара идет непосредственно к потребителям и на подогрев воды для отопления и горячего водоснабжения окружающего района.
Итак, наиболее распространенной у нас в СССР является тепловая электростанция, работающая на угле, сжигаемом в топках паровых котлов в пылевидном состоянии. Такую именно электростанцию и посетим.
