Чтение онлайн

Следует отметить, что понятие коэффициента полезного действия для ГРАЭС теряет свой старый смысл, заимствованный из тепловой энергетики. Для ТЭС кпд рассчитывается как отношение полезной энергии, отданной потребителю, к полной энергии сгораемого топлива. Последняя величина определяется только количеством и качеством сгораемого угля (или нефти, или газа). И никакие технические усовершенствования станции повлиять на нее не могут. Зато могут повлиять на отдаваемую потребителю электрическую мощность. Поэтому можно сказать, что кпд тепловой электростанции характеризует степень совершенства процесса преобразования энергии.

Для ГРАЭС ситуация сильно меняется. Многие параметры станции влияют одновременно на мощность гидротурбины и на электрическую мощность. Поэтому отношение мощностей (или коэффциент полезного действия) может меняться самым неожиданным образом. Рис. 3.1.3 это как раз и показывает. Уменьшение температурного напора ведет к повышению кпд, и для ;Т = 0 эффективность стремится к 100%. Но при этом полезная мощность станции стремится к нулю. Ясно, что такая станция никакого смысла не имеет. Поэтому если концентрироваться только на кпд и не обращать внимания на другие величины, можно сделать неправильные выводы. Поэтому для характеристики степени совершенства преобразования энергии в ГРАЭС следует использовать иные параметры, а не кпд.

Настоящие результаты обусловлены различной зависимостью выработки энергии гидротурбиной и энергопотреблением компрессора от расхода рабочего тела. Мощность гидротурбины пропорциональна расходу примерно в первой степени, в то время как энергозатраты компрессора — в степени 2.5;3. Поэтому если мы увеличиваем расход рабочего тела по контуру, энергетические затраты компрессора ;N растут быстрее гидротурбинной мощности и кпд постоянно снижается. До тех пор, пока энергопотребление компрессора остается значительно меньше гидротурбинной мощности, электрическая мощность станции продолжает расти. Но когда энергетические нужды компрессора сравнимы с выработкой энергии на гидротурбине, дальнейшее увеличение расхода рабочего тела будет вести к снижению электрической мощности станции.

Сложной проблемой для будущих ГРАЭС может оказаться осаждение твердых нелетучих соединений в порах внешнего капиллярного покрытия. Любая жидкость (и рабочее тело ГРАЭС также) всегда имеет некоторые примеси независимо от степени очистки: абсолютно чистых жидкостей не бывает. Когда эти примеси попадают с потоком жидкости в наружный капиллярный слой, здесь они не испаряются, а накапливаются. Постепенно их концентрация растет и они начинают кристаллизоваться на стенках пор, уменьшая проходное сечение и увеличивая гидросопротивление. Рано или поздно поры полностью перекрываются и станция останавливается. Поэтому необходимо оценить хотя бы грубо интенсивность осаждения примесей, чтобы выяснить, насколько велика данная проблема.

Исследования тех ученых, которые изучают тепловые трубы с щелочными металлами натрием и калием в качестве рабочего тела, показывают, что весовая концентрация кислорода в металле после его очистки титановыми и циркониевыми гетерными ловушками составляет менее одной миллионной доли процента. Примем для расчета величину 0.3;10(-6)%. Скорость движения рабочего тела в наружном капиллярном слое, как было найдено, составляет обычно (0.05;0.09) мм/сек. При столь малых скоростях обратный поток нелетучих примесей от места испарения жидкости, где примеси накапливаются в максимальных количествах, должен быть достаточно велик. Поэтому следует ожидать, что примеси будут равномерно распределяться по толщине наружного капиллярного слоя. В этом случае они будут полностью забивать капилляры, то есть снижать пористость с 0.6 до нуля, за время 17 лет. Это примерно вдвое меньше нормативного срока работы АЭС, составляющего 30 лет. Однако, если увеличить толщину наружного капиллярного слоя с 0.1 до 0.2 мм, тогда время бесперебойной работы станции возрастает также примерно вдвое и становится равным 32 годам. К сожалению, такой способ увеличения длительности работы станции сопровождается некоторым увеличением капитальных затрат и снижением мощности из-за возросшего гидросопротивления, поэтому стоимость установленного киловатта становится на (5;15)% выше.

Электрическая мощность станции может быть резко увеличена за счет выравнивания эпюры скоростей в сопле. Если распределение скоростей в сопле подчиняется обычному параболическому закону, тогда коэффициент трения ; = 1.5. Но если скорость движения в сопле постоянна по его сечению, тогда коэффициент трения падает с 1.5. до 1.0. Снижение потерь гидравлического напора на преодоление трения позволяет уменьшить диаметр сопла с соответствующим увеличением скорости истечения и выработки энергии гидротурбиной. Это хорошо видно из рис. 3.1.4, который показывает зависимость электрической мощности WE и стоимости установленного киловатта от коэффициента трения сопла: снижение коэффициента трения с 1.5 до 1.0 сопровождается ростом электрической мощности примерно вдвое и соответствующим падением стоимости киловатта. При этом кпд станции также растет и достигает 72%. Конечно, случай ; = 1.0 в идеале недостижим. Максимум, на который можно рассчитывать, это ; = 1.3. Но даже в этом случае электрическая мощность растет с 634 до 780 МВт, а стоимость установленного киловатта падает с 1.6 до 1.3 евро/ватт. Такой способ увеличения производительности станции привлекателен тем, что он практически не сказывается на капитальных затратах.

Рис. 3.1.4.Влияние трения сопла на параметры ГРАЭС: черная кривая — электрическая

мощность (МВт), зеленая кривая — стоимость установленного киловатта (евро/ватт).

Рис. 3.1.5. Влияние диаметра подъемного и опускного каналов на электрическую мощность ГРАЭС (МВт, черная кривая) и стоимость установленного киловатта (евро/ватт, зеленая кривая).

На первый взгляд может показаться непонятным, за счет каких механизмов изменение трение сопла сказывается на выработке энергии гидротурбиной, если расход рабочего тела и высота опускного канала — главные характеристики, определяющие производительность станции — не зависят от параметов сопла. Все дело в том, что в сопле может теряться значительная доля гидравлического напора опускного канала. Трение в сопле ведет к выделению тепла и испарению части жидкости. Тогда на турбину будет поступать меньше рабочей жидкости, чем проходит по опускному каналу. Вследствие этого выработка энергии гидротурбиной падает. Уменьшая трение в сопле, мы сокращаем непроизводительные расходы и повышаем общую выработку электроэнергии.

Дальнейшего уменьшения стоимости установленного киловатта можно добиться оптимизацией диаметров подъемного и опускного канала. На рис.3.1.5 показано, как меняются электрическая мощность станции и стоимость установленного киловатта с изменением диаметра каналов. Когда диаметр превышает 1.5 м, его гидросопротивление настолько мало по сравнению с гидросопротивлением капиллярных слоев, что размеры канала практически не сказываются на гидротурбинной и электрической мощности. Но заметно сказываются на общих капитальных затратах: чем больше диаметр, тем больше масса циркулирующего в контуре станции рабочего тела, тем больше денежные затраты на его приобретение и очистку в ходе эксплуатации. Поэтому уменьшение диаметра каналов от 3.0 до 1.5 метров способствует снижению как общих капитальных затрат, так и стоимости установленного киловатта.

С другой стороны, слишком узкий канал препятствует свободной циркуляции жидкости по контуру и мощность станции падает. А капитальные затраты в этом случае зависят от диаметра достаточно слабо. Поэтому уменьшение диаметра менее 1.0 метра сопровождается резким ростом стоимости киловатта. В итоге, оптимальные значения диаметра каналов попадают в интервал (1.1;1.3) м, когда стоимость киловатта составляет (0.6;0.7) евро/ватт.

Полученное значение стоимости установленного киловатта можно еще немного снизить путем уменьшения радиуса пор наружного слоя тонкопористого капиллярного покрытия. Оказалось, что электрическая мощность станции практически обратно пропорциональна квадрату радиуса, а стоимость киловатта прямо пропорциональна первой степени радиуса. Когда радиус пор наружного капиллярного слоя уменьшается с 0.04 до 0.03 микрон, электрическая мощность вырастает с 634 до 1150 МВт, а стоимость киловатта падает от 0.65 до 0.5 евро/ватт. Но ничего даром не дается и за все приходится платить. В данном случае платой является увеличение высоты подъемного и опускного каналов: они растут с 610 до 790 метров. Очевидно, что чем больше высота каналов, тем больше капитальные затраты. С другой стороны, осложняется проблема выбора подходящей площадки для станции.

Реальная осуществимость настоящего способа получения полезной работы из гравитационного поля может быть проверена на простой модели, описанной в статье А.Лихачева „Как построить вечный двигатель своими руками“, журнал «Юный техник», №11, 1997 год и в книге А.Вейника „Термодинамика реальных процессов“. Данная установка получила название „Кольцар Лазарева“ по фамилии изобретателя, построившего ее в 60х годах прошлого века. Первое описание кольцара появилось в статье Жвирблиса, опубликованной в журнале «Химия и жизнь» в 70х годах. Хотя потом на публикацию сведений о кольцаре был наложен строгий запрет, многие успели статью Жвирблиса прочитать. А кое-кто установку даже изготовил. На сегодня таких умельцев набралось уже несколько тысяч. И у всех кольцар работал. У кого хуже, у кого лучше, но работал.

Кольцар изготавливается из обычной пластиковой колбы для газированного напитка (рис.3.1.6). Разрезаем ее пополам и получаем две половины — верхнюю и нижнюю. В нижнюю половину устанавливаем деревянную перегородку (желательно из лиственных пород, а не хвойных, т. к. хвойные породы содержат смолу, которая может забивать поры и препятствовать прохождению через них рабочей жидкости). Древесные волокна перегородки должны быть ориентированы в вертикальном направлении, а не в горизонтальном, иначе жидкость не сможет просачиваться через дерево. В нижнюю часть перегородки вкручиваем металлические болты: чем больше болтов, тем лучше будет работать модель. Устанавливаем в перегородке также трубку, через которую жидкость будет переливаться из одного отсека в другой. После этого частично заливаем нижнюю половину колбы под перегородкой так, чтобы головки болтов находились уже в жидкости, но сама жидкость еще не достигала дерева. То есть надо сохранить под перегородкой воздушную прослойку. Затем наливаем на перегородку сверху немного этой же жидкости и надеваем верхнюю половину колбы на нижнюю. Модель готова к работе.