Ртуть в котле

Инж. И. ДАШЕВСКИЙ

Паровые котлы, паровые машины, паровые турбины — какую огромную роль в промышленности играют самые разнообразные паросиловые установки. Как просто и в то же время с каким эффектом используется человеком пар в технике. В чем основной принцип работы паросиловых установок? Производится водяной пар, а затем энергия этого пара преобразовывается в механическую работу.

Долгое время свойства водяного пара вполне удовлетворяли человека, и паросиловые установки безраздельно господствовали в технике. Однако, в последние годы у обычного водяного пара объявился серьезный соперник. Появились такие установки, в которых рабочим телом является уже не водяной, а ртутный пар.

На первый взгляд кажется совсем неэкономичным сооружение паросиловой установки с таким дорогим веществом, каким является ртуть. Трудно себе представить котел, пусть даже необычной конструкции, заполненный тяжелой и подвижной ртутью. Это вещество мы все привыкли видеть в незначительных количествах, выполняющим совсем скромные функции.

Однако, особые свойства ртути и ее паров обратили уже давно на себя внимание исследователей и инженеров-энергетиков. Сначала появились опытные установки, в которых работу совершала ртуть, а сравнительно недавно были построены и промышленные ртутнопаровые котлы и турбины.

*

В чем же привлекательность идеи ртутнопаровой установки и каковы принципиальные свойства ртутных паров? Раньше чем дать ответ на эти вопросы, заметим, что главнейшим условием для любой машины, любой установки, претендующей на внедрение в промышленность, является их высокая экономичность. Основным показателем экономичной работы теплосиловой установки является расход топлива на единицу вырабатываемой продукции. Электрическая энергия, измеряемая киловатт-часами, и есть продукция паросиловой электростанции. Чем меньше расходуется топлива на киловатт-час, тем экономичнее установка, тем, как говорят, выше ее коэффициент полезного действия.

Всякая паросиловая установка состоит из двух основных частей: котельной и машинного зала. Сжигая в котлах топливо, получают пар. Энергия этого пара превращается в механическую работу в машинах, установленных в зале. Каждый из указанных процессов (получение пара при сжигании топлива и превращение энергии пара в механическую работу) может протекать более или менее экономично, т. е., как говорят, с большим или меньшим коэффициентом полезного действия.

В новейших котельных установках процесс получения пара протекает с очень высоким коэффициентом полезного действия, но превращение энергии пара в механическую работу протекает еще недостаточно экономично. Коэффициент полезного действия этого процесса еще не высок. Естественно, что усилия теплотехников направлены к тому, чтобы максимально повысить экономичность преобразования энергии пара в механическую работу, т. е. повысить коэффициент полезного действия машины. Конечно, экономичность процесса зависит еще от степени совершенства машины, ее конструкции, но в то же время она находится в полной зависимости от свойств того тела, которое работает в машине, т. е. в данном случае от пара. Общеизвестно, например, что стремление повысить экономичность паросиловой установки заставило перейти к применению пара высокого давления, т. е. опять-таки изменить свойство работающего тела, повысить его давление. Оказывается, что не только давление, но и температура пара имеет существенное значение для экономичности работы установки. Мы знаем, что пар, направляемый в паровую турбину, при входе в нее обладает определенным давлением и температурой. Проходя турбину и совершая работу, пар расширяется, его давление и температура уменьшаются, и, наконец (в обычных конденсационных установках), пар попадает из турбины в специальный аппарат, называемый конденсатором. По трубкам конденсатора проходит вода, которая настолько охлаждает пар, что он сам вновь превращается в воду, или, как говорят, конденсируется. Таким образом, давление и температура пара за время его пребывания в установке совсем не одинаковы. В начале работы пара его давление и температура значительно выше, чем в конце этой работы. Вот и оказывается, что экономичность установки тем выше, чем большую температуру имеет пар в начале своей работы и чем ниже она к моменту конденсации, т. е. к концу работы пара.

Степень охлаждения пара зависит от температуры охлаждающего пар тела при входе в конденсатор. Таким охлаждающим телом является

вода, средняя температура которой равна примерно 15°Ц. В соответствии с этим температура конденсации паров воды в обычных условиях принимается равной 25—33° (всегда должна существовать разница между температурами охлаждающего и охлаждаемого тел). Эта температура — предел конечной температуры процесса в нормальных паросиловых конденсационных установках. Отсюда ясно, что экономичность установки следует повышать не за счет снижения конечной температуры, которая заранее предопределена температурой охлаждающей воды. Следовательно, нужно стремиться к повышению начальной температуры пара. Чем выше она, тем экономичнее будет работа установки. Казалось бы, проблема экономичности решается очень просто: максимально повысить начальную температуру пара. Но осуществление этой задачи сопряжено с большими трудностями и вот почему.

Металлургия сегодняшнего дня позволяет производить материалы, которые могут работать в тяжелых условиях больших давлений и температур не свыше 500°Ц. Таким образом, пределом начальной температуры пара в настоящее время нужно считать 500°Ц. Эта температура достаточно высока, чтобы с успехом решить проблему экономичности, но можно ли получить водяной пар столь высокой температуры?

*

Из физики известно, что каждой определенной температуре пара соответствует совершенно определенное давление испарения. Известно, например, что на высокой горе, где давление меньше, чем у подножья горы, парообразование, т. е. кипение, начинается при температуре ниже 100°Ц. Короче говоря, каждому давлению соответствует определенная температура кипения. Так, например, при давлении в 12 атмосфер температура водяного пара близка к 187°Ц, при давлении в 60 атмосфер — 274° и т. д. Все это относится к пару в том состоянии, когда он получен из воды и не подвергнут дальнейшей обработке. Такой пар называется насыщенным. Добиться температуры этого пара, равной 500°Ц или близкой к этому, — дело практически неосуществимое. Для получения насыщенного водяного пара температурой около 365°Ц приходится иметь дело с такими огромными давлениями, как 200 атмосфер. Применение столь высоких давлений чрезвычайно усложняет и удорожает установку. Но этого мало: насыщенный водяной пар не может иметь температуру выше 374°Ц, которой соответствует давление в 225 атмосфер, называемое критическим давлением. При этом давлении вода переходит в парообразное состояние без затрат на этот переход тепла. Иными славами, вода в жидком состоянии при давлении 225 атмосфер не может существовать. Паровой котел при таком давлении в нем оказался бы заполненным только паром и нечего было бы испарять, так как воды в таком котле не было бы вовсе. Однако, насыщенный пар подвергают особой переработке: его перегревают. Для этого пар пропускают через ряд змеевиков, которые подогреваются горячими газами, полученными от сжигания топлива, и таким образом повышают температуру пара. Понятно, что в этом случае давление пара не повышается. Таким путем можно получить водяной пар очень значительных температур при любом давлении. Такой пар называется перегретым паром. Казалось бы, что задача повышения начальной температуры пара разрешается применением перегретого водяного пара. Действительно, перегрев водяного пара повышает экономичность установки, но он не в состоянии дать того эффекта, который может дать насыщенный пар такой же температуры.

Вот здесь-то и обнаруживаются высокие качества некоторых неводяных паров, в частности паров ртути.

В то время как температура насыщенного водяного пара достигает лишь 274° при таком высоком давлении, как 60 атмосфер, температура насыщенного пара ртути, равная 500°Ц, достигается при давлении, несколько превышающем 8 атмосфер. Что же касается критической температуры ртути, то она превышает 1 500°Ц. Поэтому наивысшая начальная температура пара, если применять ртуть в качестве рабочего тела, ограничивается, как указывалось, только качеством материалов, идущих на постройку котлов и главным образом турбин. Значит, применяя ртуть в паросиловых установках, можно располагать насыщенным ртутным паром высоких температур при низких давлениях. Это дает возможность значительно повысить экономичность установки, однако преимущество ртутных паров не исчерпывается возможностью достижения очень высоких температур.

Большой удельный вес ртути позволяет подавать ее в котел самотеком, под действием собственной тяжести. Для этого необходимо сборник ртути установить выше котла.

Это свойство ртути позволяет обходиться без питательных насосов, необходимых спутников всякой паросиловой установки, работающей водяным паром. Этими насосами вода подается в котел.

Еще одно преимущество ртути: она как простое тело не подвержена разложению. И наконец, ртуть не оказывает химического воздействия на металлические части оборудования. Она не разъедает металл котла и лопатки турбин, при ее применении не отлагается накипь в котле, что всегда наблюдается при работе котлов на воде.

Однако, нельзя упускать из виду и отрицательные свойства ртути. Прежде всего количество ртути крайне ограничено, отсюда ее дороговизна. Кроме того, ртуть и ее пары очень ядовиты. И еще одно отрицательное свойство ртути: она не смачивает стенки труб котла, а находится в них как бы в сфероидальном состоянии, наподобие капли воды, пролитой на раскаленную металлическую поверхность.

Эта особенность ртути была причиной многих аварий ртутнопаровых установок и заставила создателей ртутного котла много и упорно работать над его конструкцией. Дело в том, что котельные трубки. из которых состоит каждый водотрубный паровой котел, в том числе и ртутный, снаружи омываются горячими газами. Внутри трубок циркулирует ртуть, которая через стенку трубки получает тепло от горячих газов и испаряется. Если же ртуть не омывает стенок, то между нею и стенкой образуется прослойка, обладающая плохой теплопроводностью. Тепло, которое получает стенка от горячих газов, плохо передаваясь ртути, сильно повышает температуру самой стенки. В результате этого происходит перегрев стенки, изменение свойств металла, из которого трубка сделана, и разрыв трубки под действием внутреннего давления. Это заставило сконструировать трубку так, чтобы ртуть циркулировала слоем незначительной толщины, омывая внутреннюю поверхность трубки. Для этого трубка внутри имеет еще одну трубку меньшего диаметра, и, таким образом, создается незначительное по ширине кольцевое пространство между наружной и внутренней трубками, проходя которое ртуть испаряется. Как же быть с другими отрицательными свойствами ртути? Прежде всего следует помнить, что дороговизна ртути вызвана той ограниченной областью, в которой она до сего времени применялась. Повышение спроса на ртуть приведет к увеличению разведывательных работ и к усовершенствованию метода обработки ртути. А это повлечет за собой ее удешевление. Кроме того, надо учесть, что ртуть работает в замкнутом цикле. В котле она испаряется, ее пары работают в машине, затем конденсируются, и вновь ртуть поступает в котел. Поэтому значительные затраты на приобретение ртути нужно произвести только один раз, для заполнения котлов. В дальнейшем затраты незначительны, так как утечка ртути не превышает 5—10 процентов от ее общего количества в установке и отражается на стоимости киловатт-часа лишь в сотых копейки.

Крайняя ядовитость ртути и ее паров заставляет применять ряд мер для безопасности обслуживающего персонала, особенно во время ремонта и чистки оборудования. Однако, применение чувствительной аппаратуры, регистрирующей малейшие признаки присутствия ртутных паров, почти совсем устраняет опасность отравления.

*

Разбирая вопрос о конечной температуре пара, мы упоминали, что в нормальных конденсационных турбинных установках эта температура равна обычно 25—30°Ц. Вспомним, что каждой температуре насыщенного пара соответствует вполне определенное давление. Каково же давление пара при его конечной температуре 25—30°? Обращаясь к специальным таблицам, составленным для насыщенных водяных паров, мы увидим, что этим температурам соответствует давление 0,05—0,06 атмосферы. Таким образом, в аппарате, где происходит конденсация пара, получается давление значительно ниже атмосферного. Такое значительное разрежение остается и при парортутных установках. Насыщенный пар ртути подчиняется тем же законам, что и водяной пар. И здесь существует строгая зависимость между давлениями и температурами. Какова же будет конечная температура ртутного пара после его работы в турбине, если и в конденсаторе парортутной установки будет такое же давление, как и при пароводяной, т. е. 0,05—0,06 атмосферы? Оказывается, что при таком давлении температура конденсации ртутных паров будет порядка 230— 240°Ц.

Совершенно ясно, что заканчивать процесс при такой высокой температуре пара без дальнейшего ее использования было бы нерациональным. Метод использования конечной температуры паров ртути напрашивается сам собой. В самом деле, представим себе конденсатор, в котором происходит конденсация паров. Это железный резервуар, в котором смонтировано большое количество малого диаметра трубок. По трубкам протекает вода, которая отнимает тепло вступающего в резервуар пара после работы в турбине.

Поскольку ртутный пар имеет столь высокую температуру конденсации (230—240°Ц), есть полная возможность охлаждающую воду превращать в пар высокой температуры порядка 208—220°Ц. Такой температуре соответствует давление водяного насыщенного пара в 16—23 атмосферы. Полученный водяной пар затем перегревается и работает в обычной паровой турбине. Таким образом, в этом случае конденсатор превращается в конденсатор-испаритель, в котором конденсируется ртутный пар при одновременном получении водяного пара из охлаждающей воды. При таком использовании высокой температуры конденсации ртутного пара установка получается с двумя рабочими телами: ртутный пар, получаемый в ртутном котле и работающий в ртутной турбине, и водяной пар, получающийся в конденсаторе-испарителе и работающий после перегрева в обычной паровой турбине. В том случае, когда, кроме потребности в электроэнергии, есть потребность и в паре, например, для теплофикации района и производственных нужд (текстильные, бумажные, комбинаты и пр.), обычная пароводяная турбина может и не устанавливаться. Электроэнергия вырабатывается парортутной турбиной, а водяной пар для производственных нужд производится в испарителе-конденсаторе этой турбины и направляется на производство. И в том и в другом случае в установке работают ртутный и водяной пар, потому-то они и называются установками с бинарным (сдвоенным) циклом. Чтобы представить себе, какое количество водяного пара может быть получено в конденсаторе-испарителе, приведем данные парортутной установки на новой силовой станции заводов «Дженераль Электрик Компани» (Америка). Здесь установлена ртутная турбина мощностью 20 000 киловатт. Турбина обслуживается парортутным котлом. В конденсаторе-испарителе производится в один час 109 тонн водяного пара давлением 29 атмосфер. Для производства такого количества пара потребовался бы паровой котел нормальной конструкции не меньше 1 500 квадратных метров поверхности нагрева.

Общий вид парортутной установки мощностью 20 000 квт "Дженераль Электрик Компани"

*

Схема парортутной установки теперь может быть совершенно четко представлена. Основным оборудованием такой установки, кроме обычной пароводяной турбины, являются: ртутный котел, ртутная турбина, конденсаторы-испарители. Кроме этого основного оборудования, имеется подогреватель ртути перед поступлением ее в котел (экономайзер) и перегреватель для получающегося водяного пара.

Парортутные котлы, представляя собой котлы трубчатые, имеют барабаны, в которых находится ртуть. В стенки этих барабанов вальцованы трубки, свисающие в топочное пространство и омываемые горячими газами, получающимися в результате сжигания топлива. Своеобразная конструкция парортутных установок не представляет особых затруднений для изготовления. Стоимость сооружения парортутных установок значительно ниже стоимости паровых установок высокого давления. Но экономичность установок с бинарным циклом значительно выше обычных установок.

Парортутные котлы имеют барабаны, в которых находится ртуть. В стенка этих барабанов вальцованы трубки. На снимке: секция (барабан с трубками) парортутного котла.

Трубки парортутного котла омываются горячими газами. На снимке трубки ртутного котла (вид из топки).

Наружный вид ртутного парового котла.

Своим происхождением и развитием ртутные установки обязаны американскому инженеру Эммету, которому в результате упорной и долголетней работы исследовательского и изобретательско-конструкторского характера удалось создать вначале опытные, а затем и промышленные ртутные установки, работающие по бинарному циклу.

Первая опытная установка Эммета относится еще к 1914 году. В 1922 и 1923 гг. была сооружена полупромышленная ртутнопаровая установка, а после нее в 1918 и 1933 гг. в Америке начинают эксплуатироваться две крупные ртутнопаровые установки промышленного значения на станции Гартфордской компании и новой силовой станции заводов «Дженераль Электрик Компани».

В ближайшем будущем у нас в Союзе будут сооружены первые парортутные установки. Над этой задачей уже работает Центральный котлотурбинный институт.