Энергия пара продолжает приводить цивилизацию в движение — даже в XXI веке
На электростанциях, под центром Нью-Йорка, в кафе — энергия пара сохраняет свою актуальность в современном мире.
Мы живем в мире, приводимом в движение паром. Большинство из нас не замечают роли пара в современном обществе, однако энергия пара применяется практически повсеместно. На каком бы топливе ни работала электростанция, — будь то уголь, природный газ, нефть, уран, — оно служит единственной цели: доведение воды до кипения для получения пара высокого давления, который вращает лопасти турбин, вырабатывающих электроэнергию. Даже самая совершенная из когда-либо созданных человеком электростанция — масштабный экспериментальный проект по ядерному синтезу, который в настоящее время осуществляется во Франции, — по сути, представляет собой чрезвычайно сложный паровой котел.
Сложно найти лучший пример зависимости современной цивилизации от пара, а также возможностей использования энергии пара, чем Нью-Йорк — город, буквально построенный на пару.
Нью-Йорк: город пара
В Нью-Йорке и других крупных городах по всему миру пар не только вырабатывает электроэнергию на электростанциях. Он также подается по трубам в здания для отопления, охлаждения и других целей. Строительство паровой системы Манхэттена началось в 1881 году; в то время дымовая труба высотой 225 футов единственной электростанции компании NY Steam Corporation была вторым по высоте сооружением Манхэттена после шпиля Церкви Троицы (Тринити-чёрч). В настоящее время под улицами Нью-Йорка, на глубине от 5 до 8 футов, чуть выше тоннелей метро, проложено более 100 миль паровых труб в бетонной оболочке, защищающей их от случайного повреждения при строительных работах.
«По нашим оценкам, паровая система обслуживает от 2,5 до 3 миллионов человек», — говорит Фрэнк Куомо, директор энергетической компании Con Edison по парораспределительным системам Нью-Йорка. Это примерно треть населения города. Среди потребителей услуг парового отопления, предоставляемых Con Ed, целый ряд всемирно известных объектов и зданий: Центральный вокзал, Эмпайр Стейт Билдинг, новый комплекс Всемирного торгового центра и зеркальные бассейны-близнецы мемориального комплекса 9/11. «Бассейны подогреваются паром, чтобы защитить их от замерзания в течение всей зимы», — пояснил Куомо.
В настоящее время у Con Edison в городе пять электростанций, питаемых природным газом, которые в периоды пиковой нагрузки производят более миллиона галлонов кипящей воды в час. Без паровой энергии легендарная панорама города выглядела бы совсем иначе. «Каждому зданию потребовалась бы собственная котельная и собственная дымовая труба», — говорит Майкл Браун, директор Ист-Риверской электростанции компании Con Edison. — «Город был бы покрыт дымовыми трубами, подобно Лондону в эпоху промышленной революции».
Как пар снабжает город энергией
На каждой электростанции выработка электроэнергии начинается с котла, в котором воду нагревают и превращают в пар. Перед подачей в котел вода должна быть очищена, чтобы предотвратить образование накипи и отложений. Затем пар под давлением по трубам подается к лопаткам турбины. Под действием пара турбина, которая соединена валом с генератором, начинает вращаться. Внутри генератора на вращающемся валу установлены катушки из медной проволоки, расположенные между магнитами. Электромагнитное взаимодействие между вращающимися катушками и магнитами генерирует электрический ток, который подают потребителям.
При взрыве в Нью-Йорке в июле 2007 года в воздух было выброшено целое облако пара. Такие аварии на паровых установках редки, однако могут привести к серьезным разрушениям.
Если что-то пошло не так
Паровые трубы, проложенные под улицами города, находятся под высоким давлением. Взрывы случаются не часто, но когда они происходят, последствия могут быть серьезными. Например, в июле 2018 года в районе Флэтайрон в Нью-Йорке произошел разрыв паровой трубы, в результате которого на несколько кварталов обрушился ливень из асбеста и других обломков и пришлось эвакуировать 49 зданий. Годом ранее разрыв подземной паровой магистрали произошел в районе Камден Ярдс в Балтиморе: обломки были разбросаны по всему кварталу и пострадали пять человек. А при взрыве на паровой магистрали возле Центрального вокзала в 2007 году на высоту близлежащего
Как ни удивительно, подобные аварии обычно не связаны с возрастом или износом труб. «Это никак не связано с возрастом системы», — объясняет директор Con Edison Куомо. Разорванная в июле прошлого года труба была введена в эксплуатацию в 1924 году, но когда ее осмотрели, она оказалась в «довольно хорошем состоянии».
Отчего же происходят взрывы? Коренной причиной является гидравлический удар.
Гидравлический удар
Когда вокруг паровых труб накапливаются грунтовые воды после сильных осадков или утечек из водопроводных труб, пар внутри трубы остывает и быстро конденсируется, образуя водный столб. Давление окружающего пара разгоняет водный столб подобно жидкому тарану — так возникает гидравлический удар, способный разорвать трубу. В отличие от пара, вода не сжимается, то есть не поглощает энергию удара, — поэтому гидравлический удар обладает разрушительной силой. Это же явление, только в миниатюре, является причиной щелчков, которые можно услышать в паровых радиаторах.
В Нью-Йорке и других городах установлены системы мониторинга, позволяющие следить за специальными конденсатоуловителями, предотвращающими накопление воды вокруг паровых магистралей.
Jay Smith
(1) Пар остывает и конденсируется — Конденсат — Пар
(2) Накопление конденсата
(3) Возникает гидравлический удар
(4) Передатчик — Конденсатоуловитель — Во многих городах установлены системы мониторинга, позволяющие предотвратить рост давления
Не только пар
«Эпоха пара» началась более 200 лет назад, когда Джеймс Уатт создал первый эффективный паровой двигатель. Но если новая технология, которая сейчас проходит всесторонние испытания, оправдает ожидания, монополии пара в энергосистемах может быть положен конец. Компания NET Power в Дареме, Северная Каролина, построила электростанцию принципиально нового типа, которая вместо пара использует углекислый газ. Примечательно, что она способна сжигать ископаемое топливо без выделения парниковых газов.
Демонстрационная установка в Ла Порте, Техас, была построена в прошлом году. Установка сжигает природный газ в чистом кислороде вместо обычного воздуха, производя нагретый и находящийся под высоким давлением «сверхкритический» углекислый газ, который вращает турбину. Сверхкритические материалы сочетают в себе свойства газа и жидкости: они текучи подобно жидкости или заполняют пустой объем подобно газу. Поскольку сверхкритический углекислый газ плотнее пара, он несет в себе большее количество энергии на единицу объема и передает эту энергию на лопатки турбины. Выходящий из турбины сверхкритический газ можно собирать в подземном хранилище, сводя выбросы парниковых газов к нулю без какого-либо специального оборудования. Поскольку единственным побочным продуктом является вода, установки этого типа могут сыграть ключевую роль в низкоуглеродной экономике будущего.
Интересные факты
В Исландии, которая расположена на гребне геологически активного Срединно-Атлантического хребта на стыке тектонических плит, около 27 % выработки электроэнергии приходится на геотермальную энергию. Глубокие скважины, вскрывающие напорные водные горизонты, обеспечивают паром турбины шести геотермальных станций Исландии.
Считается, что первый в мире паровой двигатель изобрел Герон Александрийский в I веке н.э. Описанный им эолипил, или «воздушный шар», состоял из герметичного сферического сосуда, заполненного водой и установленного над открытым пламенем. Струи пара из двух труб на поверхности сферы заставляли его вращаться. Герон считал это устройство игрушкой и не видел каких-либо возможностей применения на практике.
Если вы когда-либо обедали в ресторане самообслуживания, то наверняка видели мармит, который сохраняет готовую пищу теплой. Пар передает тепло в пять раз эффективнее, чем вода, и на 12 % лучше, чем воздух.
Каллиопа, — также известная как паровой орган, — издает звуки, выпуская пар через специальные трубки. Клавиатура позволяет управлять расходом пара через трубки.