Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Задумывались ли вы, зачем для передачи электроэнергии на большое расстояние нужно такое высокое напряжение, заставляю­щее строить высокие башни-опоры и гигантские изоляторы? Почему бы не передавать электричество низкого напряжения по сверхпроч­ным проводам, протянутым между скромными сооружениями или даже под землей? Тому есть причина.

Для заданной мощности электроэнергии, потребляемой конечными потребителями (нагрузка сети), сила тока в линиях электропередачи с ростом напряжения понижается. Уменьшение силы тока сокращает

потери электроснабжения в линии электропередачи. Обратившись к формуле из школьного курса физики, вы поймете почему:

Р = ЕІ,

где Р — мощность в ваттах, Е — напряжение в вольтах, а I — сила тока в амперах. Из нее следует, что на данном уровне мощности сила тока обратно пропорциональна напряжению:

I = Р/Е.

Потери электроснабжения (т. е. потери мощности) в линии электро­передачи пропорциональны квадрату силы тока. Эти потери — мощ­ности, которые не доходят до конечных потребителей; они уходят на нагрев проводов. Это соотношение описывается следующей формулой:

Р = I2R,

где Р — мощность в ваттах, I — сила тока в амперах, a R — сопротив­ление провода в омах. Конструкторы не могут изменить сопротивление провода или мощность нагрузки сети, но они могут довести до макси­мума напряжение, минимизируя таким образом «лишний» ток, который вынуждена нести линия передачи для обеспечения потребности сети.

Предположим, напряжение, подаваемое в сеть, повышается де­сятикратно, а потребительские нагрузки в сети постоянны. Рост на­пряжения уменьшает силу тока в десять раз, и в результате потери мощности сокращаются в (1/10)2, т. е. в сто раз! Разумеется, исполь­зовать повышающий трансформатор в одном месте проще и дешев­ле, чем протягивать на многие километры провода, тяжесть которых (без трансформатора) оказывалась бы в сто раз больше.

Вид высоковольтной линии переменного тока под напряжением, скажем, 500 000 вольт страшноват? Возможно. Но угрозу здоровью, исходящую от линий электропередачи (реальный уровень этой угро­зы — вопрос спорный), на самом деле несут магнитные поля, ге­нерируемые этими линиями. Сила этих колеблющихся полей прямо пропорциональна силе тока, а не напряжению. Если бы такая линия, проходящая по вашему пригороду, имела напряжение в 500 вольт, а не в 500 000, магнитные поля, окружающие ее, были бы гораздо ин­тенсивнее и потенциальная угроза здоровью, соответственно, выше.

ПО ЛИНИИ

Высокое напряжение прекрасно подходит для передачи электри­чества на большие расстояния, но совершенно ни к чему для обычно­го потребителя. Провода высоковольтных линий производятся с со-

блюдением мер предосторожности, предотвращающих дуговой про­бой (искрение) и короткие замыкания. Работники электростанций и электросетей должны находиться как минимум за несколько метров от высоковольтных проводов. Представьте попытку подключить лю­бой бытовой прибор, скажем, персональный компьютер к высоко­вольтной сети с напряжением 500 000 вольт напрямую — вас убьет прежде, чем вы вставите вилку в розетку.

Для понижения напряжения в сетях неподалеку от скопления ко­нечных потребителей сооружаются электрические подстанции проме­жуточного напряжения, оборудованные понижающими трансформа­торами. Кабели промежуточного напряжения от них распределяются дальше, к еще более низковольтным линиям. В конце концов одна или несколько линий от каждого трансформатора подключаются к от­дельным зданиям. Каждый трансформатор должен быть оборудован проводами достаточного сечения, чтобы выдерживать пиковое напря­жение, необходимое всем потребителям, которых он обслуживает.

Порой, в часы жары, например, потребность в электричестве воз­растает выше обычных пиковых нагрузок. Возникает дефицит мощ­ности — сеть нагружена так, что происходит временное падение (провал) напряжения. Если же потребление возрастает еще, транс­форматоры подвергаются опасным перегрузкам. Защищая их от раз­рушения, встроенные прерыватели размыкают цепь — происходит временное аварийное обесточивание (блэкаут).

Рис. 10.2. На схеме А — трехфазная розетка переменного тока. На схеме Б — обычная однофазная розетка переменного тока

А Б

В частных домах или отдельных постройках трансформаторы по­нижают напряжение до 234 или 117 вольт (в США. — Прим. пер.). Обычно напряжение в 234 вольта подается по трем проводам, на­зываемым фазами, каждый из которых подключен к своему гнезду
сетевой розетки (рис. 10.2, А). Этим напряжением обычно запитыва­ют мощные электробытовые приборы: электрические печи и плиты, электрические камины, стиральные машинки и сушилки. К низко­вольтным (11 вольт) розеткам с двумя или тремя гнездами подводит­ся переменный ток одной фазы. Третье гнездо такой розетки — за земление (рис. 10.2, Б).

ПРЕИМУЩЕСТВА УГЛЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ

• Уголь широко распространен, и его месторождений в США множество. Это очевидное преимущество американской эконо­мики в условиях, когда снабжение нефтью и природным газом (метаном) становится ненадежным или цены на них — непред­сказуемыми.

• Современные электростанции, работающие на угле, достаточно эффективны и выбрасывают гораздо меньше вредных отходов, чем их ранние предшественники.

• Камеры сгорания электростанций, сжигающие угольную пыль, достаточно гибки — их можно легко переналадить. Они спо­собны сжигать как любой вид угля — от лигнита (бурого или мягкого угля) до антрацита (каменного или твердого угля), так и нефть и/или метан.

НЕДОСТАТКИ УГЛЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ

• Запасы доступного угля велики, но не бесконечны. В лучшем случае использование угля предоставит отсрочку, необходимую для радикального решения глобальной проблемы электроэнер­гообеспечения.

• Сжигание угля приводит к меньшим, чем это было раньше, вы­бросам вредных веществ, однако при этом все же выделяются углекислота (диоксид углерода — С02, известный как парни­ковый газ), угарный газ (окись углерода — СО), окиси серы и азота (SO и NO), а также ртутные соединения. Современные контрольно-измерительные приборы и автоматика сокращают вы­бросы и уменьшают загрязнение окружающей среды, но в стра­нах с развивающейся экономикой они используются не всегда.

• Угольные шахты надолго оставляют уродливые шрамы на теле Земли, а их работа чревата утечкой токсичных материалов — свинца, ртути или мышьяка.

• Угольные поезда затрудняют транспортное сообщение в горо дах, не имеющих достаточно разветвленной сети дорог с моста-

ми и тоннелями. Это не просто неудобство, а потенциальная угроза, если движение угольных поездов помешает передви­жению спецтранспорта (пожарных, медицинских, полицейских или иных автомобилей).

• Шум, производимый поездами, может раздражать людей, про­живающих около железных дорог.

• Перевозка угля по железной дороге связана с потреблением горючего, что увеличивает загрязнение окружающей среды и фактически снижает эффективность.

• Вода, используемая в котлах электростанций, работающих на угле, аккумулирует загрязнители окружающей среды. При за­мене этой воды от них необходимо избавляться, что повышает затраты на выработку электроэнергии.

Задача 10.1

Почему нельзя строить мощные электростанции рядом с уголь­ными шахтами и разрезами, избавляясь таким образом от угольных поездов?

Решение 10.1

Теоретически можно. Однако большинство доступного угля зале­гает далеко от основных центров сосредоточения населения. Это по­требует сооружения чрезвычайно длинных линий электропередачи. Затраты на строительство, эксплуатацию и обслуживание этих ЛЭП превосходят затраты на доставку угля по железной дороге к относи­тельно небольшим электростанциям, расположенным поблизости от конечных потребителей.

Электростанции на нефтепродуктах

В США нефть используется в основном для обогрева и выработки горючего для транспорта, а не для теплоэлектростанций[39]. Хотя в не­котором смысле нефть можно назвать жидким углем. Ее выкачивают из-под земли, а не добывают в шахтах или разрезах, но ее — так же, как и уголь — необходимо доставить из нефтедобывающих районов в места переработки, а оттуда — в места потребления.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Электростанции, работающие на продуктах нефтепереработки (мазуте), подразделяются на три типа в зависимости от принципа работы — обычные паровые, газотурбинные и электростанции сме­шанного цикла[40].

Во всех трех типах нефть после переработки доставляется на элек­тростанцию и обычно хранится в цистернах вне станции. Доставка с нефтеперерабатывающих заводов на электростанции осуществляется как танкерами, поездами или автомобилями, так и по топливопрово­
дам[41]. На обычной паровой электростанции нефть сжигается практи­чески так же, как и в домашней печи на жидком топливе, но гораздо большего масштаба. Полученная в результате горения теплота нагре­вает воду до кипения. Образовавшийся пар приводит в действие тур­бину (см. рис. 10.3). За исключением топлива эта система идентична той, что используется на электростанциях, работающих на угле. На газотурбинных электростанциях продукт горения нефтепродуктов на высокой скорости проходит через газовую турбину, напоминающую ветряную мельницу, способную работать на огромной скорости. Тур­бина вращает вал электрогенератора (см. рис. 10.4).

К линиям …………… Нефтетопливо электроснабжения Рис. 10.4. Упрощенная функциональная схема работы газотурбинной электростанции на нефти

Электростанции смешанного цикла оборудованы теми же агрега­тами, что и газотурбинные электростанции, но выходящие из газовой турбины продукты сгорания используется для получения пара в котле, выходящий под высоким давлением пар приводит в действие вторую турбину. Таким образом для производства электричества используется большая часть энергии, и эффективность всей системы возрастает.

ПРЕИМУЩЕСТВА МАЗУТА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

• Мазут — достаточно безопасное горючее. Утечка или разлив нефти могут вызвать пожар, но не создают угрозы взрыва, как огнеопасные газы.

• Мазут — топливо с высокой плотностью. Цистерна среднего размера содержит достаточно мазута для выработки большого количества электроэнергии.

• Мазут можно смешивать с биотопливом. Большинство электро­станций, работающих на мазуте, проектируются с учетом рабо­ты на такой смеси, называемой гибридным топливом1.

• Газотурбинные электростанции проектируются или легко моди­фицируются под использование в качестве топлива при необхо­димости угля или метана.

• Современные электростанции на мазуте загрязняют окружаю­щую среду в меньшей степени, чем более ранние конструкции, благодаря использованию оборудования, снижающего вредные выбросы.

НЕДОСТАТКИ МАЗУТА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

• Сгорание мазута — пусть и более «чистое», чем было рань­ше — загрязняет окружающую среду тем же образом и такими же отходами, как и сгорание угля. Системы снижения токсич­ности выбросов помогают понизить уровень загрязнения, но только в том случае, если они функционируют штатно. Некото­рые страны с формирующейся экономикой не могут себе позво­лить эффективной системы борьбы с загрязнием, что приводит к загрязнению окружающей среды и выбросам «парниковых» газов.

• Цена мазута напрямую зависит от цены на сырую нефть, кото­рая может вырасти скачкообразно, и в любом случае в долго­срочной перспективе будет повышаться.

• Большинство мировой добычи несЬти сосредоточено в полити­чески нестабильных регионах мира, что повышает постоянные риски внезапных и непредсказуемых прекращений поставок.

• Временное сокращение поставок нефти также может происхо­дить в результате природных катаклизмов — ураганов, земле­трясений и повреждений (коррозии) нефтепроводов.

• Протечки и разливы нефтепродуктов наносят урон окружаю­щей среде.

• Транспортировка сырой нефти и нефтепродуктов по морю же­лезным и автомобильным дорогам связана с потреблением энер­гии. Это фактически снижает эффективность всей системы.

• Мировые запасы нефти конечны и невозобновляемы.

Задача 10.2

Требуют ли теплоэлектростанции установки систем охлаждения для того, чтобы предохранять оборудование от перегрева? Оказы­вает ли какое-либо воздействие на окружающую среду излучаемое такими электростанциями тепло?

Решение 10.2

Ответ на оба вопроса один: «Да». Системы охлаждения не по­казаны на приведенных в этой главе схемах ради простоты и удоб­ства восприятия. Теплоэлектростанции обычно располагаются око­ло водоемов, обеспечивающих изобилие «охлаждающей жидкости» (морскую воду для использования в системах охлаждения прихо­дится опреснять). Нагретая вода из систем охлаждения в конечном счете возвращается в источник, поднимая температуру озера, реки или океана. Это оказывает влияние на окрестную водную (морскую) флору и фауну, но это влияние не всегда отрицательное. Например, если в результате работы электростанции, расположенной на берегу северной речки, вода в ней зимой не замерзает, в холодные периоды животные будут стремиться в этот район.

Комментарии запрещены.