Паровые машины, послужившие причиной Промышленного переворота, сейчас практически не употребляются. Но для выработки электрической энергии пар, вращающий турбину, по-прежнему является основным рабочим телом для привода электрогенераторов.

Современные силовые станции

Современные силовые станции используют теплоту, выделяемую при сгорании угля, нефти, или в некоторых случаях тепло ядерного реактора. За счет теплоты сгорания вода нагревается и превращается в пар высокого давления. Пар направляется по трубам к паровой турбине, которая состоит из множества профилированных лопаток, укрепленных на общем валу. Сопла направляют струи пара на лопатки, приводя во вращение турбину. К валу турбины крепится ротор генератора. При его вращении механическая энергия преобразуется в электрическую.
Все три элемента силовой станции-котел, турбина, генератор – подверглись значительным усовершенствованиям, что существенно повысило эффективность силовых установок. В результате кпд производства электрической энергии (количество вырабатываемой электроэнергии, отнесенной к подведенной тепловой энергии) возрос примерно с 5% в 1900-х гг. до 40% в 1975 г. Другими словами, без такого увеличения кпд силовые станции сжигали бы в восемь раз больше топлива для выработки того же количества электроэнергии.
Котел большой современной силовой станции сжигает до 200 т угольной пыли в час. Железнодорожные вагоны доставляют уголь тепловым станциям, где его отгружают в огромные склады, и уже оттуда уголь по транспортерам движется к котлу. Его взвешивают, измельчают в тонкий порошок, затем он смешивается с воздухом и транспортируется по металлическим трубам вентиляторами к топке, где интенсивно сгорает.

Производство пара

По конструкции котел похож на высокую печь, через которую проходят вертикальные трубы с протекающей по ним водой. Угольно-воздушная смесь, сгорая, нагревает воду до парообразного состояния. Сначала пар собирается в паровом барабане, затем направляется через горячую часть котла в другую систему труб, где нагревается до более высоких температур.
Из нагревателя пар подается прямо на турбину. Сперва он поступает к турбине высокого давления, где проходит через кольцо неподвижных лопаток. Действуя как сопла, они направляют струи пара на вращающиеся лопатки. Проходящий через лопатки пар вращает турбину, подобно тому как ветер вращает крылья ветряной мельницы. Из турбины высокого давления пар поступает обратно в котел, где снова нагревается. Проходя ступени среднего и низкого давления, пар постепенно отдает свою энергию и преобразует ее в энергию вращения.
Наконец, отдав значительную часть своей энергии, пар в конденсаторе превращается в воду. Конденсатор – это большой резервуар, охлаждаемый трубами, через которые протекает холодная вода от ближайшей реки или водохранилища. Эта вода отбирает у пара тепло, превращая его в горячую воду, которая снова направляется в котел для дальнейшего нагревания. При конденсации пара в конденсаторе давление понижается, что позволяет получить дополнительную работу, так как при превращении пара в воду возникает вакуум.
Ось турбины вращается со скоростью, соответствующей частоте электрического тока. В Великобритании и ряде других европейских стран скорость вращения составляет 3000 об/мин, что соответствует частоте переменного тока 50 Гц. В США скорость вращения турбины обычно достигает 3600 об/мин, что соответствует частоте переменного тока 60 Гц.
Генератор электрического тока состоит из двух узлов. Первый, называемый ротором, устанавливается на валу турбины и вращается вместе с ней; второй, называемый статором, представляет собой как бы оболочку первой и крепится к полу. Относительное движение статора и ротора обусловливает получение электрической энергии.

Генераторы и их кпд

Чтобы получить лучшие характеристики генератора, его необходимо постоянно охлаждать. Раньше прибегали к естественному охлаждению воздухом или принудительному охлаждению с помощью вентиляторов. Однако с начала 50-х гг. получило распространение более эффективное охлаждение водородом. Ротор и статор работают в атмосфере водорода, который отводит тепло. В большинстве современных конструкций ротор выполнен из полых медных трубок, через которые циркулирует водород. Статор самостоятельно охлаждается водородом, протекающим через трубки. С «прямым» или «внутренним» охлаждением мощность генератора может быть удвоена.
Генератор вырабатывает электрический ток напряжением примерно 25 кВ. И хотя большинство потребителей работают на напряжении 250 В, гораздо выгоднее передавать электрическую энергию на расстояние при самом высоком напряжении. Поэтому при передаче электроэнергии напряжение с помощью трансформаторов повышают (до 275-400 кВ в Великобритании).
После преобразования электроэнергия может быть передана в сеть, объединяющую все силовые станции страны.
Такая сеть помогает управлять энергосистемой. Кпд больших генераторов снижается, если они работают не на полную мощность. Поэтому в случае недогрузки выгоднее не снижать мощность электростанций, а выключить отдельные станции, что позволит остальным работать на полную мощность. При этом отдается предпочтение тем из них, которые производят более дешевую энергию.