книги из ГПНТБ / Будзко И.А. Электроснабжение сельского хозяйства учеб. пособие

Г л а в а I

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. Развитие электроэнергетики и электрификации

сельского хозяйства СССР

Еще в первые месяцы после Великой Октябрьской социалистиче­ ской революции В. И. Лениным была сформулирована задача о необ­ ходимости обращения особого внимания на электрификацию промыш­ ленности и транспорта и применение электричества к земледелию. Проблема электрификации всех отраслей народного хозяйства, а сле­ довательно, и электроэнергетики начиная с конца X I X века стояла достаточно остро во всех странах в связи с высокими технико-эконо­ мическими характеристиками электрической энергии, легкостью ее преобразования в другие виды энергии и простотой передачи на рас­ стояние. К началу первой мировой войны (1914 г.) электроэнергети­ ческая база ведущих мировых стран развивалась весьма быстрыми темпами, но царская Россия, несмотря на огромные запасы топлива и гидроресурсов, и в этой ведущей отрасли народного хозяйства за­ метно отставала от других капиталистических стран, занимая по установленной мощности на электростанциях и по производству элект­ рической энергии далекое место в ряду большинства крупных зару­ бежных стран.

В феврале 1920 г. по инициативе В. И. Ленина при Высшем Сове­ те Народного хозяйства была создана комиссия ГОЭЛРО по состав­ лению государственного плана электрификации России. Этой комис­

План ГОЭЛРО, названный В. И. Лениным «второй программой партии», намечал в 10—15-летний срок построить 30 районных элект­ ростанций общей мощностью 1,78 млн. кВт и представлял собой пер­

В нем особо отмечалась высокая эффективность электрификации сель­

Партия и правительство сразу же после V I I I съезда Советов мо­ билизовали трудящихся нашей страны на реализацию плана ГОЭЛРО, проходившую, особенно в первые годы, в невероятно тяжелых усло­ виях разрухи народного хозяйства России, вызванной первой импе­ риалистической и особенно гражданской войной. К 1930 г. план ГОЭЛРО был перевыполнен, и дальнейшее развитие электроэнерге­ тики страны проходило все нарастающими темпами, позволившими

э

к началу Великой Отечественной войны нашей стране уверенно занять первое место в Европе и второе место в мире по установленной мощ­ ности электростанций и по производству электроэнергии.

Война 1941—1945 гг. нанесла огромный ущерб энергетике Совет­ ского Союза. Значительное количество крупных электростанций и электрических сетей в западных, северных, центральных и южных районах европейской части страны, временно захваченных немецкими

ми восстанавливалось их энергетическое хозяйство. В результате к концу войны установленная мощность наших электростанций и вы­ работка ими электрической энергии почти не сократились по сравне­ нию с предвоенным 1940 годом.

В послевоенные годы развитие энергетики продолжалось нараста­ ющими темпами, и в 1970 г. общая установленная мощность электро­ станций составила 177 млн. кВт при выработке электроэнергии 740 млрд. кВт-ч. По пятилетнему плану развития народного хозяй­ ства СССР на 1971—1975 гг. намечено довести производство электро­ энергии в стране до 1065 млрд. кВт-ч, введя за пятилетие в строй на электростанциях суммарную мощность 65—67 млн. кВт. В первом году пятилетки мощность электростанций возросла более чем на 12 млн. кВт, а производство электроэнергии составило 800 млрд. кВт-ч. Таким образом, только за один этот год в стране были введены в действие новые энергетические объекты мощностью, в семь раз превышающей все строительство по плану ГОЭЛРО на 10—15-летний срок.

гетики страны стала развиваться и электрификация сельских районов. На первых порах она сводилась главным образом к обеспечению в селе электрического освещения («лампочка Ильича»), но постепенно электроэнергия во все возрастающих объемах стала внедряться так­ же и в технологические процессы сельскохозяйственного производст­ ва. До 1953 г. сельская электрификация обеспечивалась в основном строительством мелких колхозных и совхозных гидроэлектростанций и тепловых электростанций на местном топливе, а начиная с этого времени в стране началось широкое строительство сельских электри­ ческих сетей,'присоединенных к промышленным и городским мощным энергосистемам. К концу 1970 г. в сельском хозяйстве Советского Союза работало около 5 млн. электродвигателей, протяженность сель­ ских сетей всех напряжений составила 2,8 млн. км (в несколько раз больше, чем во всех остальных отраслях народного хозяйства, вместе

взятых), а мощность сельских потребительских подстанций составила около 50 млн. кВ - А .

За пятилетку 1971—1975 гг. количество электродвигателей в сель­ скохозяйственном производстве достигнет 10—11 млн. Одновременно будут увеличиваться число и мощность потребительских подстанций и в какой-то мере расти и протяженность электрических сетей. Одна­ ко в этом последнем показателе, видимо, наметится некоторое сниже­ ние темпов по сравнению с пятилеткой 1966—1970 гг., когда в год строилось около 250 тыс. км новых сельских сетей. Такое снижение неизбежно, поскольку насыщенность электросетями сельскохозяйст­ венных районов, в которые рационально по технико-экономическим соображениям передавать электроэнергию от мощных энергосистем, достаточно велика и дальнейшее развитие сельского электроснабже­ ния в основном будет достигаться реконструкцией существующих сетей в целях повышения пропускной способности, улучшения каче­ ства электрической энергии, поставляемой сельским потребителям, и повышения надежности электроснабжения. Одновременно будет продолжаться процесс электрификации сельских районов, удаленных от мощных энергосистем, путем строительства укрупненных колхоз­ ных и межколхозных электростанций с использованием дизельного топлива, а также водной энергии малых и средних водотоков.

Следует подчеркнуть, что в настоящее время степень загруженно­ сти существующих сельских электрических сетей и потребительских подстанций для подавляющего большинства территории нашей стра­ ны крайне мала и основной задачей, разрешение которой способно повысить рентабельность сельского электроснабжения, является ши­ рокое внедрение электроэнергии в производственные процессы сель­ ского хозяйства и в быт сельского населения.

По Директивам X X I V съезда КПСС за пятилетку 1971—1975 гг. объем, потребления электроэнергии в сельскохозяйственном произ­ водстве, а также отпуск ее на коммунально-бытовые нужды сельского населения должны удвоиться по сравнению с 1970 г. и в 1975 г. до­ стигнуть 75 млрд. кВт-ч. Широкое строительство индустриальных сельскохозяйственных комплексов (откормочных пунктов, ферм, пти­ цефабрик), а также снабжение сельского хозяйства и населения, со­ гласно Директивам, электробытовыми приборами, аппаратурой и электрооборудованием обеспечат выполнение поставленной задачи.

§ 2. Производство электроэнергии

Одна из основных особенностей производства электрической энер­ гии, существенно отличающая его от всех других производств, заклю­ чается в невозможности хранения произведенной продукции. Элект­ рическая энергия должна быть потреблена в момент ее производства. В какой-то степени электроэнергию можно запасать путем использо­ вания аккумуляторов, но низкий коэффициент их полезного действия, а также большие габаритные размеры и высокая стоимость не дают возможности широко использовать их в электроэнергетике. В настоя-

щее время существуют также специальные гидроаккумулирующие электростанции, у которых турбина одновременно является насосом. В режиме производства электроэнергии такие станции работают как обычные гидроэлектростанции за счет потенциальной энергии водо­ тока, вырабатывая при помощи приводимых гидротурбинами генера­ торов электроэнергию. В периоды же избытка электроэнергии в энер­ госистеме эти генераторы работают электродвигателями, приводя тур­ бины, действующие как насосы для запасания воды в водохранилище. Однако таких станций пока мало, и они также не имеют большого практического значения. В связи с этой особенностью процесса про­ изводства электроэнергии большое значение имеет правильная его организация, направленная на то, чтобы объемы производства в каж­ дый данный момент времени соответствовали объемам потребления электроэнергии.

Основными источниками электроснабжения современных потреби­ телей являются мощные районные электростанции. В зависимости от энергоносителя, обеспечивающего на таких станциях выработку электроэнергии, различают т е п л о в ы е электростанции, г и д ­ р а в л и ч е с к и е и а т о м н ы е . Кроме того, на электростанциях в качестве энергоносителя могут быть использованы ветер, внутриземное тепло, морские приливы и солнечное тепло. Однако такие электростанции сколько-нибудь существенного значения в современ­ ной электроэнергетике пока не имеют. В будущем, по-видимому, серьезная роль будет отведена электростанциям с использованием управляемых термоядерных реакций.

На тепловых электростанциях сейчас производится 85% всей вы­ рабатываемой электроэнергии. На этих электростанциях для выра­ ботки электроэнергии используется химическая энергия сгорающего топлива. Эта энергия в двигателях внутреннего сгорания, дизельных двигателях и в газовых турбинах превращается в механическую энер­ гию первичного двигателя, который приводит во вращение электри­ ческий генератор, вырабатывающий электроэнергию. В других случаях она сначала преобразуется в тепловую энергию пара, действую-, щего затем на паровую турбину или машину, где эта энергия пре­ вращается в механическую, и, наконец, приводимым турбиной или паровой машиной генератором преобразуется в электроэнергию.

В современной электроэнергетике ведущую роль играют тепловые станции второго типа, где химическая энергия топлива сначала пре­ вращается в тепловую энергию пара, а затем преобразуется сначала в энергию механическую и, наконец, в электрическую. Очевидно, что на этих электростанциях, где используется многократное преобразо­ вание энергии, коэффициент полезного действия не может быть высо­ ким. Такие станции сейчас строятся двух категорий: конденсацион­ ные, где по возможности вся тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию турбины или машины, и теплоэлектроцент­ рали, где эта энергия лишь частично преобразуется в механическую, а частично используется непосредственно для производственных и бы­ товых нужд. Коэффициент полезного действия современных крупных

конденсационных станций с использованием пара, имеющего высокие параметры (температуру перегрева и давление), достигает не более 38—40%. На теплоэлектроцентралях, обеспечивающих одновремен­ ное производство электроэнергии и тепла, этот коэффициент удается довести до 65—70%. Весьма перспективным направлением усовершен­ ствования тепловых электростанций и повышения их коэффициента полезного действия является применение магнитогидродинамических

в тепловую энергию пара и механическую энергию турбины или па­ ровой машины. Однако разработка магнитогидродинамических гене­ раторов пока находится в стадии экспериментальных и теоретических исследований и в практике электроэнергетики значения не имеет. Несколько иначе обстоит дело с газотурбинными установками, кото­ рые при достаточно больших уже достигнутых мощностях дают воз­ можность исключить стадию преобразования химической энергии топ­ лива в тепловую энергию пара. Такие газотурбинные электростанции уже строятся в нашей стране и за рубежом и, по-видимому, смогут достаточно существенно повысить к.п.д. тепловых электростанции.

На гидроэлектростанциях электроэнергию вырабатывают генера­ торы, которые приводятся во вращение гидравлическими турбинами. Непременной конструктивной частью любой гидроэлектростанции яв­ ляется плотина, преграждающая путь водотоку и позволяющая на­ капливать воду в водохранилище. Пропуск воды из водохранилища или из верхнего бьефа станции через турбины обеспечивает преобра­ зование потенциальной энергии этой воды в кинетическую энергию вращающейся гидротурбины, преобразуемую затем при помощи ге­ нератора в электроэнергию.

Гидроэлектростанции в зависимости от напора воды в верхнем бьефе относительно нижнего делятся на станции в ы с о к о н а п о р ­ н ы е (с напором от 100 м и более), с р е д н е н а п о р н ы е (40— 100 м) и н и з к о н а п о р н ы е (до 40 м). Мощность гидроэлектро­ станции прямо пропорциональна напору и количеству воды, пропус­ каемой через гидротурбины. Количество воды определяется водото­ ком, на котором сооружается гидроэлектростанция, а напор — высо­ той плотины. В свою очередь, высота плотины определяет собой степень затопляемости местности в верхнем бьефе гидроэлектростан­ ции и выбирается с учетом всех народнохозяйственных факторов при­ менительно к данной конкретной территории.

Обычно высоконапорные и даже средненапорные станции соору­ жают в гористой местности, где затопляемость территории получает­ ся меньшей и где это затопление не грозит существенной потерей полезной земельной площади. На равнинных реках обычно сооружа­ ют низконапорные гидроэлектростанции, но даже и они создают за­ метную затопляемость полезных земель.

и сравнительно сложные гидротехнические сооружения, располагае­ мые на достаточно большой территории. На этих станциях водоток перегораживают головным сооружением (плотиной), причем от верх­ него бьефа воду забирают по деривационному каналу, доходящему до сооружаемой на расстоянии нескольких километров (иногда даже десятков километров) гидроэлектростанции. Из канала вода проходит через турбины и поступает в нижний бьеф. Часто вместо деривацион­ ного канала на таких станциях используют напорные трубопроводы от верхнего бьефа к гидростанции. На приплотинных гидроэлектро­ станциях здание станции пристраивают к плотине, и оно составляет с нею единый гидротехнический комплекс. На русловых гидроэлект­

мире атомная электростанция в Обнинске под Москвой мощностью 5000 кВт. Это событие стало началом нового важнейшего направления в развитии энергетики.

На атомной электростанции управляемая энергия ядерного рас­ пада урана, получаемая в атомных реакторах, используется для па­ рообразования и нагрева пара. Дальнейший производственный цикл аналогичен производству электроэнергии на тепловых станциях: пар приводит в действие паровые турбины, вращающие турбогенераторы, которые и вырабатывают электрическую энергию. Подсчеты показы­ вают, что управляемая энергия ядерного распада урана практически утраивает энергоресурсы человечества.

Обнинская экспериментальная атомная электростанция позволила в дальнейшем перейти к строительству мощных атомных электростан­ ций в ряде районов нашей страны, на которых себестоимость произ­ водства электроэнергии практически приближается к себестоимости электроэнергии на современных тепловых электростанциях. Следует отметить, что достигнутая ступень развития атомной энергетики под­ готавливает переход к использовайию на атомных электростанциях реакторов — размножителей с быстрыми нейтронами, в которых ис­ пользуется почти полностью природный уран. Это существенно повы­ сит в дальнейшем экономичность атомных электростанций.

Атомная энергетика получила развитие не только в нашей стране, которая была пионером в ее освоении, но и за рубежом (в Англии, Франции, США и в других странах), где сейчас работает уже доста­ точно большое количество атомных электростанций.

Отметим, что по строительству и тепловых, и гидравлических, и атомных электростанций наша страна занимает ведущее место в мире. У нас уже введены в строй и работают мощнейшие в мире теп­ ловые электростанции по 2,4 млн. кВт (Конаковская, Назаровская, Славянская и др.), проектируются и сооружаются еще более мощные станции: Костромская мощностью 4 млн. кВт, Экибастузская на 10 млн. кВт и ряд других. На тепловых электростанциях нашей стра­ ны широко используются высокие параметры пара (давление и тем­ пература перегрева), применяются агрегаты мощностью 300, 500

и 800 тыс. кВт. Проектируются агрегаты с еще большей единичной мощностью.

Большие успехи достигнуты также в строительстве теплоэлектро­ централей. У нас работает ряд таких станций с мощностью более миллиона киловатт каждая.

За рубежом нет таких гидроэлектростанций, как Братская ГЭС на Ангаре мощностью 4,1 млн. кВт и Красноярская на Енисее (6 млн. кВт), которые являются самыми мощными в мире. Проекти­ руются еще более мощные гидроэлектростанции на Лене, Енисее, Оби. Наши атомные Нововоронежская, Белоярская, Мангышлакская и другие электростанции мощностью каждая по нескольку сот тысяч киловатт также находятся в ряду крупнейших в мире.

Обеспечение надежного и бесперебойного электроснабжения по­ требителей, а также экономичности работы электрических станций существенно повышается, если они работают на общую энергосисте­ му. Параллельная работа станций дает возможность более целесооб­ разно и экономично использовать энергоносители, сокращает необхо­ димый резерв для бесперебойного и надежного электроснабжения, повышает число часов использования установленной мощности, по­ вышает качество электроэнергии и создает еще целый ряд техникоэкономических преимуществ.

Еще по плану ГОЭЛРО в соответствии с прямыми указаниями В. И. Ленина намечалось создание ряда энергетических систем в на­ шей стране. Дальнейшее развитие идеи централизации электроснаб­ жения привело в ходе выполнения предвоенных и послевоенных на­ роднохозяйственных планов к созданию во всех районах нашей стра­ ны крупных энергетических систем. В годы последних пятилеток было начато объединение этих районных энергетических систем при помощи межсистемных линий электропередачи на напряжениях сна­ чала 220 кВ, а затем 330, 500 и 750 кВ. К настоящему времени все районные энергосистемы европейской части Советского Союза и Ура­ ла связаны между собой мощными межсистемными линиями электро­ передачи и образуют Единую энергетическую систему (ЕЭС), в кото­ рую входят электростанции с общей мощностью более ста миллионов киловатт.

| Процесс централизации электроснабжения в последнее десятиле­ тие развивался также и за рубежом. Однако даже в наиболее разви­ той капиталистической стране СІІІА нет энергосистемы, хотя бы при­ ближающейся по масштабам к ЕЭС Советского Союза.

| На азиатских территориях страны процесс централизации элект­ роснабжения также развивается успешно. Вся энергетика Средне­ азиатских республик в настоящее время представляет собой единое целое. Объединено энергохозяйство Западной Сибири, Северного Ка­ захстана и Прибайкалья. В дальнейшем, согласно Директивам X X I V съезда КПСС о продолжении работ по созданию единой энер­ гетической системы страны, намечается объединение всей энергетики азиатской части страны и создание мощных межсистемных связей линиями электропередачи с напряжением 1,15 млн. В переменного