теплоэнергетика

Раздел 1. История развития энергетики

1.1. Первые электростанции

История современной энергетики России ведет свой отсчет от даты 16 июля 1886 года, когда император Александр III утвердил Устав «Общества электрического освещения», созданного Карлом Сименсом. Этот день принято считать началом «электрической» эры в России.

Первые электростанции в России, которые стали прообразом современных ТЭС, практически одновременно были введены в эксплуатацию в Санкт-Петербурге и Москве.

ВСанкт-Петербурге в 1897–1898 гг. появляются три первые

вРоссии стационарные электростанции: № 1 на Обводном канале (запущена в эксплуатацию 16 ноября 1898 г. «Обществом электрического освещения 1886 г.»), №2 на Новгородской улице (запущена в эксплуатацию 27 апреля 1897 г. Обществом «Гелиос» из Кёльна)и №3 на набережной реки Фонтанки (запущена

вэксплуатацию 22 мая 1898 г. Бельгийским анонимным обществом).

ВМоскве старейшая стационарная электростанция была пущена в эксплуатацию 28 ноября1897 г. на Раушской набережной. Ныне эта электростанция называется ГЭС-1 – Государственная электрическая станция № 1.

Эти электростанции несли в себе все признаки, которые характерны и для современных ТЭС: на них были установлены стационарные паровые котлы, паровые турбины и трехфазные электрические генераторы переменного тока. Все эти электростанции работают и в настоящее время, пройдя за более чем столетний срок эксплуатации по 5 – 6 реконструкций и модернизаций своего оборудования.

Однако следует помнить, что до пуска этих электростанций был пройден достаточно длинный путь развития предприятий по производству электрической энергии.

Само понятие электростанция как предприятие по произ-

водству электрической энергии, подлежащей распределению между различными потребителями, появилось не сразу.

В 1873 г. под руководством бельгийско-французского изобретателя З.Т. Грамма (1826-1901) была сооружена первая электростанция на несколько киловатт для питания системы освещения завода, так называемая блок-станция.

11

В70-80 гг. XIX в. каждый более или менее солидный потребитель (завод, улица, дом) имел свой источник электроэнергии (свою электростанцию). В качестве первичных двигателей, приводивших в движение электрогенератор, применялись поршневые паровые машины. От первичного двигателя к электрогенератору постоянного тока вела ременная передача. В то время массовыми потребителями электроэнергии были источники света – дуговые лампы и лампы накаливания.

Первые примеры применения электрической энергии можно найти в истории создания систем освещения отдельных улиц и мостов крупнейших городов Российской империи – Санкт-Петер- бурга, Москвы, Киева, Одессы и др.

Первая блок-станция в России была сооружена на Сормовском машиностроительном заводе для питания осветительных установок в 1876 г. Первая блок-станция в Петербурге была сооружена в 1879 г. при участии Павла Николаевича Яблочкова для освещения Литейного моста (на нем опробовали его изобретение – дуговые лампы «свечи Яблочкова»), а 30 декабря 1883 г. свет пришел на Невский проспект. Причем электростанция, питавшая первые электрические уличные фонари, располагалась на воде – на барже неподалеку от Полицейского моста.

ВМоскве в дни коронации Александра III в 1883 г. при помощи 22 дуговых ламп была освещена площадь вокруг Храма Христа Спасителя. Тогда же была устроена первая электрическая иллюминация колокольни Ивана Великого. Для этого Правительство Москвы закупило 3500 ламп накаливания Т. Эдисона. Первой улицей, освещенной электричеством, стала Тверская.

На электрических блок-станциях, строившихся в конце 70-х и

вначале 80-х гг. прошлого столетия, в качестве первичных двигателей применялись в основном поршневые паровые машины. Для удешевления паросиловой части блок-станций широко применялись локомобили. Таким образом, блок-станция представляла собой систему механизмов, состоящую из генератора постоянного тока и локомобиля, от которого через ременную передачу осуществлялся привод генератора. В свою очередь, локомобиль представлял собой компактный передвижной паровой двигатель, совмещавший в себе топку для сжигания различных топлив и собственно паровую машину – тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения

12

поршня, а затем во вращательное движение вала. Мощность блок-станций не превышала 50 – 100 кВт.

Таким образом, каждая блок-станция могла поставлять электрическую энергию постоянного тока одному-двум потребителям в радиусе не более 2 – 3 км и только для целей освещения. Потери электроэнергии в таких сетях составляли до 20 %, и увеличение расстояний от источника до потребителя на еще несколько километров было нерентабельно.

1.2.Паровой двигатель

Впаровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имеет давление выше атмосферного и часто выбрасывается в дымовую трубу, что позволяет увеличить тягу котла.

Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур, чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых

машин. Однако то давление, которое считалось в 1900 г. высоким – 275 – 345 кПа (2,7 – 3,4 кг/см2), сейчас рассматривается как очень низкое, т.к. давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.

Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, а соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.

13

1.2.1. Паровые машины двойного действия

Следующим важным шагом в развитии паровых машин высокого давления стало появление машин двойного действия. В машинах одиночного действия поршень перемещался в одну сторону силой расширяющегося пара, но обратно он возвращался или под действием гравитации, или за счёт момента инерции вращающегося маховика, соединённого с паровой машиной.

Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления двойного действия приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема горизонтальной одноцилиндровой паровой машины высокого давления двойного действия: 1 – поршень; 2 – шток поршня; 3 – ползун; 4 – шатун; 5 – коленчатый вал; 6 – эксцентрик для привода клапана; 7–маховик; 8 – золотник; 9 – центробежный регулятор

В паровых машинах двойного действия свежий пар поочередно подается в обе стороны рабочего цилиндра, в то время как отработанный пар с другой стороны цилиндра выходит в атмосферу или в конденсатор. Это потребовало создания достаточно сложного механизма парораспределения. Принцип двойного действия повышает скорость работы машины и улучшает плавность хода. Поршень такой паровой машины соединён со скользящим штоком, выходящим из цилиндра. К этому штоку крепится качающийся шатун, приводящий в движение кривошип маховика. Система парораспределения приводится в действие

14

другим кривошипным механизмом. Механизм парораспределения может иметь функцию реверса, для того чтобы можно было менять направление вращения маховика машины.

Паровая машина двойного действия примерно вдвое мощнее обычной паровой машины, и кроме того, может работать с намного более легким маховиком. Это уменьшает вес и стоимость машин.

Большинство возвратно-поступательных паровых машин используют именно этот принцип работы, что хорошо видно на примере паровозов. Когда такая машина имеет два или более цилиндров, кривошипы устанавливаются со сдвигом в 90 градусов для того, чтобы гарантировать возможность запуска машины при любом положении поршней в цилиндрах. Некоторые колёсные пароходы имели одноцилиндровую паровую машину двойного действия, и на них приходилось следить, чтобы колесо не останавливалось в мёртвой точке, то есть в таком положении, при котором запуск машины невозможен.

1.3. Центральные тепловые электростанции

Рост потребностей электроэнергии эффективно стимулировал повышение мощности и экономичности электрических станций. В середине 80-х гг. XIX в. появилась идея централизованного производства электроэнергии, которая была настолько экономически оправданной, что первые центральные электростанции возникли в это же время и быстро вытеснили блок-станции. В связи с тем, что в начале 80-х гг. массовыми потребителями электроэнергии могли быть только источники света, первые центральные электростанции проектировались, как правило, для питания осветительной нагрузки и вырабатывали постоянный ток.

Основное отличие центральной электростанции от блокстанции состояло в применении на них нескольких отдельно стоящих паровых котлов и паровых машин, что позволило существенно увеличить мощность электростанции. Мощность паровых машин составляла 100 – 300 л.с., а паропроизводительность котлов – 3 - 5 т/ч.

Ограниченные возможности расширения радиуса снабжения электрической энергией постоянным током привели к тому, что удовлетворить спрос на электроэнергию со временем становилось все труднее. Поэтому в конце 80-х гг. XIX в. начинают сооружаться электростанции переменного однофазного тока, вы-

15

годность которых с точки зрения увеличения радиуса электроснабжения была бесспорной. Главное преимущество при применении однофазного переменного тока состояло в возможности его трансформации до относительно высоких значений напряжения. Рост напряжения при передачи электрической энергии приводил к пропорциональному снижению силы тока и, следовательно, значительному снижению потерь при передаче электроэнергии.

Первая в России центральная электростанция, вырабатывавшая переменный однофазный ток, была построена венгерской фирмой «Ганц и К» в Одессе в 1887 г. Основным потребителем энергии была система электрического освещения нового театра. Эта электростанция представляла собой прогрессивное для своего времени сооружение. Она имела 4 водотрубных котла общей производительностью 5 т пара в час, 2 паровые машины а также два синхронных генератора общей мощностью 160 кВт при напряжении на зажимах 2 000 В и частоте 50 Гц. От распределительного шита энергия поступала в линию длиной 2,5 км, ведущую к трансформаторной подстанции театра, где напряжение понижалось.

Оборудование электростанции было столь совершенным для своего времени, что, несмотря на то, что топливом служил привозной английский уголь, стоимость электроэнергии была ниже, чем на более поздних петербургских и московских электростанциях. Расход топлива на электростанции в Одессе составлял 1,4 кг/кВт·ч (на петербургских электростанциях расход топлива был значительно выше: 3,9 – 5,4 кг/кВт·ч).

Крупнейшей в России электростанцией однофазного переменного тока была станция на Васильевском острове в Петербурге, построенная в 1894 г. инженером Н. В. Смирновым. Мощность ее составляла 800 кВт и превосходила мощность любой существовавшей в то время станции постоянного тока. В качестве первичных двигателей использовались четыре вертикальные паровые машины мощностью 250 л.с. каждая.

Применение переменного тока напряжением 2000 В позволило упростить и удешевить электрическую сеть и увеличить радиус электроснабжения (более 2 км при потере до 3 % напряжения в магистральных проводах вместо 17 – 20 % в сетях постоянного тока).

16

1.4. Электростанции с генераторами трехфазного переменного тока

Начало современного этапа в развитии электроэнергетики относится ко второй половине 90-х гг. XIX в., когда была решена комплексная энергетическая проблема электропередачи и электропривода – применение трехфазного переменного электрического тока.

Основоположником системы трехфазных переменных токов считается по праву русский ученый Михаил Осипович ДоливоДобровольский (1862 – 1919 гг.). Создание трехфазной системы явилось важнейшим этапом в развитии электротехники и открыло ей путь в промышленность.

Электрическая энергия из мест ее дешевого получения (река, залежи угля, торфа) могла теперь передаваться в промышленные и городские районы на несколько сотен километров с небольшими потерями примерно 5 – 10% в зависимости от расстояния. Процесс электрификации стал захватывать все новые области производственной деятельности человека, способствовал развитию производительных сил. Трехфазные электродвигатели, приводящие в действие различные машины и механизмы, совершили революцию в промышленном производстве, прежде всего в машиностроении и текстильной промышленности.

Вконце 1906 г. были изобретены подвесные изоляторы, что позволило увеличить величину напряжения в линиях электропередач до десятков тысяч вольт и продолжить рост длины электрических сетей от электростанций до потребителей.

Первая энергетическая система в России была создана на базе двух электростанций в Баку инженерами - электротехниками Робертом Эдуардовичем Классоном и Леонидом Борисовичем Красиным в 1902 г.

Вкотельной ранних тепловых электростанций устанавливались жаротрубные котлы, однако вскоре в связи с ростом мощности потребовались котлы более высокой паропроизводительность – водотрубные паровые. В конце XIX и начале XX вв. преимущественное распространение в котельных зарубежных электростанций получили котлы Бабкок-Вилькокс, а в России – котлы системы Шухова. Основным топливом котельных с ручной загрузкой служил уголь, сжигавшийся на плоских колосниках. Расход угля при таком способе сжигания и отсутствии экономайзеров, подогрева воздуха и при плохой изоляции в 3 – 4 раза превышал расходы топлива на современных электростанциях.

17

1.5. Развитие электроэнергетики России в начале ХХ века

Развитие электростанций и линий электропередач продолжалось и в последующие предреволюционные годы.

В г. Санкт-Петербурге электростанция № 1 в 1910 – 1916 гг. была значительно расширена. К 1916 г. на ЭС-1 были установлены 9 паровых турбин общей мощностью 49 МВт. Такая мощность покрывала половину потребности города в электроэнергии. В 1920-е гг. на ЭС-1 была установлена самая крупная по тем временам турбина мощностью 30 МВт. К 1927 г. общая мощность станции составила 68 МВт.

Единственной электростанцией районного значения, построенной для электроснабжения Москвы с передачей энергии на напряжении 70 000 В, была электростанция «Электропередача» (ГРЭС им. Классона) мощностью 15 МВт, введенная в эксплуатацию в 1912 – 1914 гг. Эта электростанция была также единственной электростанцией, работавшей на низкокалорийном местном топливе (кусковой торф); остальные электростанции работали либо на нефти (40% выработанной электроэнергии), либо на высококачественном дальнепривозном угле. Часть электростанций работала на импортном угле из Англии.

Несмотря на большую роль русских ученых и инженеров в решении ряда важнейших вопросов промышленного использования электроэнергии, в России не удалось организовать отечественное турбо- и котлостроение, а также производство электротехнического оборудования, необходимого для развития энергетики. Поэтому оборудование, установленное на электростанциях, в основном было импортным, что также объяснялось преобладанием иностранного капитала в энергетике дореволюционной России, тормозившего как отечественное энергомашиностроение, так и использование природных ресурсов страны.

Паровые турбоагрегаты импортировались главным образом из Германии, Швейцарии и Франции. Единичная их мощность, как правило, не превышала 5 МВт. Единственным заводом в России, на котором было организовано производство паровых турбин по французским лицензиям, был Петербургский металлический завод. До 1917 г. этот завод выпустил всего 26 турбин на общую мощность 9 000 кВт; наиболее крупный агрегат, построенный заводом до 1917 г., имел мощность 1 250 кВт и был рассчитан на параметры пара 12 ата и 300° С.

Очень слабо в России была развита также котлостроительная промышленность. Большинство заводов изготовляли жаро-

18

трубные котлы, и только один завод по иностранным лицензиям строил водотрубные котлы производительностью 12 т/ч при давлении 17 ата и температуре перегретого пара 350° С.

Характерное для того периода развития энергетики применение низких параметров пара на выходе из парового котла (12 – 16 ата и 300 – 350° С) обусловливало относительно малую экономичность электростанций, характеризующуюся удельным расходом условного топлива около 1,5 кг/кВт·ч.

Твердое топливо сжигалось на колосниковых решетках, жидкое топливо вдувалось в топку при помощи парового распыливания. Никаких средств механизации на большинстве электростанций не было, и все трудоемкие процессы (подача топлива на решетки топок котлов, обслуживание топок, золо- и шлакоудаление и т. п.) осуществлялись за счет тяжелого физического труда обслуживающего персонала.

1.6. Итоги развития электроэнергетики России за период с 80-х гг. XIX в. до 1917 года

Итог развития российской электроэнергетики за период с 80-х гг. XIX в. до 1917 г.: установленная мощность всех электростанций составила 1 192 тыс. кВт. Выработка электроэнергии — 2 575млн кВт·ч.

Россия позже, чем США и страны Западной Европы, вступила на капиталистический путь развития и к началу XX века серьезно отставала от этих стран по важнейшим характеристикам.

К 1900 г. Россия добывала угля меньше США в 2 раза, Англии – в 14 раз, Германии – в 6 раз, Франции – в 2 раза и занимала четвертое место в мире по выплавке чугуна, обогнав Францию, но отстав от США, Англии и Германии.

Промышленное развитие России в начале ХХ в. характеризовалось опережающим ростом тяжелой индустрии. В стране вводились сотни новых предприятий, строились тысячи километром железных дорог.

Несмотря на высокие темпы развития тяжелой промышленности, Россия к 1913 г. все-таки отставала от ведущих стран мира и, в первую очередь, от США по производству основных видов промышленной продукции (табл. 1.1). В электроэнергетике Россия значительно отставала от стран Запада по количественным показателям.

В то же время следует отметить, что по качественным показателям и техническим характеристикам электроэнергетика Рос-

19

сии, благодаря закупкам энергетического оборудования у зарубежных производителей, не уступала загранице:

на тепловых электростанциях России и на крупнейших ТЭС Запада начальные параметры пара были одинаковы (1,2 – 1,6 МПа; 300 – 350°С), удельный расход топлива составлял 1,5 кг/кВт·ч;

и в России и за рубежом единичные мощности турбин в 1900 г. достигали 3 000 кВт, а электростанций – 10 000 – 15 000 кВт, а к 1913 г. эти показатели возросли соответственно до 10 000 кВт и 50 000 кВт.

Таблица 1.1. Производство основных видов продукции в 1913 г.

и место России в мировом производстве

Природные богатства, широкий рынок сбыта, дешевая рабочая сила способствовали притоку иностранного капитала в Россию. За 1894-1899 гг. приток иностранного капитала в акционерные предприятия России составил 582 млн руб., или около 52% объема прироста акционерных капиталов за эти годы.

К1913 г. доля иностранного капитала в России составляла:

в металлургии – 72%;

в нефтяной промышленности – 60%;

в металлообрабатывающей – 62%;

в машиностроении – 65%;

в электротехнической промышленности – 90%.

Импорт капитала ставил главные отрасли промышленности страны в зависимость от международного финансового капитала.

20