6.1 Развитие первичной энергетики, обеспечивающей электрификацию

«Героический период» электротехники завершился на рубеже XIX и XX веков. К этому времени первопроходцами новой отрасли были созданы и доведены до промышленного использования основные технические устройства для производства, преобразования, распределения и использования электрической энергии. Удобство получения, транспортировки и использования породили широкий спрос и необходимость её выработки во все возрастающих количествах. Первичная энергетика «доэлектрического» периода стала тормозить развитие электроэнергетики. Это обстоятельство оказало решающее влияние на всю первичную энергетику: теплоэнергетику и гидроэнергетику. Энергия тепла и падающей воды представлялись наиболее рациональными источниками получения электрической энергии. Развитие первичных энергетических устройств шло параллельными путями: котлостроение, паровые турбины, гидравлические турбины.

Под влиянием электрификации обострилась проблема повышения давления, температуры и скорости газов, КПД паровых котлов. Для решения этих задач с начала ХХ века в котлостроении наблюдается рост топочных объемов, интенсификация процесса горения, повышение температуры и полноты сгорания топлива. Для этого периода характерен переход к факельному сжиганию топлива в топках-камерах, к применению широко развитых радиационных поверхностей - топочных экранов, предложенных в конце XIX века выдающимся русским инженером В.Г. Шуховым. В топку стали подавать воздух, предварительно подогретый до высокой температуры. Потребовалось обеспечить принудительную циркуляцию пароводяной смеси с помощью специальных циркуляционных насосов. Стали строить безбарабанные котлы с принудительной однократной циркуляцией – так называемые прямоточные котлы. Такие конструкции появились в 20-х годах в Германии. В 1934 году котел конструкции профессора Л.К. Рамзина производительностью 160 т пара в час при давлении 140 атм был установлен на ТЭЦ №9 Мосэнерго. КПД котлов возрос с 50 – 60% до 90% и выше. Особое значение приобрели сложные процессы подготовки питательной воды, топлива, воздуха. Котельная из грязного и пыльного помещения стала превращаться в просторный, светлый зал со сложным оборудованием, с лабораторным и автоматическим контролем, с высококвалифицированным обслуживающим персоналом.

Развитие турбостроения шло по линии повышения скоростей вращения ротора, увеличения КПД, соединения паровой турбины в одном агрегате с электрическим генератором. Ряд принципиальных вопросов нового турбостроения был решен шведским инженером Г.П. Лавалем. В 1883 году он довел скорость турбины до 7000 об/мин, а применив расширяющееся сопло, понизил давление пара ниже критического и сообщил ему сверхзвуковую скорость, повысил КПД турбины. Результаты Лаваля определили основные направления по совершенствованию паровой турбины. Задачи агрегатирования турбины с генератором успешно решал в 80-х годах XIXвека английский инженер Ч.А. Парсонс. В 1884 году он создал первую много ступенчатую турбину мощностью 8 кВт при скорости вращения ротора 100 об/мин и соединил её с электрическим генератором. Был получен первый турбогенератор – важнейший агрегат современной электростанции. Интенсивная работа изобретателя в течение 15 лет завершилась созданием турбины мощностью 400 кВт с расходом пара 9,2 кГ/кВт·ч. В 1913 году расход пара в турбине Парсонса мощностью 25000 кВт при давлении 14 атм и при температуре 304^о С составил 5 кГ/кВт·ч. Паровые турбины получают распространение во всех передовых в техническом отношении странах. Современные паровые турбины, изготовляемые в нашей стране, имеют скорость вращения 3000 об/мин при давлении пара около 30 Мпа и температуре 600^оС.

Наряду с паровыми турбинами в рассматриваемый период не меньшее внимание энергетиков привлекали и гидравлические турбины. Использование даровой энергии движущейся и падающей воды с древних времен привлекало людей на разных континентах. К началу ХХ века в практике закрепились два типа гидравлических турбин: радиально-осевая и колесо Пельтона. Глубокие изменения во взглядах на возможности гидроэнергетики произошли в связи с опытами, поставленными на Франкфуртской выставке в 1891 году. Именно с этого события началась эра генерирования электрической энергии на гидравлических электростанциях. В качестве важной характеристики был введен коэффициент быстроходности гидротурбины. Он определял скорость вращения ротора турбины мощностью 1 лошадиная сила при напоре воды в 1м. К концу ХIХ века этот параметр для радиально-осевых турбин возрос с 60 об/мин до 320 об/мин. Применение нескольких рабочих колес позволило в дальнейшем превзойти и эту цифру. Профессор В. Каплан (Чехословакия) применил горизонтальный подвод воды к колесу, придав последнему вид гребного винта. Это позволило поднять коэффициент быстроходности до 1000 об/мин. КПД турбины достиг 0,80…0,82, а открытие турбины регулировалось поворотом лопастей. После пуска Днепровской ГЭС им. В.И. Ленина отечественное гидротурбостроение вышло на передовые рубежи в мире. Рекордные мощности (126 МВт) и КПД (94%) были достигнуты в поворотно-лопастных турбинах Волжских ГЭС, а также – Братской и Красноярской ГЭС.

Успехи в создании мощных и экономичных первичных двигателей сделали реальным создание мощных энергетических блоков, способных обеспечивать электрической энергией огромные пространства и энергоемкие производства. Увеличение единичной мощности энергетического агрегата способствует повышению экономичности преобразования энергии, снижению стоимости обслуживания на единицу мощности, дает другие преимущества. Современные энергетические блоки практически достигли предела концентрации мощности в единице, допускаемого механической прочностью и термической устойчивостью применяемых конструкционных и активных материалов. Дальнейший прогресс в этом направлении просматривается в создании новых материалов, оптимизации конструкции, применении форсированных методов теплоотвода, снижении потерь энергии. Последнее обнадеживается развитием технологии сверхпроводниковых материалов.