История развития теплоэнергетики

Первые годы ХХ века знаменуются началом турбостроения в Германии, Франции, США, Швейцарии, Швеции. А в России паровые турбины выпускались только Петербургским металлическим заводом (ныне ЛМЗ), и до 1917 года завод выпустил всего лишь 26 паровых турбин суммарной мощностью 9000 кВт с наибольшей мощностью отдельной турбины 1250 кВт.

3.6 Газовые турбины

Предшественниками газовых турбин можно считать «калорические» двигатели, использовавшие воздух в качестве рабочего тела. Примером «калорической» установки является теплосиловая установка шведского инженера Д. Эриксона, относящаяся к середине Х1Х века.

Интерес ученых и инженеров к газовой турбине возник задолго до того, как появилась необходимость в двигателе такого типа. «Это обстоятельство объясняется развитием теоретических основ теплотехники и прикладной механики, подсказавших специалистам возможности получения высокого эффекта от газовой турбины» [4,стр.407].

Первые попытки создания газовой турбины не увенчались успехом: Джон Барбер (1791 год- получил патент на практически неосуществимую газовую турбину); П.Д. Кузьминский (1897 год- спроектировал и построил небольшую радиальную газопаровую турбину с постоянным давлением сгорания, но смерть изобретателя в 1900 году не позволила ему привести свое изобретение к законченному виду и преодолеть трудности, среди которых основным, как он указывал, было отсутствие жароупорных сплавов); Штольц (1900-1904 годы- оставил попытки реализации газовой турбины вследствие ее низкого КПД).

Газовая турбина быстрого сгорания была изобретена в 1906 году во Франции инженером В.В. Караводиным. Реализованная в 1908 году (2,4 л.с.,10 000 об/мин), она показала КПД, едва превышавший 3% (из-за низкого КПД компрессора).

Весомый вклад в разработку газовой турбины внес немецкий профессор В.Шюле, стоявший на позиции комбинирования на одном валу паровой и газовой турбин, от которого он ожидал КПД порядка 30%. Кроме него в Германии над проблемой газовой турбины работал инженер Гольцварт, достигший экономического эффекта, сопоставимого с эффектом паросиловых установок. В период с 1914до 1920 года по его проектам было построено несколько газовых турбин мощностью до 2000 л.с., кпд которых достигал 13-14%.

«Указанные попытки, как и ряд других, такого же рода, знаменовали собой подготовительный период, и только, начиная с 30-х годов ХХ века, появилась реальная возможность сооружения экономичных газовых турбин. В круг работ этого подготовительного периода входили: разработка и анализ наивыгоднейших циклов газовых турбин, экспериментальное исследование свойств рабочих тел в достаточно широком диапазоне температур и давлений, повышение КПД компрессорных установок и освоение технологии производства жароупорных сталей» [4,стр.410].

4. Развитие теплоэнергетики в СССР

Как уже отмечалось ранее, на рубеже Х1Х-ХХ веков Россия существенно отставала от многих стран в плане развития энергетического оборудования, в частности, в развитии турбостроения. Примером этому являлся то факт, что «первая паровая турбина для привода электрического генератора на тепловой электростанции была выпущена Петербургским металлическим заводом в 1907 году по лицензии английской фирмы «Метро-Виккерс». Это была активная одноцилиндровая турбина мощностью 200 кВт»[16,стр.38].

В нашей стране энергетика, в том числе, естественно, и тепловые электростанции, получила широкое развитие после Великой Октябрьской революции. Причиной тому следует считать проведенный в 1920 году VIII съезд Советов, на котором был принят Государственный план электрификации России (план ГОЭЛРО), разработанный по указанию В.И. Ленина комиссией под руководством Г.М. Кржижановского. Этот план явился, по существу, не только планом электрификации страны, но и планом восстановления и развития народного хозяйства.

В 1924 году «был введен в эксплуатацию первый теплопровод от ЛГЭС-3 (ТЭЦ им Л,Л. Гинтера) - это положило начало развитию теплофикации в России» [13,стр.75]. Теплофикация - это централизованное теплоснабжение потребителей с использованием отработавшей теплоты турбин и выработкой электроэнергии на базе теплового потребления. По времени возникновения теплофикации и теплоэлектроцентралей (1924 год) и масштабам их развития СССР (в то время, ныне - Россия) является первой страной в мире.

«В 1934 году заработала первая тепловая электростанция России - Сталиногорская (ныне Новомосковская), целиком оснащенная тепломеханическим оборудованием советского производства, на которой в 1946 году осваивалось оборудование высокого давления» [16,стр.38].

При всем этом, в ХХ веке электрические станции в отдельных районах страны, согласно планам ГОЭЛРО, объединяются линиями электропередачи высокого напряжения в районные энергосистемы, эти системы между собой - в объединенные энергосистемы (ОЭС), а последние, в свою очередь, - в единую энергетическую систему страны (ЕЭС). Подобное объединение электростанций и отдельных энергоблоков в ОЭС иЕЭС имеет ряд преимуществ, таких как: повышается надежность энергоснабжения, сокращается размер резервной мощности, уменьшается общий максимум нагрузки по сравнению с суммой максимумов в отдельных энергосистемах вследствие их разновременности, появляется возможность для увеличения единичной установленной мощности агрегата. Кроме того « развитие ЕЭС СССР позволило реализовать определенное снижение (общей) установленной мощности вследствие совмещения максимума нагрузки»[10,стр.7-8].

Во второй половине ХХ века СССР уже не только не уступал ни одной из стран мира в области развития энергетического оборудования, но и в отдельных случаях превосходил. Примером тому может служить выпущенные на ЛМЗ «первая в Европе турбина мощностью 800 МВт и уникальная одновальная быстроходная турбина (3000 об/мин) мощностью 1200МВт, до сих пор не превзойденная по своим техническим показателям, прежде всего, по использованию последней ступени с титановой рабочей лопаткой длиной 12000 мм» [7,стр.21].

Освоение блоков со сверхкритическим давлением пара (вторая половина ХХ века) потребовало больших усилий, и было достигнуто в результате осуществления многих технических и организационных мероприятий. К таким мероприятиям можно отнести создание новых газоплотных котельных агрегатов с учетом изученных внутрикотловых процессов, разработку «мероприятий против шлакования и коррозии, применение рециркуляции газов и отработанных способов очистки поверхностей нагрева, изготовление котлов на новом высоком техническом уровне, в том числе и в отношении сварки труб, высокий технический уровень эксплуатации при надлежащем водном режиме - все это позволило добиться длительной работы котельных агрегатов при производстве капитальных ремонтов через два - три года. Результаты исследований по аэродинамике проточной части турбин, конструктивные разработки по повышению их надежности, реализация мероприятий, полученных в результате исследований, проводимых на электрических станциях, накопленный опыт эксплуатации и общее развитие техники обеспечили надежную и экономичную работу советских паровых турбин на тепловых электрических станциях» [12, стр.141-142].

Газотурбинные электростанции в СССР в качестве самостоятельных энергетических установок получили ограниченное распространение. Этот факт является следствием ряда недостатков газотурбинных установок (ГТУ): они обладают невысокой экономичностью; потребляют высококачественное топливо; у них сравнительно низкая единичная установленная мощность; показатели ГТУ зависят от параметров наружного воздуха ( прежде всего от температуры). Но, очевидно, ГТУ обладает и рядом преимуществ перед другим энергетическим оборудованием, а именно: мобильностью относительно низкими капитальными затратами на сооружение. Благодаря высокой маневренности ГТУ существует возможность использовать их в качестве пиковых энергоустановок, что широко и используется в ряде стран, например в США).

Но, на мой взгляд, в ближайшем будущем основой российской теплоэнергетики могут стать парогазовые установки (ПГУ).

Парогазовой установкой электростанции называется сочетание паротурбинной и газотурбинной установок, объединяемых общим технологическим циклом. Соединение этих установок в единое целое позволяет снизить потерю теплоты с уходящими газами ГТУ или парового котла, использовать газы за газовыми турбинами в качестве подогретого окислителя при сжигании топлива, получить дополнительную мощность за счет частичного вытеснения регенерации паротурбинных установок и, в конечном счете, повысить КПД парогазовой электростанции по сравнению с паротурбинной и газотурбинной электростанциями.

Среди различных вариантов ПГУ наибольшее распространение получили следующие схемы:

- ПГУ с высоконапорным парогенератором (ВПГ), основным достоинством которых является то, «что избыточное давление газов в схеме позволяет не устанавливать дымососы, а в воздушный компрессор заменяет дутьевой вентилятор; отпадает необходимость в воздухонагревателе. Пар из ВПГ направляется в паротурбинную установку, имеющую обычную тепловую схему» [10,стр.298]. К недостаткам можно отнести невозможность автономной работы паровой ступени ПГУ и недопустимость применения ГТУ со встроенными камерами сгорания;

- ПГУ со сбросом газов газовой турбины в топку парового котла. ЕЕ достоинства: отсутствие водонагревателя, возможность работы котла как « под наддувом», так и с уравновешенной тягой, и, главное, указанная схема ПГУ позволяет работать в трех различных режимах (ПГУ, режим автономной работы газовой и паровой ступеней). Недостаток этой схемы обусловлен тем, что « с повышением температуры газов перед газовой турбиной ПГУ и при более низкой степени сжатия воздуха в компрессоре содержание кислорода в уходящих газах газовой турбины уменьшается, что требует подачи дополнительного количества воздуха» [10, стр.300] (это приводит к увеличению потерь теплоты с уходящими газами, к возрастанию расхода электроэнергии на привод дутьевого вентилятора и др.).

- ПГУ с утилизационным паровым котлом (УПК), для которого характерны высокие значения энергетического коэффициента ПГУ (отношение установленных энергетических мощностей газотурбинной установки к паротурбинной равно, примерно, двум). Следует выделить следующие преимущества данной схемы ПГУ - высокая маневренность и возможность большого количества пусков ( порядка 150-200 в год);

- Полузависимые ПГУ, предназначенные, в основном, для прохождения пиков графика электрической нагрузки;

- ПГУ с внутри-цикловой газификацией твердого топлива

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В развитии энергетики можно выделить пять последовательных этапов:

- биоэнергетика, т.е. использование механической работы биологической энергии человека и животных;

- механическая энергетика, т.е. использование механической энергии потоков воды и воздуха;

- теплоэнергетика, т.е. использование в качестве источника механической работы теплоты, выделяющейся при сжигании топлива;

- комплексная энергетика, т.е. преимущественное использование в качестве первичной энергии тепловой и гидравлической, а в качестве вторичной - электрической энергии;

- атомная энергетика, т.е. использование энергии ядерных реакций.

Развитие теплоэнергетики на ее раннем этапе проходило на основе преемственности от гидроэнергетики (энергетики водяного колеса). К использованию был предоставлен развитый комплекс технических приемов и конструктивных форм и, в частности, все элементы передаточного механизма.

«Переход от гидро- к теплоэнергетике проходил в условиях исключительного преобладания практики над теорией. Скудные сведения, почерпнутые исследователями из экспериментов с воздухом и водяным паром, давали только направление к источнику новой «двигательной силы», но не объясняли эту «силу»…Установленное наукой наличие атмосферного давления и величина этого давления обратили внимание искателей новой «двигательной силы» на «использование атмосферы» [5,стр.304]. Так началось развитие пароатмосферных двигателей.

В ходе освоения пароатмосферного двигателя была выявлена цикличность процесса теплового двигателя, подтвержденная наукой почти на 150 лет позднее. Эта цикличность в поршневом двигателе выражалась в прерывистой отдаче работы.

Развитие промышленности в ХVIII веке потребовало создание универсального по техническому применению двигателя с непрерывной отдачей работы. Решением проблемы непрерывности явилось применение передаточного механизма, преобразующего прерывистость в непрерывность. В период с 30-х по 80-е годы были предложены и реализованы различные методы получения непрерывной работы. Наиболее удачным и эффективным оказался паровой двигатель Уатта. Дальнейшее развитие паровых двигателей проходило по пути увеличения единичной мощности и КПД.

В связи с начавшимися в первой половине Х1Х века применением рабочих машин, обладающих высокой скоростью вращения, возникла потребность в паровой турбине. Среди множества изобретений отметим конструкции Лаваля (как первую) и Парсона (как явившуюся основой для дальнейших разработок).

Последний по времени возникновения тип тепловых двигателей - газовая турбина - не дал ожидаемого эффекта (экономичность газовых турбин и по сей день остается сравнительно малой).

И, в заключении, обратим внимание на примечательный факт - «столетние интервалы в развитии теплоэнергетики…: от появления первого парового котла в 1680 году до появления универсального теплового двигателя в 1784 году - паровой машины Уатта; от появления первой паровой турбины Парсона в 1884 году до появления в 1970 году газовых турбин на тепловых электростанциях, а с ними и парогазовых установок, до возможного появления термоядерных установок для выработки электрической энергии» [16,стр.38].

Список использованных источников

1. Веселовский О.Н., Штейнберг Я.А. «Энергетическая техника и ее развитие», учебное пособие для энергетических и электротехнических специальностей вузов - М.,Высшая школа, 1976г.,304 стр.(ил.)

2. Виргинский В.С. «Иван Иванович Ползунов 1729-1766 » (Отв. Редактор Н.К. Ламан) - М.,, 1989,Наука, 165 стр.(ил.)

3. Дильс Г. «Античная техника (отдельные главы)»: перевод с немецкого - М., Л. - Труды Института истории науки и техники АН СССР,1934Г., 380 стр.(ил.)

4. Белькинд Л.Д., Веселовский О.Н., Конфедератов И.Я., Шнейнберг Я.А. «История энергетической техники», 2-е изд. Перераб., - М.,Л., Государственное энергетическое издательство, 1960г.,665 стр.(ил.).

5. Конфедератов И.Я. «История теплоэнергетики. Начальный период(17-18 века)», - М., Л., Энергоиздат, 1954г., 316 стр.9(ил.).

6. Конфедератов И.Я. «Технические и экономические основы возникновения теплоэнергетики», Материалы к семинарским занятиям по истории техники - М.,1956 г.,23 стр.

7. Лисянский А.С. «100 лет создания паровых турбин»,Электрические станции - №10, 2005 г., 21-22 стр.

8. Маликов В.Г. «Не порохом единым», Наш артиллерийский музей - №7, 1985г.,стр.26-27

9. «Паровые турбины (Третий век на службе)», Двигатель, №2, 2005г., стр.30-33

10. Рыжкин В.Я. «Тепловые электрические станции»: Учебник для вузов/под редакцией Гиршфельда В.Я. - 3-е издание перераб. и доп. - М.,Энергоатомиздат, 1987г.,328 стр.(ил.)

11. Уокер Г. «Машины, работающие по циклу Стирлинга»: первод с английского: - М., Энергия, 1978 г.,152 стр. (ил.)

12. ФлаксерманО.Н. «Теплоэнергетика СССР. 1921-1980годы», - М., Наука, 1985г.,213 стр.

13. Харламова Т.Е. «Электроэнергетика (краткая история)»: Учебное пособие - СПб: СЗТУ, 2001г.,116 стр.(ил.)

14. «Цикл Корно или как изобрести тепловую машину без формул и чертежей», Двигатель,№1,2005г,стр.34-38

15. Шитарев В.С. «В начале пути. Пароатмосферные машины», Двигатель, №1, 2006г., стр.46-48

16. Шкотов Ю.Д. «Из истории создания паровых турбин», Энергетик,№4,2005г., стр.3

Размещено на Allbest.ru