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.

6.2 Зарождение электропривода,

электротранспорта и электротехнологии

Хорошо известно, что наиболее распространенным видом технологических процессов в промышленности являются различного рода механические процессы. Они связаны, прежде всего, с необходимостью перемещения различного рода объектов, силовым воздействием на материалы в процессах формообразования, изменением агрегатного состояния материалов и т.п. Поэтому уже в 70 – 80-х годах XIX столетия начинает проявляться стремление электрифицировать эти процессы. Первая задача электрификации сводилась к созданию электрического привода различных производственных механизмов. В связи с ограниченными возможностями электроснабжения до 90 – х годов электродвигатели применялись либо для привода вентиляторов, насосов, подъемников и других простых механизмов. Существовавшие в то время электродвигатели постоянного тока были дороги, громоздки и недостаточно надежными.

Положение коренным образом изменилось в связи с изобретением асинхронного электродвигателя. Можно твердо сказать, что именно трехфазный асинхронный двигатель и вызвал к жизни ту отрасль электроэнергетики, которую сейчас называют электроприводом. Важнейшим преимуществом асинхронного двигателя является отсутствие коллектора и щеточного контакта. Простота эксплуатации, высокая надежность и приемлемая стоимость асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором позволяют установить его на любом предприятии, в любом цехе. Они устойчивы к внешним воздействиям, пожаро- и взрывобезопасны, допускают значительные перегрузки.

Только один существенный недостаток тормозил широкое распространение асинхронных двигателей: трудность регулирование скорости вращения ротора. К недостаткам следует отнести также большую кратность пусковых токов при сравнительно невысокой кратности пускового момента. Серьезным недостатком являлась также опасность «опрокидывания» (резкого падения скорости) при перегрузках по вращающему моменту на валу. Однако изобретатель трехфазного асинхронного двигателя нашел немало способов снизить остроту указанных недостатков. В 1892 г. М.О. Доливо-добровольский предложил способ автотрансформаторного пуска мощных двигателей с целью ограничения пусковых токов. В 1983 г. он же предложил двигатели с двойной клеткой и с глубокопазным ротором, что позволило существенно повысить величину пускового момента. Стали получать распространение асинхронные двигатели с фазным ротором, что расширило их регулировочные характеристики. Такой двигатель имел на роторе трехфазную обмотку, соединяемую с внешними цепями с помощью токосъемных колец и щеток.

Электрификация вытесняла из системы промышленного привода распространенную тогда паровую машину. Паровой двигатель производственных цехов переходил в машинные залы тепловых электростанций, становясь первичным двигателем приводящим во вращение ротор электрического генератора. Выработанная электрическая энергия питала электрический двигатель, который и приводил в рабочее движение производственный механизм. Появилась возможность обеспечить индивидуальный привод каждого механизма и отказаться от сложной передачи движения от одного группового двигателя к отдельным механизмам. Индивидуальный привод не только освободил огромные объемы цехового пространства от различного вида трансмиссий, но и и позволил эксплуатировать каждый технологический механизм в оптимальном режиме, с требуемыми параметрами привода. Появилась возможность радикально повысить технологические параметры самих рабочих механизмов. Так, например, рольганг прокатного стана удалось совместить с наружным ротором асинхронного двигателя. Шпиндель шлифовального станка совместили с валом двигателя. Таких примеров можно привести множество.

Новые технологические возможности производственных механизмов ставили новые задачи перед электроприводом, что стимулировало новые разработки в той области. Получили развитие надежные и высокоэффективные коллекторные двигатели постоянного и переменного тока. На основе коллекторных двигателей постоянного тока были созданы высокоточные следящие приводы, способные на порядок повысить точность перемещений рабочих органов технологических механизмов. Развитие и применение синхронных двигателей открыло возможности синхронизации технологических процессов, что облегчает автоматизацию целых производств.

С 70-х годов XIX столетия выполнено много работ по применению электрической энергии для целей тяги. Применяемые тогда конно-железные дороги не могли удовлетворять возрастающих потребностей населения городов. Применение же паровых двигателей в городах было неприемлемым из-за шума, дыма и копоти. Электрифицированный транспорт решал проблему наиболее приемлемым образом. Поэтому электрификация городского транспорта явилась объектом пристального внимания изобретателей сразу же после появления приемлемой конструкции электродвигателя постоянного тока. Однако. Попытки создать автономный электротранспорт с собственными источниками электрической энергии не удавалось. Ограниченные характеристики гальванических батарей не позволяли приступить к широкой электрификации транспорта. Реальная же возможность решения задачи возникла после появления генератора Грамма.

Вторая проблема, которую нужно было решить – это подача электроэнергии от стационарного электрического генератора к движущемуся транспортному средству: вагону или экипажу. В 1879 г. В. Сименс построил в Берлине первую небольшую железную дорогу на электрической тяге. Энергия по отдельному контактному рельсу подавалась к двигателю отдельного небольшого вагона. Обратным проводом служили рельсы, по которым катились колеса «локомотива». В сцепке из трех тележек разместились 18 пассажиров.

Первые опыты неавтономной электрической тяги в России были произведены Ф.А. Пироцким. В 1875г. он использовал для передачи электрической энергии обычный рельсовый путь, где каждый рельс являлся отдельным проводником тока. Для изоляции рельсов друг от друга он смазал их подошвы асфальтом. В августе 1880 г. Пироцкий пустил электрический трамвай на линии конной железной дороги в районе Рождественского парка Петербурга. Схема питания вагона, предложенная Пироцким, некоторое время применялась и за рубежом. Её преимущество состояло в отсутствии третьего рельса.

Верхний контактный провод, который был одновременно предложен в 1883 году Ван-Депулем (США) и В.Сименсом (Германия), позволил отказаться от способа Пироцкого, который приводил к значительным утечкам тока из-за плохой изоляции рельсов. Первый трамвай в России был пущен в Киеве, и он сумел преодолеть подъем от Подола к Крещатику. Таким образом, два густо населенных района города оказались соединенными надежным транспортом.

На электрическом транспорте исключительное применение получил постоянный ток. Он обеспечивал хорошее регулирование скорости и приемлемые тяговые характеристики электродвигателей. Следует отметить, что наилучшими параметрами для применения в тяге обладают двигатели с последовательным возбуждением (сериесные). Поэтому по мере развития станций, вырабатывающих переменный ток, пришлось создавать специальные преобразовательные подстанции. Наиболее распространенной установкой, используемой для преобразования рода тока, долгое время использовались электромашинные преобразователи. Такой преобразователь представлял собой двигатель переменного тока и генератор постоянного тока с общим валом. Такое устройство получило название двигатель-генератора. Впоследствии они были усовершенствованы и выполнялись в виде одноякорных преобразователей, которые имели меньшие габариты и вес, более высокий КПД. С 20-х годов XХ века эти преобразователи стали вытесняться ионными, а в наше время – тиристорными преобразователями.

Централизованное производство электроэнергии способствовало широкой электрификации городского, пригородного, заводского и рудничного транспорта. Значительно увеличить скорость и удобство пассажирских перевозок в крупных городах удалось путем сооружения метрополитенов (надземных и подземных железных дорог). Первая большая надземная железная дорога была построена В.Сименсом в Берлине в 1893 году. Её рельсы были уложены на эстакаде, протянувшейся вдоль широкой улицы. Следующая такая дорога, соединившая несколько промышленных центров Германии, отличалась тем, что вагон был подвешен к рельсам снизу на двух или четырех колесах.

Более удачным решением с точки зрения шума, вида города, пропускной способности оказался подземный метрополитен. Метрополитен в Лондоне был переведен на электрическую тягу еще в 1890 году. Однако первой подземной электрической железной дорогой считается метрополитен в Будапеште. Он сразу проектировался и строился на электрической тяге и был пущен в 1896г.

Положительные результаты электрификации городского и заводского транспорта привлекли внимание специалистов и к проблеме перевода на электрическую тягу и магистральных железных дорог с большой плотностью движения. Проблема обострялась еще и тем обстоятельством, что по мере наращивания производства электрической энергии она становилась все более дешевой и доступной. Перспектива перевода на электротягу пригородных и магистральных железных дорог была заманчивой. Электрический привод дает возможность равномерно распределить мощность двигателей по длине поезда, что повышало маневровые характеристики всего состава. В частности, это позволяло повысить скорость движения даже на коротких перегонах.

Развитие автономного электротранспорта нашло свое продолжение в появлении теплоэлектрической тяги. Этот вид транспорта открывал чрезвычайно большие возможности. Здесь сохраняются преимущества электрической тяги при тепловом двигателе в качестве первичного (дизель).Впервые теплоэлектрическая тяга была применена для привода барж «Вандал» и «Сармат», которые были сооружения на Сормовском заводе.

В ряде отраслей промышленности электрическая энергия стала применяться в качестве основного технологического приема. К ним следует отнести, прежде всего, электрохимию и электротермию. Благодаря электротехнологии алюминий перестал быть драгоценным металлом. Уже в 1898 году восемь заводов выпускали алюминий, используя дешевую электрическую энергию, вырабатываемую на Ниагарском и Рейнском водопадах. Развивается ряд других электротермических производств. Был найден способ получения карборунда, карбида кальция. Возникла новая отрасль металлургии – производство высококачественных сталей способом электрической плавки. Одновременно развивалась электрохимия, возникшая вместе с гальваническими производствами, получением кислорода и водорода в результате электролиза воды и др.

Важной областью применения электрической энергии явилась электрическая сварка. Вместе с электродуговой сваркой стала применяться контактная сварка, когда электрический ток пропускали через две плотно прижатые друг к другу металлические детали. Привилегия на электродуговую сварку была выдана в 1886 году русскому изобретателю Н.Н. Бенардосу. Его метод дуговой сварки получил название «электрогефест». Этот способ сварки предусматривал получение дуги с помощью угольного электрода. В зону дуги вводился металлический стержень, который плавился и образовывал сварной шов.

Другой способ дуговой сварки предложил Н.Г. Славянов. Ему в 1891 году была выдана привилегия на электрическую отливку металлов и электрическое уплотнение металлических отливок. Славянов создал автомат – «плавильник», который поддерживал постоянную длину дуги. Из России методы электродуговой сварки и электрической плавки металлов распространились по всему миру.

Отдельное направление в области электрического нагрева составило применение токов высокой частоты для прямого нагрева обрабатываемой детали. Только эти примеры убедительно показывают, что электрификация захватывала все новые отрасли производства. Она проникала в сельское хозяйство, в пищевые отрасли, в медицину, в быт людей. Человечество перешло к современному этапу развития энергетической техники.