Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Краткая история теплоэнергетики

Краткая история основных событий и достижений. Календарь основных событий энергетики России.

Под теплоэнергетикой понимается отрасль теплотехники, главной задачей которой является преобразование внутренней энергии топлива в механическую энергию для привода механизмов, либо дальнейшее преобразование механической энергии в электроэнергию. Интенсивное развитие теплоэнергетики началось в 18 веке после организации массового производства двигателей для приводов механизмов разного рода машин, применяемых в различных отраслях промышленности. В конце 19, начале 20 веков после освоения конструкций эффективных и мощных динамо-машин постоянного тока и электрогенераторов переменного тока стало возможным получение и использование в промышленных целях электрической энергии. Вид двигателя, вырабатывающего механическую энергию не является определяющим, но исторически имело место появление и последовательное развитие паровых машин, двигателей внутреннего сгорания, паровых турбин, газовых турбин.

Подробное изложение истории энергетики в ранние периоды вплоть до середины 20 века приводится в монографиях: А.А. Радциг “История теплотехники”, Академия наук СССР, Труды института истории науки и техники, серия II, вып.2, Издательство Академии наук СССР, Москва, Ленинград, 1936; Б.Г. Кузнецов, “История энергетической техники”, ОНТИ, Главная редакция энергетической литературы, Москва, Ленинград, 1937 г.; Л.Д. Бельфанд, О.Н. Веселовский, И.Я. Конфедератов, Я.А. Шнейберг, “История энергетической техники”, Издание 2-е, ГЭИ, Москва, Ленинград, 1960 г. С развитием тепловой энергетики в более поздний период можно познакомиться, например, в монографиях: Кириллов И.И., Иванов В.А., Кириллов А.И., “Паровые турбины и паротурбинные установки”, Л.: Машиностроение, 1978. 276 с.; “Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций”: учебное пособие для вузов/ С.В. Цанев, В.Д. Буров, А.Н. Ремизов; под ред. С.В. Цанева. – 3-изд., — М.: Издательский дом МЭИ, 2009; Л.В. Зысин. Парогазовые и газотурбинные тепловые электростанции. – СПб.: Издательство Политехнического университета, 2010. – 368 с.

Коротко можно изложить историю теплоэнергетики, уделяя внимание, в первую очередь когенерации, следующим образом.

До паровых машин для механического привода мельниц, насосов, кузнечных мехов, молотов применялись водяные колеса, конный привод, людская тяга (например, труд каторжников на Нерчинских рудниках). Первоначально паровые машины были атмосферного типа, рабочим ходом было только движение поршня под действием атмосферы, в рабочем цилиндре при этом создавался паровой вакуум. В дальнейшем была освоена работа цилиндров под избыточным давлением пара. Изобретателем универсальной паровой машины такого типа является шотландец Джеймс Уатт. В 1782 г. им были изобретена паровая машина двойного действия (работа отводилась при каждом ходе рабочего поршня), работающая на паре избыточного давления. Кроме того, в его конструкциях паровой машины был вынесен из рабочего цилиндра конденсатор пара, создана система автоматического регулирования парораспределения, применена тепловая изоляция рабочего цилиндра.

Временная электростанция Политехнического Института

Временная электростанция Политехнического Института

В России первая действующая паровая машина для привода мехов металлургических печей Колывановских заводов была создана Ползуновым Иваном Ивановичем в 1766 г. Она была атмосферного типа, состояла из 2-х цилиндров, работающих попеременно, ее мощность оценивается в 20 кВт. Производит впечатление трагическая судьба И.И. Ползунова, создавшего уникальное для его времени сооружение, будучи практически в полной изоляции и без сколь-нибудь значительной помощи со стороны. Он умер в 38 лет, не дожил 7 дней до начала испытаний паровой машины, проработавшей без больших проблем с 23 мая по 10 ноября 1766 г.

В Политехническом институте при его строительстве в 1902 г. использовалась временная элек-тростанция, расположенная между будущим Механическим корпусом и вторым корпусом института. Для электроснабжения работающего института в Механическом корпусе в этом же году уже действовала стационарная электростанция.

Электростанция Политехнического Института

Электростанция Политехнического Института, 1912 год

Обе электростанции использовали паровые машины. В дальнейшем паровую машину на стационарной электро-станции заменили на паровую конденсационную турбину. Для охлаждения оборотной воды использовалась градирня с прудом (бассейном) для сбора охлажденной воды. Пар вырабаты-вался группой котлов высокого давления котельной института.

Ползунов И.И. писал: «… водяные колеса просто и очевидно, умеренною тягостию падающей на них воды, в порядочное приводятся действие»…, тогда как действие паровых двигателей «… невидимо, тонким возбуждается к движению духом и вскоре прежестокие открывает силы». Цель своего изобретения он формулировал так: «Облегчить труд по нас грядущим».

Котельная Политехнического Института

Котельная Политехнического Институтае

На сайте Президентской Библиотеки им. Б.Н. Ельцина в книге Данилевского В.В. размещена подробная биография Ползунова И.И., приведено детальное описание его изобретения, история создания двух паровых машин различной мощности (порядка 2 кВт к 1763 г. и порядка 20 кВт к 1766 г.) и результаты испытаний машины большей мощности.

К концу 19 века паровые машины широко использовались на водном, железнодорожном и автомобильном транспорте, на предприятиях и электростанциях. В это же время начинают интенсивно развиваться двигатели внутреннего сгорания, вначале карбюраторного типа по циклу Отто, затем по циклу Дизеля и их модификациям. Конкуренцию им в это же время составляют паровые турбины. Одноступенчатая турбина Г.П. де Лаваля с разгоном потока пара в соплах Лаваля до сверхзвуковых скоростей была изобретена первой. Но широкое применение получила многоступенчатая турбина Ч. Парсонса. В процессе развития повышались параметры свежего пара и единичная мощность турбоагрегата, совершенствовалась проточная часть турбин, вводились нерегулируемые и регулируемые отборы пара.

Чтобы убедиться в значительности достижений этих разных видов техники к началу 20 века, достаточно взглянуть на фотографии машинного отделения “Титаника” (спущен на воду в 1911 г.), в котором использовались как паровые машины, так и паровые турбины. С краткой историей развития паровых машин можно ознакомиться здесь.

Общепринятым является тот факт, что изобретателем паровой машины, как таковой, был не один человек, а множество людей, работавших в разное время. Аналогичное утверждение, вероятно, справедливо и для установок когенерации – совместного производства механической и тепловой энергии. Следует иметь в виду, что корни когенерации уходят в историю развития отопительной и вентиляционной техники, а также в историю создания и совершенствования конструкций паровых машин.

Первым теплофикационным источником принято считать систему районного парового отопления в американском городе Локпорт, штат Нью-Йорк, созданную инженером Birdsill Holly и введенную в работу в отопительный сезон 1877/1878 г.г. Источником теплоснабжения в Локпорте была котельная с паровыми котлами, пар подавался по паропроводам общей протяженностью 4,5 км при давлении 2,5 ати. При этом нужно помнить, что под теплофикацией до 30-х годов 20 века понималось централизованное теплоснабжение с помощью пара или горячей воды. В современном нормативном документе ГОСТ 19431-84 “Энергетика и электрификация. Термины и определения” под теплофикацией понимается “централизованное теплоснабжение при производстве электрической энергии и тепла в едином технологическом цикле”.

Факты о совместном производстве тепловой и механической энергии приводились в технической литературе и периодической печати гораздо раньше. Первые упоминания о применении выхлопного пара паровых машин для работы системы парового отопления относятся к 1830 г.

Немецкий изобретатель и инженер Эрнст Альбан (занимался изобретением конструкций паровой машины высокого давления, паровой машины с качающимся цилиндром, был одним из первых разработчиков водотрубного парового котла) применил такую систему на машиностроительном заводе в городе Плау-ам-Зее. В 1830 г. в рекламе паровых машин Брюннского оружейного завода (в настоящее время машиностроительный завод PBS г. Брно, Чехия) сообщалось, что завод изготавливает “паровые машины от 1 до 20 л.с. с конденсацией и без конденсации. Пар из машин без конденсации может быть употреблен с выгодой на нагревание жидкостей или на паровое отопление при помощи соответствующих приспособлений, изготавливаемых заводом”.

Комбинированная система отопления при использовании в качестве одного из источников теплоты отработанного пара паровых машин была введена в работу в 1854 г. в госпитале Лорибуазьер в Париже по проекту Грувеля, Тома и Лорана.

По данным журнала “Зодчий” (1877 г.) в Америке в Бантеде в графстве Мидлсекс для комплекса зданий для душевнобольных создано насосно-водяное отопление с непосредственным водоразбором горячей воды для бытовых нужд. Источником теплоты являлся отбросный (выхлопной) и частично острый пар машинного отделения, в котором размещался также резервуар для нагревания воды.

После освоения электрогенерирующих устройств паровые двигатели разных типов начинают использовать для выработки электроэнергии вначале на постоянном токе, затем на переменном однофазном, двухфазном и трехфазном токе. Многоступенчатое расширение пара в цилиндрах паровых машин и применение отбора пара в паровых турбинах с выхлопа турбины и из промежуточных ступеней позволило создать теплоэлектростанции с одновременным отпуском тепловой и электрической энергии.

Самая первая районная теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) в мире появилась в Гамбурге в 1895 г., где фирма «Шукерт и К» с помощью теплотрассы длиной 330 м обеспечила отопление Новой городской ратуши, строительство которой закончилось в 1897 г. Источником тепловой энергии был отработанный пар 3-х паровых машин единичной мощностью 400 кВт, работающих на паре давлением 6,5 ати. Паровые машины находились в составе Центральной городской тепловой электростанции, расположенной на ул. Постштрассе в здании старой водяной мельницы, и введенной в работу в 1888 г.

Блок-станция детской городской больницы

Блок-станция детской городской больницы

В России совместная выработка электроэнергии и теплоты осуществилась в 1903 г. в проекте энергоснабжения 13 корпусов Петербургской городской детской больницы им. принца Ольденбургского (в настоящее время им. К.А. Раухфуса). В паровых котлах вырабатывался пар давлением 6 ати, отработанный пар паровых машин после добавления острого пара направлялся в пароводяные бойлеры индивидуальных тепловых пунктов для нагрева водяного теплоносителя двухтрубных гравитационных систем отопления корпусов. Проект разработан инженером А.К. Павловским, экспертом по проекту и оборудованию электростанции был проф. В.В. Дмитриев. В 1902 г. аналогичная система была применена для корпусов Политехнического института в Петербурге, в 1908-1910 г.г. для 37 корпусов Петербургской больницы им. Петра Великого (в настоящее время – им. Мечникова). Все перечисленные системы отопления были гравитационного типа.

В 1909 г. в здании Михайловского театра инженером Мельниковым Н.П. была введена в работу насосно-водяная двухтрубная система отопления, работающая на выхлопном паре паровых машин местной электростанции. Аналогичные системы были применены в 1911 г. в Мариинском театре, а также в 1912 г. в здании Эрмитажа в 1912 г., в новых корпусах Института инженеров путей сообщения, в Синодальной типографии, в тюрьме “Кресты”, в здании электротехнического института, в корпусах Сестрорецкого оружейного завода (в последнем случае использовалась утилизация теплоты от дизельной станции и отработавший пар паровых молотов).

В 1912 г. в Петербурге был выстроен крупнейший жилой комплекс зданий Первого Российского страхового общества по адресу Каменноостровский пр., д.26-28. Комплекс домов был обеспечен всеми современными для того времени системами: паровым отоплением, электростанцией, котельной, мусоросжигательной печью, снеготаялкой. В составе электростанции в подвальном помещении находился противодавленческий паровой турбогенератор, с выхлопа которого пар использовался для работы системы отопления (паровой турбогенератор был демонтирован только в 60-е годы). В этих зданиях в разное время проживало множество известных людей, например, первый директор Политехнического института Гагарин А.Г., композитор Шостакович Д.Д. и др.

В 1913 г. владельцы предприятия братья Понизовкины организовали устройство системы отопления корпусов Волжского паточно-химического завода (в настоящее время Волжский паточный завод в п.г.т. Красный Профинтерн вблизи Ярославля; долгое время в 19 веке был самым крупным паточным заводом в Европе), работающей на отработанном паре паровых машин.

Такого типа электростанции, обслуживающие одно или несколько зданий городского квартала, одного предприятия, больницы или учебного заведения, назывались теплосиловыми или теплоэлектрическими блок-станциями. Электростанции, обслуживающие места общественного пользования (системы наружного освещения, трамвайные станции, бытовые потребители) назывались центральными, районными или городскими электростанциями. К 1917 г. в Петрограде насчитывалось около 200 частных тепловых электростанций простого цикла, из них 150 мощностью менее 500 кВт.

Первая районная теплоцентраль в России появилась в Ленинграде 25 ноября 1924 г. Под руководством идеолога теплофикации профессора Дмитриева Владимира Владимировича, при участии профессоров Аше Бориса Михайловича, Кирпичева Михаила Викторовича и инженерной реализации проекта главным инженером Ленинградской государственной электростанции №3 (ЛГЭС-3) Гинтером Леонтием Леонтьевичем была запущена в эксплуатацию двухтрубная тепловая магистраль длиной 250 м, подводившая водяной теплоноситель от ЛГЭС-3 к дому №96 по набережной р. Фонтанки. Потребителем тепла являлась система водяного отопления верхнего 6-го этажа здания. Теплоноситель для системы отопления вначале готовился при подмешивании к водяному потоку острого пара в пароводяном струйном насосе (пароводяном инжекторе), расположенном на электростанции. См. работу Гинтера Л.Л. Теплофикация центрального района гор. Ленинграда.

На втором этапе к тепловой магистрали ЛГЭС-3 присоединили Казачьи (Егорьевские) бани, котельную и другие здания Обуховской больницы, здание Электротока (Марсово поле, впоследствии Ленэнерго), других абонентов. В 1927 г. на электростанции была завершена реконструкция конденсационной турбины мощностью 680 кВт фирмы Броун-Бовери с переводом ее в режим работы на ухудшенном вакууме. Паровой инжектор был заменен центробежным насосом с паровым приводом, для подвода тепла от отработанного пара был использован бойлер рубашечного типа. Паровой бойлер обеспечивал базовую тепловую нагрузку при нагреве сетевой воды до 90°С. Дальнейший ее подогрев производился в пароводяных струйных подогревателях. В зданиях Обуховской больницы присоединение потребителей отопления и горячего водоснабжения осуществлялось через теплообменники по независимой схеме для отопления и по закрытой схеме для ГВС, циркуляция в системе отопления осуществлялась с помощью центробежных электрических насосов. Остальные абоненты присоединялись по зависимой схеме для отопления. Большинство присоединенных систем отопления работали по гравитационной схеме с подмешиванием обратной воды к прямой сетевой воде без применения насосов какого-либо типа. Движущей силой теплоносителя в такой системе отопления являлся только гравитационный циркуляционный напор. В первое время центральное регулирование тепловой нагрузки производилось при изменении температуры прямой сетевой воды. В дальнейшем большую часть отопительного периода температура прямой сетевой воды поддерживалась на уровне 100°С, при низких температурах наружного воздуха на уровне 115°С, то есть, регулирование тепловой нагрузки было местным количественным. К 1929 г. суммарная протяженность теплопроводов от ЛГЭС-3 для 34 абонентов составила 8,6 км при годовом отпуске тепловой энергии 53 тыс. Гкал. В связи с увеличением тепловой нагрузки в 1929 г. на станции была установлена паровая турбина фирмы “Лаваль” мощностью 5 МВт с противодавлением 1,2…2 ата, давлением свежего пара 1,4 МПа и соответствующие пароводяные подогреватели.

То есть, фактически централизованное районное теплоснабжение от ЛГЭС-3 в России появилось в 1924 г., первая районная теплоэлектроцентраль после реконструкции ЛГЭС-3 – в 1927 г.

Затем были запущены в работу ряд ТЭЦ в Москве, Пскове, Ярославле, Смоленске, Иваново, Орехово-Зуеве, Свердловске, Владимире, Грозном, Фергане и других городах.

В течение длительного времени датой рождения российской теплофикации считалась дата 24 ноября 1924 г. Но после проведения архивно-изыскательских работ в 2003 г. было принято решение вести отсчет от 1903 г. – года создания системы совместного производства электрической и тепловой энергии для 13 корпусов Петербургской городской детской больницы.

Следует иметь в виду, что первые успехи в теплофикации 20-х годов были сопряжены с огромными послевоенными трудностями в условиях, когда российские производители паровых турбин, теплообменного и насосного оборудования не справлялись с запросами энергетики, номенклатуру турбин приходилось создавать заново.

Цели плана ГОЭЛРО, принятого в 1920 г. и предусматривающего строительство 30 районных электрических станций (20 тепловых и 10 гидроэлектростанций) общей мощностью 1,75 млн. кВт, были достигнуты к 1931 г. После проведения 1-го съезда по теплофикации в Москве в 1930 г. было принято решение в энергетике всемерно развивать в первую очередь ТЭЦ. В их проектировании и строительстве принимали активное участие пионеры теплофикации Дмитриев В.В., Гинтер Л.Л., Шифринсон Б.Л., Якуб Б.М.

Календарь основных событий в российской энергетике, в том числе, теплоэнергетики, приведен на сайте Минэнерго РФ.

В подразделе “Малоизвестное электрогенерирующее оборудование” раздела “Малая энергетика” на настоящем сайте рассмотрено также использование других типов двигателей, в том числе, появляющихся в самое последнее время.