Підвищення економічності електростанцій

 

На початку XX ст. у електробудівництві, що все розширялося, у ряді країн з'являються так звані районні теплові електростанції (РЕС), на яких централізується вироблення електроенергії для потреб цілих районів з їх світловими і виробничими навантаженнями. Поширені до появи районних електростанцій міські станції обслуговували звичайно окремі райони міста, ту або іншу окрему групу підприємств або житлові квартали з побутовим споживанням; деякі станції виробляли енергію для потреб міського транспорту (трамвай). Поява РЕС означала, перш за все, тенденцію до підвищення економічності методів отримання електроенергії (тобто роботи електростанцій), причому цьому у величезному ступені сприяло введення в практику могутніх турбогенераторів.

Вже до початку 30-х років потужність окремих теплових станцій у ряді випадків перевищувала 0,5 млн. кВт при одиничній потужності агрегатів до 150-200 тис. кВт. Нині стало звичним, що потужність теплових районних електростанцій складає декілька сотень тисяч кіловатів. Сучасні могутні електростанції досягають величезних розмірів. Проліт машинного залу головного корпусу станції складає 30-50 м, довжина – більше 200м, висота 40-50 м.

Великий об'єм капітального будівництва робить украй важливим питання про зниження вартості і прискорення термінів будівництва електростанцій. Це досягається широким використовуванням збірного залізобетону, індустріальних методів будівництва, ретельною продуманістю проекту станцій.

Підвищення економічності теплових електростанцій супроводжується зростанням їх потужності і органічно пов'язане з підвищенням технічних параметрів теплосилового устаткування. Якщо в 1900-1910 рр. одинична потужність паротурбинного агрегату крупної електростанції складала не більше 10-25 тис. кВт, то в 1950 р. вона досягла 100-150 тис. кВт. Шляхом підвищення тиску і температури водяної пари, що поступає в турбіни, досягається підвищення економічності теплових електростанцій за рахунок зменшення питомої витрати пари в турбіні (тобто зменшення питомої витрати тепла на кВт-ч).

У даний час на теплових електростанціях широко поширені теплосилові установки з початковими параметрами пари 90 атм, 535 °С. В сучасних паротурбінних установках ККД виріс до 25-30% в порівнянні з 4-5% на перших електростанціях і 9-11% на початку 20-х років. В паротурбінній установці з тиском пари в 30 атм. загальний ККД складає 23-25%, в установках з тиском в 100 атм. - 30%, а при 170 атм. - до 34-38%.

Разом з тим подальше підвищення тиску і температури пари викликає ряд технічних труднощів, зокрема падає ефективність роботи в спеціальних паросепараційних пристроях котлів, за допомогою яких в звичних умовах усувається можливість відкладення солей на робочих органах турбін. Проте, всі переваги роботи на високих параметрах пари настійно диктують необхідність подальшого науково-технічного прогресу в цій області (і, перш за все в металургії сталі).

У підвищенні економічності теплових станцій велику роль зіграв розвиток топочно-котельної техніки: перехід до могутніх котлоагрегатів, новим методам спалювання великої кількості тепла, широкої механізації процесів подачі і приготування деяких видів палива. З 30-х років в технології спалювання палива починається перехід до крупних котельних паливень (з водяним екраном) для спалювання твердого палива в пилоподібному стані.

По характеру теплового процесу крім конденсаційних турбін виділяються спеціальні турбіни – з противотиском і проміжним відбором пари, Спеціальні турбіни почали з'являтися в основному з 20-х років для установок комбінованого вироблення електроенергії і тепла (згодом – ТЕЦ).

На сучасних електростанціях застосовуються і передвключені турбіни – з високим початковим тиском пари і високим противотиском, коли відпрацьована в них пара поступає в звичні турбіни, а також турбіни високого тиску з проміжним (вторинним) перегрівом пари (перегріву піддають пару з проміжного ступеня турбіни), чисто реактивні турбіни, паротурбінні установки із застосуванням ртутно-водяного бінарного циклу і, нарешті, транспортні турбіни (в основному суднові).

Електричні мережі і системи

 

Районні електростанції звичайно працюють паралельно між собою – на загальну електромережу – і об'єднуються в окремі крупні енергетичні системи. Крупні гідростанції є найважливішим елементом енергетичної системи, яка сама по собі є сукупністю електростанцій і електричних мереж. Слід зазначити, що гідроелектростанції доцільно використовувати в системі для зняття "піків" добового графіка завантаження. Об'єднання електричних станцій здійснюється районними електромережами, а об'єднання енергосистем в єдину енергетичну систему – єдиною високовольтною мережею. Електромережа зв'язує ці електростанції між собою і із споживачами енергії.

Об'єднання електростанцій загальною високовольтною мережею в єдину систему має великі технічні і економічні переваги і грає першорядну роль в розвитку електрифікації всіх країн.

Початок розвитку електромереж був встановлений на початку XX ст. створенням лінії розподільної мережі районних станцій напругою 6-35 ква. Це підготувало грунт для переходу до електропередач більш високої напруги, і вже в 1907 р. в США була лінія напруги в 110 кв. Перша в Європі лінія електропередачі на 110 кв була створена в 1912 р. в Німеччині. В 1922 р. в США була побудована лінія електропередачі напругою в 220 кв. До 1927 р. загальна протяжність високовольтних електроліній (напругою від 13 до 220 кв) склала в США близько 80 тыс.км., проте ці лінії відрізнялися крайньою різноманітністю вживаного вольтажу. В 1922 р. в Радянському Союзі була вперше створена лінія електропередачі напругою 110 кв (лінія Шатурська РЕС - Москва). Всі ці електролінії працювали на змінному струмі.

Починаючи з 30-х років досягнуті значні успіхи в будівництві електросистем. В Англії в 1936-1937 рр. в основному була закінчена і введена в експлуатацію єдина високовольтна мережа (так звана Трід") загальною протяжністю близько 8 тис. км. До цієї мережі були приєднані електростанції потужністю приблизно в 9 млн. квт. В 1946 р. Трід" включала 142 електростанції зі встановленою потужністю вже в 11,6 млн. квт, а в 1951 р. - 289 станцій потужністю в 14,5 млн. квт. В 1957 р. потужність з'єднаної енергосистеми Англії перевищила 20 млн. квт.

Електрична тяга

 

З самого початку нашого століття електроенергія все більш широко використовується на залізницях, що є найважливішим видом транспорту XX ст. Протяжність залізниць за останні півстоліття зросла приблизно удвічі. Паровоз, що вірно служив понад 100 років, впродовж нашого століття все більш поступається місцем новим, більш могутнім і економічним локомотивам, зокрема електровозам. Якщо у паровоза ефективний коефіцієнт корисної дії практично складає 4-5% і не перевищує 6-8%, а загальний ККД нижче 10%, то ККД електровозів (при отриманні електроенергії від теплової електростанції) досягає 16-19%, причому коефіцієнт корисної дії електровоза значно підвищується при використовуванні енергії ГЕС.

У результаті зростання вироблення дешевої електроенергії, що поступає з крупних енергосистем, в XX ст. були створені необхідні передумови для широкого упровадження електричної тяги на залізницях. На електрифікованих залізницях джерелом енергії є звична електростанція, а локомотив-електровоз одержує електроенергію ззовні за допомогою контактної мережі і струмоприймальників.

У 20-х роках починається електрифікація залізниць в США, Франції, Італії, Німеччини, а також в СРСР, але в цілому електрифікованих залізниць в цей час було мало (та і зараз частка електрифікованих залізниць в загальній світовій їх мережі складає приблизно 4%).

З кінця 900 років в деяких країнах починає встановлюватися своя основна система струму для електротяги, причому особливе значення має система однофазного струму зниженої частоти, постійного струму і частково трифазного струму. В 1920 р. в США залізниці були електрифіковані з вживанням в основному постійного струму напругою 1500 в (і частково до 3000 в). У Франції була прийнята система постійного струму, в Італії - трифазного струму напругою в 3000-4000 в. В Німеччині, Швеції, Швейцарії, Норвегії в 20-х роках на електрифікованих залізницях використовувався також однофазний струм зниженої частоти напругою до 15 кв.

У перші роки після упровадження електричної тяги система постійного струму, повністю себе виправдавши, набула найбільше поширення. В даний час більше 67% електрифікованих магістральних залізниць миру працюють на постійному струмі. Але зростання вантажообігу залізниць, необхідність підвищення швидкості руху потягів зажадали розробки більш ефективної системи тяги, перш за все на основі використовування переваг змінного струму промислової частоти і підвищеної напруги. Вживання змінного струму значно скорочує витрати на споруду тягових підстанцій завдяки зменшення їх числа і спрощення устаткування, а також зменшує експлуатаційні витрати залізниць і приводить до економії кольорових металів за рахунок зменшення перетину дротів контактної мережі.

Хоча вперше електрифікація залізничних ліній на однофазному струмі промислової частоти була здійснена в Угорщині ще в 1934 р., лише останніми роками намітився перехід на надзвичайно прогресивну систему тяги на однофазному струмі промислової частоти напругою в 20000-25000 в. В цьому випадку тягові двигуни електровоза можуть працювати на постійному струмі зниженої напруги, причому трансформація і перетворення струму проводяться не на підстанціях, а на установках, включених в електричну схему самого електровоза.

Успіхи електровозобудування в значній мірі пов'язані з прогресом в області створення електродвигунів і перетворювачів струму. В 50-х роках всі починають застосовуватися напівпровідникові силові випрямлячі. В кінці 1955 р. вперше в Англії був створений перший силовий (германієвий) випрямляч, розрахований на 1 тис. кВт, і запроектований випрямляч до 18 тис. кВт.

Останніми роками все більше застосовуються могутні напівпровідникові випрямлячі на основі кремнію. Ці випрямлячі відрізняються високим ККД (99,6%). Вони дозволяють випрямляти змінний струм значної потужності напругою більше 500 в. Велика кількість різних кремнієвих випрямлячів в даний час випускається, наприклад, фірмою "Сименс-Шукерт" (ФРН).