Первая трехфазная линия электропередачи

Генеральным испытанием 3-х фазной системы явилась Лау фен-Франкфуртская экспериментальная электропередача. Этот выдающийся для своего времени эксперимент был приурочен к Международной электротехнической выставке и Международному конгрессу электротехников, которые проводились в 1891г. во Франкфурте-на-Майне (Германия) [1].

Организаторы выставки предложили фирме АЕГ, где в то время работал Доливо-Добровольский, передать посредством электричества энергию водопада на реке Неккар (близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт. Расстояние составляло 170 км. В Лауфене в распоряжение строителей передачи выделялась турбина полезной мощностью около 300 л.с.

До этого времени дальность электропередачи, не считая нескольких опытных, не превышала 15 км, и ряд специалистов полагали, что КПД установки может оказаться меньше 50%.

Доливо-Добровольскому предстояло в течение года спроектировать и построить асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт и 3-х фазные трансформаторы мощностью 100 - 150 кВА. Изготовление генератора было поручено главному инженеру швейцарского завода «Эрликон». Задачи были очень серьезные: испытание новой системы перед лицом всего мира; невиданные масштабы; двигатели и трансформаторы на такие мощности еще никогда не строились.

В августе 1891 г. на выставке впервые зажглись 1000 ламп накаливания, питаемых током Лауфенской гидростанции, а двигатель привел в действие декоративный водопад. Это символизировало новую победу над природой.

Проблема передачи энергии была решена. По результатам международной комиссии было зафиксировано _min = 68,5%; _max = 75,2 %; линейное напряжение составляло 15 кВ.

Создание 3-х фазной системы явилось важнейшим этапом в развитии техники. Эта система вывела проблему передачи электроэнергии, а вместе с ней и электротехнику, из кризисного состояния, сложившегося в 80-х годах прошлого века.

Производительные силы получили новую техническую базу, во многом способствовавшую углублению и расширению процесса концентрации и централизации производства.

Электрическая энергия, которая из мест ее дешевого получения теперь могла передаваться в удаленные промышленные районы, вызвала коренную реконструкцию энергохозяйства промышленных предприятий и начала внедряться в технологию.

 

 

Вопросы для самопроверки

1) Почему именно электрическое освещение стало первым массовым энергетическим применением электрической энергии?

2) Чем сдерживалось вначале применение электроэнергии в промышленном приводе?

3) Что представляла собой схема распределения электроэнергии, предложенная русским электротехником П.Н. Яблочковым?

4) Для каких целей и кем были применены первые подводные и подземные кабели?

5) Какие изоляционные материалы создаются в начале 90-х на основе слюды?

6) Чем характеризуются современные электроизоляционные материалы на основе различных синтетических высокомолекулярных материалов?

7) Почему на смену однофазному току пришел двухфазный, а затем 3-х фазный ток?

8) Почему эффективность электропередачи зависит от величины напряжения?

9) Какое преимущество имеет электропередача на переменном токе?

10) Каковы причины, ограничивающие величину напряжения электропередачи на уровне нескольких тысяч кВ(технические или из-за вредного воздействия на природу)?

11) Почему с увеличением напряжения растет стоимость энергетического оборудования?

12) Какие проблемы электроэнергетики могут быть решены с применением глубокого охлаждения?

13) Что достигается объединением энергосистем?

14) Какие задачи решает диспетчерская служба?

ТЕМА 6

Развитие первичной энергетики в связи с электрификацией

"Героический" период электротехники завершился на рубеже XIX и XX столетий.

Все основные технические устройства, предназначенные для производства, распределения и использования электрической энергии, были предложены и доведены до промышленного применения.

Потребность в производстве больших количеств электроэнергии оказала влияние на всю первичную энергетику: теплоэнергетику и гидроэнергетику.

Коренные усовершенствования и в той, и в другой области первичной энергетики были тогда уже, главным образом, связаны не с непосредственным использованием в промышленности тепла и энергии воды, а с созданием первичных двигателей электростанций.

Правда, несколько позднее тепловые электростанции стали рассматриваться как фабрики по производству электрической и тепловой энергии на равных началах (так называемые теплоэлектроцентрали - ТЭЦ).

 

Развитие котлостроения

Концентрация (централизация) производства электроэнергии практически оказалась бы неосуществимой на основе старой первичной энергетики "доэлектрического периода".

Если в конце XIX в. крупные предприятия потребляли мощность 500 - 1500 л.с, то в начале XX в. предстояло обеспечить для некоторых заводов мощность примерно 30000 л.с. Для решения этой задачи в условиях старой первичной энергетики надо было бы установить более десятка мощных паровых машин и около сотни паровых котлов.

Для современной тепловой электростанции мощностью 1,2 млн кВт, оборудованной теплотехническими устройствами конца XIX в. потребовалось бы более 3400 паровых котлов и огромные площади для их размещения; число паровых машин составило бы 480 шт.

Таким образом, теплоэнергетика тормозила развитие электростанций, а поэтому достижения последних стимулировало развитие теплоэнергетики.

Трудно назвать другой технический объект, получивший столь коренные конструктивные изменения в первой половине XX в., как паровой котел.

С другой стороны, трудно назвать другой технический объект, который бы с момента своего возникновения и до наших дней развивался бы под действием только двух неизменных тенденций: повышения давления и повышения паропроизводительности. При этом всегда естественно оставалось стремление увеличить КПД.

Под влиянием электрификации эти тенденции сильно обострились, направив внимание исследователей на физические факторы, определяющие напряженность работы котла: температура, скорость газов, воды и пароводяной смеси.

Поиски путей резкого повышения этих параметров привели в первой половине XX в. к коренному изменению конструктивных форм котлоагрегата.

В этот период наблюдается значительный рост относительных топочных объемов, стремление к интенсификации процесса горения, к повышению температуры и полноты сжигания топлива. Рост топочных объемов связан с переходом к камерному сжиганию топлива (топки - камеры) вместо старого слоевого. Повышение температуры горения потребовало защиты топочных стен и сводов - применялись топочные экраны, предложенные в конце XIX в. выдающимся русским инженером В.Г. Шуховым.

Конструкция водяного подогревателя (экономайзера) была усовершенствована, возложив на себя функции подогрева воды почти до парообразования.

В первой половине XX в. в отдельных котлоустановках КПД вырос с 50...60 до 90%.

Для интенсификации сгорания топлива в топку стали подавать воздух, предварительно нагретый до высокой температуры.

Если первые типы котлов имели от 1 до 5 барабанов, то в 30-х г. преобладающими становятся котлы с одним барабаном или же совсем без них (прямоточные котлы). Уменьшение числа барабанов вызывалось тем, что с ростом котельного давления барабан становился самой дорогой частью котла.

Поперечное сечение котельных трубок уменьшилось (D_нap со 100 до 40 мм; D_внyтp с 90 до 32 мм), а это при одновременном увеличении их суммарной длины и длины контура усложнило задачу обеспечения циркуляции за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси в нисходящих и восходящих циркуляционных потоках. Потребность обеспечить принудительную циркуляцию осуществлялась специальными циркуляционными насосами.

Особое значение приобрел сложный процесс приготовления топлива и воды.

Размол и подсушка топлива для сжигания его в факелах в виде аэропыли потребовали разработки ряда дополнительных технических устройств: угольных мельниц, труб - сушилок, дозаторов, транспортеров, горелок и приборов для контроля за их действием.

Для подготовки воды, к чистоте которой предъявляются исключительно высокие требования, потребовалось создание водоподготовительных цехов со сложным фильтрующим и химическим оборудованием, лабораториями для химического контроля за качеством воды.

 

Развитие паровых турбин

Ряд принципиальных вопросов турбостроения был поставлен и в частной форме разрешен в трудах шведского инженера Г.П. Лаваля.

Сторонник интенсификации техники, он довел скорость вращения турбин до 6000 - 7000 об/мин в конструкции первого сепаратора непрерывного действия, запатентованного в 1878 г.

Для увеличения КПД турбин Лаваль предложил использовать расширяющееся сопло (1889 г.), позволившее понизить давление пара ниже критического, сообщив ему при этом сверхзвуковую скорость.

Пойдя по пути освоения высоких скоростей, Лаваль создал активную одновенечную турбину со скоростью вращения 30000 об/мин. В процессе конструирования этой турбины он решил ряд сложных технических задач, используя такие элементы, как гибкий вал с подшипниками на шаровых опорах, турбинное колесо - диск в форме тела равного сопротивления инерционным силам. Впервые для лопаток и диска были применены специальные материалы - никелевая сталь.

Решения, предложенью Лавалем в области турбостроения, не имели теоретических оснований и носили частный характер применимый, к турбинам небольшой мощности (до 500 кВт).

Теория перечисленных задач еще только начинала разрабатываться. Теория расширяющегося сопла была дана Г.А. Цейнером (1899 г.), однако получила широкое признание значительно позднее, после опубликования ряда работ, в том числе, чешского ученого А. Стодола. Его считают создателем подлинной энциклопедии паровых турбин.

Турбины Лаваля сейчас расцениваются как первые машины, в которых были в частной форме решены основные задачи турбостроения и дано направление дальнейшим работам по освоению и совершенствованию принципиально нового типа парового двигателя.

Быстроходная турбина, не имеющая частей, совершающих возвратно-поступательное движение, позволяла сконцентрировать громадные мощности в одном агрегате. Это свойство турбин могло быть использовано только при ее объединении с электрогенератором.

В этом направлении начал свою работу английский инженер И.А. Парсонс. В 1884 г. он получил патент на многоступенчатую реактивную турбину мощностью около 8 кВт при п = 1000 об/мин. Соединив ее с залом электрогенератора, он получил первый турбогенератор - важный агрегат электростанций.

Парсон строил паровые турбины самых разнообразных конструкций, вводя новые улучшения, снижая расход пара, достигавший в первых турбинах громадной величины - около 60 кг/кВт-ч. К 1896 г. в турбине мощностью 400 кВт был достигнут расход пара 9.2 кг/кВт-ч.

Однако на европейском континенте паровые турбины получили всеобщее признание в качестве двигателя электрогенератора только с 1899 г. В этом году в немецком городе Эльберфельде на электростанции для привода 3-х фазных генераторов были применена турбина Парсонса мощностью 1000 кВт. Испытания установили неоспоримые преимущества паровой турбины перед другими типами двигателей. Турбины работали со средним давлением пара 10.5 атм., t = 200º С и показали расход 8-9 кг/кВт·ч. Уже в 1913 г. расход пара в турбине Парсона мощностью 25000 кВт при давлении 14 атм. при t =304º С составил 5 кг/кВт·ч.

В 1900 г. на Всемирной выставке в Париже были представлены чертежи многоступенчатой паровой турбины французского профессора Огюстена Рато мощностью 1000 л.с [2].

Впервые разбивку скоростного перепада на ряд ступеней скорости ввел в 1896 г. американский инженер Ч. Кертис.

Первые годы XX в. знаменуются началом турбостроения в ряде стран: Германии, Франции, США, Швейцарии, Швеции, Австро-Венгрии.

В России первые турбины выпускались только Петербургским металлическим заводом. С начала внедрения первых турбин на судах военно-морского флота на Балтийском заводе был специально оборудован турбинный цех на уровне с турбинными цехами крупнейших зарубежных заводов.