Контрольная работа теплоэнергетика. Контрольная работа по дисциплине Введение в профессиональную деятельность Тема студент гр. Тэбз фио принял Эйзлер А. М. Иркутск 2023

• Название: Контрольная работа по дисциплине Введение в профессиональную деятельность Тема студент гр. Тэбз фио принял Эйзлер А. М. Иркутск 2023
• Дата: 23.05.2023
• Размер: 87.64 Kb.
• Имя файла: Контрольная работа теплоэнергетика.docx
• Тип: Контрольная работа; #1153674

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт заочно-вечернего обучения

Кафедра теплоэнергетики

Контрольная работа по дисциплине « Введение в профессиональную

деятельность»

Тема: «………………………….»

Выполнил: студент гр. ТЭБз- ___________ФИО

Принял: ________________Эйзлер А.М.

Иркутск 2023

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 2

Основные этапы развития энергетики России 3

Этапы развития паровых машин, паровых котлов 14

Общие тенденции развития теплоэнергетики 19-20 вв 20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 23

ВВЕДЕНИЕ

Техника – составная часть производительных сил общества. И на определенной ступени развития общества материальные и производительные силы приходят в противоречия с существующими производственными отношениями. При разрешении этих противоречий и появляются эпохальные изобретения. Они меняют облик страны и всего мира, т. е. наступает промышленный переворот. Эпоха промышленного переворота в период 1760-1870 гг. ознаменовалась переходом от мануфактуры к машинному производству, скачком в развитии производительных сил.

Прогресс в промышленности стал возможным благодаря взаимному стимулированию развития науки и техники, появлению постоянных социальных заказов общества к науке и технике, обеспечивающих ускорение темпов развития. Инновационные процессы, в нынешнем понимании, предвосхитили развитие экономических отношений. Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твердое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии. Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливаются на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока, а также на всех атомных электростанциях для получения пара высокой температуры.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания, на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины, на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками, в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима: мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.
Основные этапы развития энергетики России

В развитии электроэнергетики можно выделить следующие основные этапы:

• 
  соединение электростанций на параллельную работу и образование первых энергосистем;
  
• 
  образование территориальных объединений энергосистем (ОЭС);
  
• 
  создание Единой энергетической системы (ЕЭС);
  
• 
  функционирование электроэнергетики после образования независимых государств на территории бывшего СССР.
  

Основа создания энергетических систем в нашей стране была заложена Государственным планом электрификации России (ГОЭЛРО), утвержденным в 1920 г. Этот план предусматривал централизацию электроснабжения путем строительства крупных электростанций и электрических сетей с последовательным объединением их в энергетические системы. Планом ГОЭЛРО предусматривалось также всемерное развитие отечественной электротехнической промышленности, освобождение ее от засилья иностранного капитала, удельный вес которого составлял в ней в начале 20-х годов 70%.

Для решения всех вопросов электротехники и подготовки высококвалифицированных специалистов в октябре 1921 г. был создан Государственный экспериментальный электротехнический институт, переименованный впоследствии во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ).

Ведущие члены комиссии ГОЭЛРО (руководитель Г.М. Кржижановский) возглавили проектирование и строительство электростанций и линий электропередачи. Шатурская Государственная районная электростанция (ГРЭС) мощностью 48 тыс. кВт спроектирована и построена (1925 г.) под руководством А.В. Винтера; Волховская (66 тыс. кВт, 1926 г.) и Нижнесвирская ГЭС (90 тыс. кВт, 1927–1933 гг.) – под руководством Г. О. Графтио; Днепровская ГЭС (580 тыс. кВт, 1927–1932 гг.) – под руководством И.Г. Александрова (проект) и А.В. Винтера (строительство). Днепровская ГЭС была в то время наиболее крупной в Европе.

Первые энергосистемы – Московская и Петроградская – были созданы в 1921 г. В 1922 г. в Московской энергосистеме вошла в строй первая линия электропередачи напряжением ПО кВ Каширская ГРЭС – Москва длиной 120 км (строители линии Н.И. Сушкин и А.А. Глазунов), а в 1933 г. была пущена линия электропередачи напряжением 220 кВ Нижнесвирская ГЭС – Ленинград. (Первая линия 220 кВ во Франции была построена всего на полгода раньше.) Были образованы новые энергосистемы: Донбасская (1926 г.), Ивановская (1928 г.), Ростовская (1929 г.) и др..

С созданием первых энергосистем возникли серьезные проблемы, и в первую очередь проблема устойчивости. Случаи нарушения устойчивости наблюдались в США еще в 1921 г. В нашей стране они произошли несколько позже — в конце 20-х годов в «Мосэнерго». В следующем десятилетии случаи нарушения устойчивости учащаются и превращаются в бич энергоснабжения. Часто причинами нарушений устойчивости был дефицит активных и реактивных мощностей и недопустимо низкие уровни частоты и напряжения, приводящие к авариям типа «лавины частоты» и «лавины напряжения».

Работы американских ученых были посвящены в основном исследованию динамической устойчивости. В отечественных энергосистемах наряду с нарушениями динамической устойчивости имели место многочисленные случаи нарушения статической устойчивости. Решению этих проблем посвящены многие оригинальные исследования, среди которых в первую очередь надо отметить работы выдающихся ученых П.С. Жданова, С.А. Лебедева и А.А. Горева [5.7–5.9].

В 30-е годы были выполнены первые экспериментальные исследования устойчивости и аварийного регулирования мощности паровых турбин, внедрялись новые средства релейной защиты и автоматики, устройства автоматического повторного включения линий. В 1937 г. на Свирской ГЭС был установлен первый регулятор частоты, началось внедрение быстродействующих автоматических регуляторов возбуждения синхронных машин и автоматической разгрузки по частоте.

За 15-летний срок план ГОЭЛРО был значительно перевыполнен. Установленная мощность электростанций страны в 1935 г. составила 6,9 млн. кВт, годовая выработка электроэнергии достигла 26,8 млрд. кВт?ч. По производству электроэнергии Советский Союз занял второе место в Европе и третье в мире.

Процесс объединения энергосистем начался еще в первой половине 30-х годов с создания сетей 110 кВ энергосистем в районах Центра и Донбасса. В 1940 г. для руководства параллельной работой Верхневолжских (Горьковской, Ивановской и Ярославской) энергосистем была создана объединенная диспетчерская служба. В связи с намечавшимся объединением энергосистем Юга в 1938 г. было создано Бюро Южной энергосистемы, которое затем было преобразовано в Оперативно-диспетчерское управление Юга; в 1940 г. была введена в эксплуатацию первая межсистемная связь напряжением 220 кВ Днепр – Донбасс.

Мощность всех электростанций страны в 1940 г. достигла 11,2 млн. кВт, выработка электроэнергии составила 48,3 млрд. кВт*ч. Суммарная мощность четырех наиболее крупных энергосистем – Московской, Ленинградской, Уральской и Южной составила 43% мощности всех электростанций страны, выработка электроэнергии – 68% производства электроэнергии в стране. Наибольшая мощность тепловой электростанции (ТЭС) в 1940 г. достигла 350 МВт, максимальная единичная мощность агрегата ТЭС – 100 МВт.

Интенсивное плановое развитие электроэнергетики было прервано Великой Отечественной войной. Перебазирование промышленности западных районов на Урал и в восточные районы страны потребовало форсированного развития энергетики Урала, Казахстана, Центральной Сибири, Средней Азии, Поволжья, Закавказья и Дальнего Востока. Особенно большое развитие получила электроэнергетика Урала, где выработка электроэнергии с 1940 по 1945 г. увеличилась в 2,5 раза.

В ходе войны электроэнергетике был нанесен громадный ущерб: взорваны, сожжены или частично разрушены 61 крупная электростанция и большое число мелких общей мощностью 5 млн. кВт, т.е. почти половина установленных к тому времени мощностей. Разрушено 10 тыс. км магистральных линий электропередачи высокого напряжения, большое количество подстанций.

Восстановление разрушенного энергетического хозяйства началось уже с конца 1941 г., в 1942 г. восстановительные работы велись в центральных районах европейской части СССР, а к 1945 г. эти работы распространились на всю освобожденную территорию страны.

В 1946 г. суммарная мощность электростанций СССР достигла довоенного уровня: в 1947 г. страна по производству электроэнергии вышла на первое место в Европе и на второе в мире. Наибольшая мощность ТЭС в 1950 г. составила 400 МВт, турбоагрегат мощностью 100 МВт стал типовым агрегатом, вводимым на ТЭС. В 1953 г. на Черепетской ГРЭС были введены энергоблоки по 150 МВт, восстановлен Днепрогэс. В 1954 г. в г. Обнинске была введена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт.

Суммарная мощность электростанций в 1955 г. достигла 37,2 млн. кВт, выработка электроэнергии составила 170,2 млрд. кВт-ч. Значительное развитие получили три работающие раздельно ОЭС европейской части страны: Центра, Урала и Юга; суммарная выработка этих ОЭС составила около половины всей производимой в стране электроэнергии.

Переход к следующему, качественно новому этапу развития электроэнергетики был связан с вводом в эксплуатацию мощных Волжских ГЭС и дальних линий электропередачи 400–500 кВ. В 1956 г. была введена в работу первая электропередача 400 кВ Куйбышев (ныне Самара) – Москва. Ее высокие технико-экономические показатели были достигнуты благодаря разработке и реализации ряда мероприятий по повышению устойчивости и пропускной способности: расщепление фазы на три провода, сооружение переключательных пунктов, ускорение срабатывания выключателей и релейных защит, применение продольной емкостной компенсации индуктивности и поперечной компенсации емкости линии с помощью батарей конденсаторов шунтирующих реакторов, внедрение автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) генераторов гидростанции и мощных синхронных компенсаторов приемных подстанций и др.

Электропередача 400 кВ Куйбышев – Москва объединила энергосистемы Центра с энергосистемами Средней Волги, линия Куйбышев – Урал – с энергосистемами Предуралья и Урала. Этим было положено начало объединению энергосистем различных регионов и созданию ЕЭС европейской части СССР.

В последующем электропередачи Куйбышев – Москва и Куйбышев – Урал были переведены на напряжение 500 кВ. В 1959 г. вошла в эксплуатацию первая цепь электропередачи 500 кВ Волгоград – Москва, и в состав ОЭС Центра вошла Волгоградская энергосистема.

Во второй половине 50-х годов завершилось объединение энергосистем Закавказья; шел процесс объединения энергосистем Северо-запада, Средней Волги и Северного Кавказа. С 1960 г. началось формирование ОЭС Сибири и Средней Азии. В конце 50-х – начале 60-х годов образованы объединенные диспетчерские управления (ОДУ) Северо-запада, Средней Волги, Северного Кавказа, Сибири и Средней Азии, а в 1962 г. было заключено межгосударственное соглашение об организации в Праге Центрального диспетчерского управления (ЦДУ) для руководства параллельной работой объединенных энергосистем стран – членов СЭВ, в состав которых вошла Львовская энергосистема ОЭС Юга.

Велось широкое строительство электрических сетей. Наряду с развитием сети напряжением 500 кВ с конца 50-х годов началось внедрение сети напряжением 330 кВ; сети этого напряжения получили большое развитие в южной и северо-западной зонах европейской части СССР. В начале 60-х годов была создана единая сеть напряжением 500 кВ, участки которой стали основными системообразующими связями ЕЭС европейской части СССР; в дальнейшем и в ОЭС восточной части страны функции системообразующей сети стали переходить к сети 500 кВ, наложенной на развитую сеть 220 кВ.

В 60-х годах нарастали темпы ввода генерирующих мощностей и строительства электрических сетей. Ввод мощности в 1965 г. достиг 10,6 млн. кВт, а в 1970 г. превысил 12 млн. кВт. Протяженность электрических сетей Минэнерго СССР напряжением 110 кВ и выше возросла с 1960 по 1970 г. с 87,7 до 269,9 тыс. км.

Характерной особенностью энергетики, начиная с 60-х годов, стало последовательное увеличение мощности энергоблоков в составе вводимых мощностей ТЭС. В 1963 г. на Черепетской и Приднепровской ГРЭС были введены в эксплуатацию энергоблоки мощностью 300 МВт, в 1968 г. пущены энергоблок 500 МВт на Назаровской ГРЭС и энергоблок 800 МВт на Славянской ГРЭС.

Интенсивно развивалось строительство ГЭС: в 1961 г. на Братской ГЭС был введен гидроагрегат 225 МВт, в 1967 г. на Красноярской ГЭС — гидроагрегаты по 500 МВт. В течение 60-х годов завершилось сооружение Братской, Боткинской и ряда других ГЭС.

В западной части страны развернулось строительство АЭС. В 1964 г. вошли в эксплуатацию энергоблок 100 МВт на Белоярской АЭС и энергоблок 200 МВт на Нововоронежской АЭС; во второй половине 60-х годов были введены вторые энергоблоки на этих АЭС: 200 МВт на Белоярской и 365 МВт на Нововоронежской АЭС.

В течение 60-х годов завершилось формирование ЕЭС европейской части СССР, и в 1970 г. начался следующий этап развития электроэнергетики страны – формирование ЕЭС СССР. В составе ЕЭС в 1970 г. работали параллельно ОЭС Центра, Урала, Средней Волги, Северо-запада, Юга, Северного Кавказа и Закавказья, включавшие 63 энергосистемы. Три территориальные ОЭС – Казахстана, Сибири и Средней Азии – работали раздельно; ОЭС Дальнего Востока находилась в стадии формирования. Суммарная мощность электростанций ЕЭС в 1970 г. составила 104,9 млн. кВт, всех ОЭС – 142,9 млн. кВт, годовая выработка электроэнергии всеми электростанциями ЕЭС достигла 529,6 млрд. кВт?ч, всех ОЭС – 692,5 млрд. кВт?ч.

Переход к формированию ЕЭС в масштабе всей страны обусловил необходимость организации высшей ступени иерархии диспетчерского управления – создания ЦДУ ЕЭС СССР, которое было образовано в 1969 г.

В 1972 г. в состав ЕЭС СССР вошла ОЭС Казахстана. В 1973 г. энергосистема Болгарии присоединена на параллельную работу с ЕЭС СССР по межгосударственной связи 400 кВ Молдавская ГРЭС – Вулканешты – Добруджа.

В 1978 г. с завершением строительства транзитной связи 500 кВ Сибирь – Казахстан – Урал присоединилась на параллельную работу ОЭС Сибири. В том же году было закончено строительство межгосударственной связи 750 кВ Западная Украина – Альбертирша (Венгрия), и с 1979 г. началась параллельная работа ЕЭС СССР и ОЭС стран м членов СЭВ.

От сетей ЕЭС СССР осуществлялся экспорт электроэнергии в МНР, Финляндию, Турцию и Афганистан; через преобразовательную подстанцию постоянного тока в районе Выборга ЕЭС СССР соединялась с энергообъединением Скандинавских стран NORDEL.

Динамика структуры генерирующих мощностей в 70-х и 80-х годах характеризуется нарастающим вводом мощностей на АЭС в западной части страны и дальнейшим вводом мощностей на высокоэффективных ГЭС в основном в восточной части страны, началом работ по первому этапу создания Экибастузского энергетического комплекса, общим ростом концентрации генерирующих мощностей и увеличением единичной мощности агрегатов.

Мощность наиболее крупных электростанций России в настоящее время составляет: ТЭС – 4800 МВт (Сургутская ГРЭС-2), АЭС – 4000 МВт (Балаковская, Ленинградская, Курская), ГЭС — 6400 МВт (Саяно-Шушенская).

Технический прогресс в развитии системообразующих сетей характеризовался последовательным переходом к более высоким ступеням напряжения. Освоение напряжения 750 кВ началось с ввода в эксплуатацию в 1967 г. опытно-промышленной электропередачи 750 кВ Конаковская ГРЭС – Москва. В течение 1971–1975 гг. в ОЭС Юга была сооружена широтная магистраль 750 кВ Донбасс – Днепр – Винница – Западная Украина. В 1975 г. была сооружена межсистемная связь 750 кВ Ленинград — Конаково, позволившая передать в ОЭС Центра избыточную мощность ОЭС Северо-запада. Для создания мощных связей с восточной частью ЕЭС сооружалась магистральная линия электропередачи 1150 кВ Сибирь – Казахстан — Урал. Было начато также строительство электропередачи постоянного тока напряжением 1500 кВ Экибастуз – Центр.

В табл. 5.1 приведены данные по установленной мощности электростанций и протяженности электрических сетей 220–1150 кВ ЕЭС СССР за период 1960–1991 гг.

Формирование ЕЭС осуществлялось в основном с использованием двух систем напряжений: основной системы ПО – 220–500 кВ с последующим внедрением более высокой ступени напряжения 1150 кВ и системы – ПО – 150–330–750 кВ.

Создание мощных территориальных энергообъединений и организация их параллельной работы в составе ЕЭС СССР дали возможность повысить темпы роста энергетических мощностей за счет укрупнения электростанций и увеличения единичной мощности агрегатов, снизить стоимость 1 кВт установленной мощности, повысить производительность труда. Удельная численность промышленно-производственного персонала, занятого на электростанциях, на 1 МВт установленной мощности в электрических сетях и других подсобных предприятиях отрасли снизилась с 11 в 1950 г. до 2,8 чел. в 1990 г., а удельные расходы топлива на производство электроэнергии — с 590 до 325,8 г/(кВт?ч). Последовательно происходило уменьшение относительных потерь на транспорт электрической энергии, хотя и не в такой степени, как указанных выше показателей. В 1990 г. потери электроэнергии в электрических сетях на ее транспорт составили 8,65%.

В послевоенные годы электрификация явилась основой научно-технического прогресса страны. На ее базе происходило непрерывное совершенствование технологий в промышленности, транспорте, связи, сельском хозяйстве и строительстве, осуществлялась механизация и автоматизация производственных процессов. Рост производства электроэнергии в эти годы опережал рост произведенного национального дохода в 1,6 раза.

Общий экономический эффект за счет создания ЕЭС в сравнении с изолированной работой энергосистем оценивался снижением капитальных вложений в электроэнергетику на 2 млрд. руб. в ценах 1984 г. и уменьшением ежегодных эксплуатационных расходов на сумму 1 млрд. руб. Выигрыш в снижении суммарной установленной мощности электростанций ЕЭС оценивался цифрой порядка 15 млн. кВт. Несмотря на то что требования в отношении резервов мощности и надежности к основным электрическим сетям в ЕЭС СССР были несколько ниже аналогичных требований в энергообъединениях Западных стран, благодаря хорошо организованному управлению обеспечивалась высокая надежность электроснабжения потребителей, не было системных аварий, затрагивающих большое число потребителей, какие имели место в США (1965, 1977, 1996 гг.), Франции (1978 г.), Швеции (1979, 1983 гг.), Бельгии (1982 г.), Канаде (1982 г.).

Следующий этап в развитии электроэнергетики на территории бывшего СССР связан с происшедшими политическими изменениями в независимых государствах бывших республиках СССР.

Раздел электроэнергетической собственности между независимыми государствами – бывшими республиками СССР – обусловил необходимость перехода от централизованного планирования развития и управления функционированием ЕЭС бывшего СССР к скоординированному планированию развития и управлению функционированием объединенных энергосистем независимых государств.

В 1992 г. было заключено соглашение «О координации межгосударственных отношений в области электроэнергетики Содружества Независимых Государств». В соответствии с ним был создан электроэнергетический Совет из числа первых руководителей электроэнергетических отраслей СНГ и его постоянно работающий орган – Исполнительный комитет. Позднее к этому соглашению присоединилась Грузия.

В настоящее время внутри стран СНГ проводятся различные преобразования электроэнергетического сектора. Наиболее существенные изменения в этой области произошли в Российской Федерации. В декабре 1992 г. было организовано Российское акционерное общество энергетики и электрификации (РАО «ЕЭС России»), в уставной капитал которого переданы из районных энергосистем крупные электростанции мощностью: тепловые – 1000 МВт и более, гидравлические – 300 МВт и более, магистральные линии электропередачи высокого напряжения, формирующие Единую энергосистему Российской Федерации, ЦДУ Единой энергосистемы России, диспетчерские управления ОЭС, научно-исследовательские и проектные организации. На базе крупных электростанций организованы дочерние акционерные общества РАО «ЕЭС России», а на базе региональных энергосистем — региональные акционерные общества АОэнерго. Создан федеральный оптовый рынок электрической энергии и мощности. Проведенные в России преобразования в электроэнергетике способствовали обеспечению устойчивой работы отрасли в тяжелых условиях экономического и финансового кризиса в стране.

В других странах СНГ процесс реформирования структур управления в электроэнергетике находится в разных стадиях развития. Наиболее продвинулась в вопросах реформирования структуры управления в электроэнергетике вслед за Российской Федерацией Украина. Существенные изменения в управлении электроэнергетикой произошли в Армении, Грузии, Казахстане и Киргизии. Ведется подготовка к структурной перестройке и в других странах СНГ.

К концу 1995 г. установленная мощность электростанций государств Содружества составила около 315 млн. кВт. Производство электроэнергии в 1995 г. составило 1260 млрд. кВт?ч и снизилось по сравнению с 1990 г. на 27%. В структуре генерирующих мощностей доля ТЭС составляет 69%, доля ГЭС и АЭС – соответственно 20 и 11%.

Наиболее важными задачами, стоящими перед странами СНГ в области электроэнергетики, становятся: повышение эффективности производства и использования энергии; коренное совершенствование системы формирования тарифов; обеспечение надежности электроснабжения потребителей; улучшение защиты окружающей среды; обеспечение необходимых вводов и модернизация существующих электростанций и сетей с использованием новых технологий; коренное повышение технического уровня оборудования и показателей качества электрической энергии, приведение их в соответствие с мировым уровнем; создание нормативной и законодательной базы, обеспечивающей устойчивое развитие электроэнергетики государств Содружества.

Важнейшее значение приобретают углубление интеграции стран СНГ в области электроэнергетики и организация эффективного оперативно-технологического взаимодействия объединенных энергосистем государств Содружества. Это позволит оптимальным образом развивать электроэнергетику, уменьшить объем необходимых инвестиций, повысить надежность электроснабжения потребителей, улучшить использование первичных энергоресурсов, осуществлять взаимовыгодные обмены электроэнергией, уменьшить затраты на топливо для электростанций и оказать в целом положительное влияние на экономику стран СНГ, повысить ее конкурентоспособность на мировом рынке.

Этапы развития паровых машин, паровых котлов

Паровой котел – устройство, имеющее топку, обогреваемое газообразными продуктами сжигаемого в топке органического топлива и предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного, используемого вне самого устройства. Рабочим телом подавляющего большинства паровых котлов, является вода.

Упоминания о паровом котле как о парогенераторе, отделённом от топки, встречаются в работах учёных: итальянца Дж. делла Порта (1601), француза С. де Ко (1615), англичанина Э. С. Вустера (1663). Однако, промышленное применение парового котла началось на рубеже XVII и XVIII вв. в связи с бурным развитием горнозаводской и угледобывающей промышленности. Ранние конструкции паровых котлов по форме напоминали шар или же котлы для варки пищи, сначала их изготовляли из меди, а затем из чугуна. Одним из первых «настоящих» паровых котлов считают котёл Д. Папена, предложенный им в 1680.

Конструкции современных паровых котлов сложились в процессе изменения конструктивных форм выпускавшегося до 2-й половины XIX в. простейшего цилиндрического парового котла, паропроизводительностью 0,4 т/ч; поверхность нагрева этого котла не превышала 25 м², давление пара 1 Мн/м² (10 кгс/см²), а КПД 30%. Развитие паровых котлов шло по двум направлениям: увеличения числа потоков газов (газотрубные котлы) и увеличения числа потоков воды и пара (водотрубные котлы). Первые газотрубные паровые котлы представляли собой цилиндрические сосуды, в которые первоначально вставляли 1, 2 или 3 трубы большого диаметра (жаровые трубы), а впоследствии десятки труб значительно меньшего диаметра (дымогарные трубы), по которым проходил газ.

Увеличение поверхности нагрева газотрубных паровых котлов происходило в габаритах первоначального цилиндрического котла или даже в меньших габаритах. Следствием этого явились некоторое повышение паропроизводительности котла (при незначительном увеличении суммарной массы), а также улучшение передачи тепла от дымовых газов к поверхности нагрева, приводившее к снижению температуры газов на выходе из парового котла, то есть к повышению КПД.

Газотрубные паровые котлы отличались от цилиндрических относительно малыми размерами и высоким КПД (60%), однако паропроизводительность их, ограничиваемая габаритами, не превышала нескольких т/ч, а конструкционные особенности ограничивали давление пара в котле 1,5—1,8 Мн/м². Поэтому газотрубные паровые котлы сохранились только на транспортных установках (паровозы, пароходы), а из стационарных установок они полностью вытеснены водотрубными котлами.

Создание водотрубных паровых котлов шло путём увеличения числа цилиндров, составлявших котёл, сначала до 3-9 относительно больших диаметров (батарейные котлы), а затем до десятков и сотен цилиндров небольших диаметров, превратившихся в кипятильные, а в дальнейшем и в экранные трубы.

Увеличение поверхности нагрева водотрубных паровых котлов сопровождалось увеличением их габаритов, и в первую очередь высоты, но вместе с тем во много раз возрастала паропроизводительность, уменьшался удельный расход металла, всё больше повышались параметры пара и КПД.

Со 2-й половины XIX в. выпускались камерные и секционные горизонтально-водотрубные паровые котлы с естественной циркуляцией, у которых кипятильные трубы были расположены с наклоном в 10-12° к горизонту. Камерный паровой котел состоял из одного или нескольких барабанов, подсоединённых к ним сборных камер и пучков кипятильных труб, ввальцованных в камеры. Его поверхность нагрева 350 м², паропроизводительность 10 т/ч при давлении 1,5 Мн/м². Замена плоских камер отдельными секциями, в которые ввальцовывали по одному ряду труб, позволила повысить давление пара, а с увеличением числа секций, из которых собирался котёл, поверхность нагрева достигла 1400 м².

В 1893 русский инженер В. Г. Шухов создал водотрубный паровой котел, который состоял из продольного барабана и трубчатых батарей, представляющих собой 2 пучка труб, ввальцованных в плоские стенки коротких цилиндрических камер; в зависимости от числа батарей (от 1 до 5) поверхность нагрева котла могла изменяться от 62 до 310 м², а паропроизводительность от 1 до 7 т/ч при давлении пара до 1,3 Мн/м². Конструкцией котла Шухова была разрешена задача унификации отдельных элементов и их размеров.

В начале XX в. появились вертикально-водотрубные котлы, которые за очень короткое время были доведены до высокой степени совершенства. В 1913 паропроизводительность этих котлов не превышала 15 т/ч, а давление пара 1,8 Мн/м², к 1974 в СССР паропроизводительность их достигла 2500 т/ч при давлении 24 Мн/м², а в США 4400 т/ч при том же давлении. Вначале вертикально-водотрубные паровые котлы состояли из одного верхнего и одного нижнего барабанов, соединённых пучком прямых труб. Но уже в 20-х гг. XX в. они были полностью вытеснены более надёжными котлами с изогнутыми трубами. Типовой конструкцией в этой группе паровых котлов являлся трёхбарабанный котёл Ленинградского металлического завода (ЛМЗ), выпускавшийся в 30-х гг. XX в. Поверхность нагрева этих котлов была от 650 до 2500 м², паропроизводительность от 50 до 180 т/ч. Паровой котел был оборудован камерной топкой для сжигания угольной пыли. 

Пылеугольные топки внедрявшиеся в те же годы, очень быстро получили чрезвычайно широкое распространение и, с одной стороны, сильно повлияли на развитие конструкций паровых котлов, значительно повысив их паропроизводительность, а с другой — позволили весьма эффективно использовать любые низкосортные местные угли. 

Внедрение камерных топок привело к созданию топочных экранов, которые представляют собой испарительные трубы, расположенные на стенах топочной камеры. Первоначально экраны закрывали только часть стен и предназначались для защиты обмуровки от непосредственного воздействия пламени, которое приводило к шлакованию топки и разрушению обмуровки.

Постепенно экраны стали закрывать всё большую часть стен топок, а современные паровые котлы имеют полностью экранированные топки. Экраны, воспринимающие тепло, излучаемое пламенем и горячими дымовыми газами (радиационные поверхности нагрева), работают более интенсивно, чем кипятильные трубы, находящиеся в зоне более низких температур (конвективные поверхности нагрева). Поэтому поверхность нагрева экранированных котлов значительно меньше, чем у неэкранированных такой же паропроизводительности; в котлах со сплошным экранированием топочной камеры, называемых радиационными котлами, кипятильный пучок почти отсутствует. В 30-е гг. в СССР Л. К. Рамзиным были сконструированы водотрубные котлы с принудительной циркуляцией (прямоточный котёл).

Начнем с того, что еще в семнадцатом веке пар стали рассматривать как средство для привода, проводили с ним всяческие опыты, и лишь только в 1643 году Эванджелистом Торричелли было открыто силовое действие давления пара. Кристиан Гюйгенс через 47 лет спроектировал первую силовую машину, приводившуюся в действие взрывом пороха в цилиндре. Это был первый прототип двигателя внутреннего сгорания. На аналогичном принципе устроена водозаборная машина аббата Отфея. Вскоре Дени Папен решил заменить силу взрыва на менее мощную силу пара. В 1690 году им была построена первая паровая машина, известная также как паровой котел.

Она состояла из поршня, который с помощью кипящей воды перемещался в цилиндре вверх и за счет последующего охлаждения снова опускался – так создавалось усилие. Весь процесс происходил таким образом: под цилиндром, который выполнял одновременно и функцию кипятильного котла, размещали печь; при нахождении поршня в верхнем положении печь отодвигалась для облегчения охлаждения.

Позже два англичанина, Томас Ньюкомен и Коули – один кузнец, другой стекольщик, – усовершенствовали систему путем разделения кипятильного котла и цилиндра и добавления бака с холодной водой. Эта система функционировала с помощью клапанов или кранов – одного для пара и одного для воды, которые поочередно открывались и закрывались. Затем англичанин Бэйтон перестроил клапанное управление в подлинно тактовое.

Машина Ньюкомена вскоре стала известна повсюду и, в частности, была усовершенствована, разработанной Джеймсом Уаттом в 1765 году системой двойного действия. Теперь паровая машина оказалась достаточно завершенной для использования в транспортных средствах, хотя из-за своих размеров лучше подходила для стационарных установок. Уатт предложил свои изобретения и в промышленности; он построил также машины для текстильных фабрик.

Первая паровая машина, используемая в качестве средства передвижения, был изобретена французом Николя Жозефом Куньо, инженером и военным стратегпм-любителем. В 1763 или 1765 году он создал автомобиль, который мог перевозить четырех пассажиров при средней скорости 3,5 и максимальной – 9,5 км/час. За первой попыткой последовала вторая – появился автомобиль для транспортировки орудий. Испытывался он, естественно, военными, но из-за невозможности продолжительной эксплуатации (непрерывный цикл работы новой машины не превышал 15 минут) изобретатель не получил поддержки властей и финансистов. Между тем в Англии совершенствовалась паровая машина. После нескольких безуспешных, базировавшихся на машине Уаттa попыток Мура, Вильяма Мердока и Вильяма Саймингтона, появилось рельсовое транспортное средство Ричарда Тревисика, созданное по заказу Уэльской угольной шахты. В мир пришел активный изобретатель: из подземных шахт он поднялся на землю и в 1802 году представил человечеству мощный легковой автомобиль, достигавший скорости 15 км/час на ровной местности и 6 км/час на подъеме. 

Приводимые в движение паром транспортные средства все чаще использовались и в США: Натан Рид в 1790 году удивил жителей Филадельфии своей моделью парового автомобиля. Однако еще больше прославился его соотечественник Оливер Эванс, который спустя четырнадцать лет изобрел автомобиль-амфибию. После наполеоновских войн, во время которых «автомобильные эксперименты» не проводились, вновь началась работа над изобретением и усовершенствованием паровой машины. В 1821 году ее можно было считать совершенной и достаточно надежной. С тех пор каждый шаг вперед в сфере приводимых в движение паром транспортных средств определенно способствовал развитию будущих автомобилей.

В 1825 году сэр Голдсуорт Гарни на участке длиной 171 км от Лондона до Бата организовал первую пассажирскую линию. При этом он использовал запатентованную им карету, имевшую паровой двигатель. Это стало началом эпохи скоростных дорожных экипажей, которые, однако, исчезли в Англии, но получили широкое распространение в Италии и во Франции. Подобные транспортные средства достигли наивысшего развития с появлением в 1873 году «Реверанса» Амедэ Балле весом 4500 кг и «Манселя» – более компактного, весившего чуть более 2500 кг и достигавшего скорости 35 км/час. Оба были предвестниками той техники исполнения, которая стала характерной для первых «настоящих» автомобилей. Несмотря на большую скорость кпд паровой машины был очень маленький. Болле был тем, кто запатентовал первую хорошо действующую систему рулевого управления, он так удачно расположил управляющие и контрольные элементы, что мы и сегодня это видим на приборном щитке.

Несмотря на грандиозный прогресс в области создания двигателя внутреннего сгорания, сила пара все еще обеспечивала более равномерный и плавный ход машины и, следовательно, имела много сторонников. Как и Болле, который построил и другие легкие автомобили, например Rapide в 1881 году со скоростью движения 60 км/час, Nouvelle в 1873 году, которая имела переднюю ось с независимой подвеской колес, Леон Шевроле в период между 1887 и 1907 годами запустил несколько автомобилей с легким и компактным парогенератором, запатентованным им в 1889 году. Компания De Dion-Bouton, основанная в Париже в 1883 году, первые десять лет своего существования производила автомобили с паровым двигателями и добилась при этом значительного успеха – ее автомобили выиграли гонки Париж-Руан в 1894 году.

Успехи компании Panhard et Levassor в использовании бензина привели, однако, к тому, что и De Dion перешел на двигатели внутреннего сгорания. Когда братья Болле стали управлять компанией своего отца, они сделали то же самое. Затем и компания Chevrolet перестроила свое производство. Автомобили с паровыми двигателями все быстрее и быстрее исчезали с горизонта, хотя в США они использовались еще до 1930 года. На этом самом моменте и прекратилось производство и изобретение паровых машин.

Общие тенденции развития теплоэнергетики 19-20 вв

Эволюция машинного производства в течение XIX в. проходила под знаком постоянно усиливавшейся капиталистической концентрации производства, сопровождавшейся технической концентрацией. Последняя выражается прежде всего в укрупнении производственных единиц машинного производства - заводов и фабрик. Отсюда возникают два основных требования, предъявляющихся к силовым фабрично-заводским установкам: увеличение единичной мощности теплосиловых установок и увеличение их экономичности. Эти два требования, выражавшие главную тенденцию развития теплоэнергетики в течение XIX в., вызвали существенное изменение единичной мощности и экономичности теплосиловых установок. Единичная мощность теплосиловых установок возросла с 10 - 20 до 10 000-15 000 л. с. Экономический к. п. д. вырос от среднего значения порядка 5% до 15%. Приведенные изменения мощности и экономичности явились неизбежным следствием быстрого роста энергопотребления в течение XIX в.

Рост установленной мощности паровых двигателей выразился громадным числом: в 20 000 раз (с 6 000 л. с. в 1800 г. до 120 000 000 л. с. в 1900 г.). Такой рост был бы немыслим без увеличения единичной мощности машин, возросшей в среднем в 1000 раз. Увеличение единичной мощности двигателей сопровождалось ростом экономичности, поскольку крупные единицы, как правило, экономичнее маломощных. Всемерное увеличение к. п. д. приобрело исключительное значение, так как даже при повысившейся втрое экономичности теплосиловых установок мировое потребление топлива к концу XIX в. оценивалось уже суммой в 7 млрд. руб. золотом. Особое значение имело повышение к. п. д. двигателей для транспортных установок. «Это условие (т. е. расход топлива – Авт.), – писал М. Хотинский, автор книги «История машины, пароходов и паровозов», изданной в 1853 г., ­– необычайно важно в отношении вопроса о пароходстве, одним из главных стеснений которого было огромное количество угля, которым должно запасаться для продолжительных плаваний через океан. Известно, что пароходы, плавающие через Атлантический океан в Америку, потребляют в каждый рейс около 26 000 пудов угля...».

Требования транспортных установок являлись весьма существенными вследствие их преобладавшей доли в потреблении энергии. Следует заметить, что в настоящее время в связи с громадным ростом автомобильного транспорта и авиации, доля транспорта в энергобалансе остается высокой, составляя около 40% всей потребляемой механической энергии.

Обе главные тенденции развития теплосиловых установок – увеличение единичной мощности и повышение к. п. д. – проявлялись по-разному в двух основных агрегатах теплосиловых установок XIX в.: паровых котлах и паровых машинах. Поэтому целесообразно рассмотреть более подробно процесс развития этих агрегатов.

Экономический к. п. д. показывает отношение полезной работы вала теплового двигателя к теплу, внесенному в топки котлов, занесенных в соответствующих единицах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наша страна сделала большой прорыв в развитии теплоэнергетики, став одним из крупнейших в мире рынков тепловой и электрической энергии. Благодаря относительно свободному территориальному размещению ТЭС, а также совершенствованию их структуры производства электроэнергии, ввода более экономичного оборудования, повышения эффективности теплофикации мы смогли улучшить основные параметры тепловой экономичности ТЭС. Например, температура пара по сравнению с 1913 годом возросла с 300 до 565° С, соответственно увеличилось и значение кпд до 40%, уменьшился расход условного топлива с 710г/(кВт*ч) до 319г/(кВт*ч), значение мощности крупнейшей тепловой электростанции России - Сургутской ГРЭС-2 достигло 4800 МВт.

Но к сожалению, такая яркая положительная тенденция развития наблюдалась только до 1990 года.

В связи с преобладанием значительной доли старого оборудования (более50%) общая мощность электростанций за 1990-1995 выросла всего на 0,8%, хотя в 1980-1985гг. этот показатель составил-15%. Однако, в последние годы динамика развития теплоэнергетики носит прогрессирующий характер. Строятся новые современные электростанции («Ивановские ПГУ», «Сочинская ТЭС», «Калининградская ТЭЦ-2», «Северо-Западная ТЭЦ» и др.), которые в ближайшем будущем будут введены в эксплуатацию.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гвоздецкий В.Л., Симоненко О.Д. План ГОЭЛРО – пример созидательной деятельности новой власти// Наука и техника в первые годы советской власти: социокультурное измерение. М.: изд-во «Academia», – 2007. – С. 63-65.

2. Козлов Б.И. Вклад Академии Наук в индустриализацию России // Вестник РАН : журнал. – М., – 2000. – № 12. – С. 1059-1068.

3. Менеджмент и маркетинг в электроэнергетике: учебное пособие для студентов вузов / А.Ф. Дьяков, В.В. Жуков, Б.К. Максимов, В.В. Молодюк; под ред. А.Ф. Дьякова. – 3-е изд. – М.: Издательский дом МЭИ, – 2007.

4. Объединённая энергетическая система // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю.С. Осипов. – М. : Большая российская энциклопедия, – 2004-2017.

5. Основы современной энергетики: учебник для вузов : в 2 т. / под общей редакцией чл. -корр. РАН Е. В. Аметистова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Издательский дом МЭИ, 2008. Том 2. Современная электроэнергетика / под ред. профессоров А.П. Бурмана и В.А. Строева. – 632 с.

6. Симонов Н.С. Энергетическая статистика дореволюционной России // Статистика и экономика, – 2017. – Вып. 4. – С. 22-32