«Мы Россию всю и промышленную, и земледельческую, сделаем электрической»
В. И. ЛЕНИН.
Лауреат Ленинском премии, академик В. КИРИЛЛИН, председатель Государственного" Комитета Совета Министров СССР по науке и технике, академик М. СТЫРИКОВИЧ, академик-секретарь Отделения физико-технических проблем энергетики Академии наук СССР.
В стройном, подлинно диалектическом ленинском учении об индустриализации страны, о создании материально-технической базы коммунизма исключительное место отводится проблемам развития энергетики страны, в частности ее электрификации. Развитие энергетики рассматривается, как важнейшее условие роста экономики, и повышения технического уровня производства.
Но современным представлениям область техники и экономики, именуемая энергетикой, является весьма широкой. К ней обычно относят направления, связанные с энергетическими ресурсами, производством, передачей, и потреблением энергии в различных ее формах. Вопросы оптимизации комплексного развития названных направлений представляют собой в настоящее время важную отрасль науки.
В этой статье мы будем касаться главным образом вопросов развития электроэнергетики, определяющей в большой мере возможности осуществления наиболее совершенных технологических процессов, их механизацию и автоматизацию, повышение производительности труда, улучшение условий быта.
С первых же дней жизни Советского государства вопросам создания энергетической базы уделялось огромное внимание. Это нашло свое выражение в Государственном плане электрификации России - плане ГОЭЛРО, названном В.И. Лениным второй программой партии, и явившемся, по существу дела, первым научно обоснованным перспективным планом развития всего народного хозяйства страны на основе электрификации.
На всех этапах социалистического строительства Коммунистическая партия придавала первостепенное значение претворению в жизнь ленинского учения об электрификации В Программе КПСС записано «Электрификация, являющаяся стержнем строительства экономики коммунистического общества, играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в осуществлении всего современного технического прогресса. Поэтому необходимо обеспечить опережающие темпы производства электроэнергии»
Огромным созидательным трудом Советская страна создала могучую энергетику и вышла по производству электроэнергии на второе место в мире. Выработка электроэнергии в Советском Союзе все время растет темпами, опережающими развитие промышленности, и экономики в целом.
Генеральной схемой развития энергетики Советского Союза на период до 1980 года, разработка которой находится в стадии завершения, намечается значительно увеличить мощность энергетической базы страны.
Успешное выполнение грандиозной программы развития энергетики -, а программа эта действительно грандиозная, ведь за две пятилетки надо ввести в действие мощностей раза в полтора больше, чем за первые 50
лет Советской власти, - связано с решением многих проблем научно-технического прогресса в энергетике
Большое значение энергетики для народного хозяйства, высокие темпы ее развития и быстрый технический прогресс в сочетании со сложностью решаемых задач приводят к тому, что для успешного роста энергетики особо большое значение имеет быстрое использование результатов, полученных в фундаментальных науках.
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Как известно, в мировом производстве электроэнергии первое место сейчас занимают тепловые электростанции, работающие за счет сжигания химического топлива, главным образом угля. Второе место принадлежит гидравлическим электростанциям (ГЭС). Электростанции же всех других типов пока играют относительно малую роль. Для настоящего времени характерно начало быстрого развития атомной энергетики.
В СССР в 1970 году из общей планируемой выработки электроэнергии в количестве около 740 млрд, квтч на долю тепловых электростанций будет приходиться около 84 процентов (за последние 5 лет доля тепловых электростанций в выработке электроэнергии увеличилась с 82,5 до 84 процентов); в США такая же картина тепловые электростанции, например, в 1968 году дали 84,4 процента общей выработки.
Ясно, что дальнейшее совершенствование тепловых электростанций, которые играют главную роль в производстве электроэнергии, является важной технико-экономической задачей.
Ведущей ролью теплоэнергетики определяется гот факт, что основную массу энергоресурсов, расходуемых, как электростанциями, так, и другими потребителями, составляет минеральное, химическое топливо. Естественно поэтому, что вопрос о том, надолго ли хватит запасов такого топлива, служит предметом многих статей и дискуссии. Существующие оценки энергетических ресурсов мира весьма приближенны. Основная причина этого - недостаточная изученность земных недр.
Общие геологические запасы ископаемых топлив на земле - каменного, и бурого угля, нефти в свободном состоянии, нефти в сланцевых песчаниковых породах и природного газа - оцениваются в пределах 10 000 - 25 000 млрд т у. т. (тонн условного топлива, то есть в пересчете на топливо с теплотою сгорания 7 тысяч килокалорий на один килограмм). Общие мировые геологические запасы каменного угля оцениваются в 7 500 - 14 000 млрд, т у. т.; бурого угля - примерно в 1 000 млрд, т у. т.
На сколько же времени хватит этих запасов?
Мировое потребление всех энергетических ресурсов, среди которых минеральное, химическое топливо занимает главное место, составляет в настоящее время около 9 млрд. т у. т., а годовой прирост потребления - порядка 4 процентов. Если даже предположить, что все потребление энергоресурсов будет покрываться только за счет химического топлива, а теми роста потребления удержится на уровне 4 процентов (хотя большинство прогнозов предусматривает его снижение уже к 2000 году), запасов химического топлива хватило бы более чем на 100 лет.
Можно полагать, что прежде чем будет израсходована сколько-нибудь значительная часть природных топливных ресурсов, удастся разработать высокоэффективные методы получения энергии за счет других источников, и человечеству не придется столкнуться с катастрофической нехваткой топлива.
Разумеется, подобный оптимизм ни в, какой мере не снимает проблемы экономии топлива, которая сохраняет большое народнохозяйственное значение. Особенно важна экономия топлива в районах его высокой стоимости, в частности для Европейской части СССР, где 60 - 70 процентов стоимости вырабатываемой электроэнергии падает на долю топлива.
Ясно, что проблема экономии топлива непосредственно связана с улучшением технико-экономических показателей тепловых электростанций.
Одно из важных мероприятий по повышению экономичности толовых электростанций - переход на более высокие параметры пара. В настоящее время на вводимых в строй электростанциях в основном устанавливаются мощные блоки, в которых температура пара держится на уровне 540° при давлении 240 - 250 атм, а при 160 атм составляет 540 - 560°.
Повышение экономичности тепловых электростанций достигается и благодаря увеличению мощности, как отдельных блоков (котел - турбина - генератор - трансформатор), гак, и станции в целом.
Здесь уместно отметить, что укрупнение отдельных агрегатов и предприятий в целом - важная тенденция современного развития техники, и проявляется она почти во всех отраслях производства.
В связи с ростом единичных мощностей возникает вопрос, имеющий большое значение.
Создание крупных энергетических блоков позволяет существенно снизить удельные капиталовложения, уменьшить удельный расход топлива. Однако надежность блоков по мере увеличения их мощности (при прочих равных условиях) снижается. Связано это прежде всего с ростом числа однотипных элементов (например, лопаток - в паровых турбинах, сварных швов - в котлах) и соответственно с ростом вероятности выхода из строя хотя бы одного из них. Поэтому переход на крупные блоки должен сопровождаться качественной перестройкой технологических процессов, резким повышением надежности каждого отдельного элемента, разработкой, и использованием новых, более совершенных материалов. Кроме того, создание особо крупных агрегатов требует применения новых технических решений, которые должны проверяться в эксплуатации, по возможности до начала серийного строительства этих агрегатов.
Особое значение приобретают также разработка современных методов расчета надежности мощных агрегатов и возможность ее прогнозирования по данным стендовых испытаний отдельных элементов агрегатов, и по результатам неразрушающих методов контроля при изготовлении оборудования.
Если всем этим вопросам не уделять должного внимания, то сроки освоения в эксплуатации новых серий мощных блоков будут сильно затягиваться, возникнет необходимость в больших работах по реконструкции вводимых в действие блоков. Поэтому повышение надежности крупных блоков, ускорение отработки головных экземпляров, новых серий является важнейшей задачей.
На начало 1970 года на наших электростанциях уже было установлено 46 блоков мощностью по 300 Мет, работающих на паре сверхкритического давления. В 1968 году начато освоение первого пятисоттысячного блока на Назаровской ГРЭС и на Славянской ГРЭС первого блока мощностью 800 Мет (с двухвальной турбиной на сверхкритическом давлении пара). В США наиболее крупный из действующих блоков (двухвалъный) имеет мощность 1 000 Мет; средняя же мощность заказанных блоков составляет 500 Мет.
В Советском Союзе основной прирост мощности на тепловых электростанциях в ближайшее десятилетие будет достигнут благодаря установке преимущественно крупных энергоблоков единичной мощностью 300, 500, и 800 Мет. Предусматривается установить также первые энергоблоки по 1 200 Мет.
За последние годы коэффициент полезного действия (КПД) паротурбинных электростанций сильно возрос и приближается на лучших станциях к 40 процентам. Но трудно ожидать, чтобы удалось значительно превзойти этот уровень. Как известно, основное направление увеличения КПД любого теплового цикла заключается в повышении температуры подводимого рабочего тела. Применительно к паросиловым установкам это означает увеличение температуры перегрева пара. Однако достаточно дешевых, и надежных металлов, которые могли бы длительно работать (100 тыс. часов и более) при температуре выше 600°, нет ни у нас, ни за рубежом.
Определенное повышение КПД сравнительно с мощными паротурбинными блоками можно получить на некоторых типах комбинированных парогазовых установок (ПГУ) - установок, в которых паровая турбина дополняется газовой (1) (здесь, и далее цифры в скобках - это номера схем, графиков, иллюстрирующих отдельные положения статьи. - Прим. ред.). Сравнительный технико-экономический анализ и конструкторские проработки показывают, что парогазовые установки простейшего типа, работающие по схеме со сбросом газов в котел, имеют, вероятно, наибольшую перспективу применения. В установках этого типа в камеру’ сгорания газовой турбины подается около 20 процентов всего топлива. Пройдя через газовую турбину, продукты сгорания, содержащие много неиспользованного кислорода, поступают в топку обычного котла, и используются для дожигания остальных 80 процентов топлива, которое, естественно, может быть любого качества.
Представляет интерес предложение об использовании бинарного цикла с водой в верхней ступени и низкокипящими веществами, например, фреоном или аммиаком, - в нижней (2). Во фреоновом цикле может поддерживаться более низкая температура конденсации, чем в пароводяном, что, в свою очередь, может привести к некоторому увеличению КПД. Особенно важно, что удельные объемы фреона, и аммиака при температуре конденсации 20 - 30° С в 300 - 400 раз меньше, чем водяного пара. Это позволяет в принципе создать экономичную турбинную установку большой единичной мощности (возможно, до 4 - 5 млн. кет) в одновальном исполнении. В период зимнего максимума в районах с низкой температурой охлаждающей воды такая установка будет давать дополнительное количество электроэнергии. Однако приемлемые с технико-экономической точки зрения решения пока не найдены. Главные препятствия появление дополнительной необратимости при теплообмене и относительно большие поверхности теплообмена в котле-испарителе.
Представляет также интерес работа в области паросиловых циклов, рабочим веществом которых служит диссоциирующий газ (3).
Одно из основных направлений электрификации СССР - комбинированное производство электроэнергии, и тепла на крупных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и централизованное снабжение теплом коммунального хозяйства городов, и промышленности. Плановое хозяйство СССР содействует широкому развитию теплофикации. В 1970 году суммарная электрическая мощность теплофикационных турбин составит около 40 млн. кет. На ТЭЦ введены в работу теплофикационные турбины мощностью 100 Мет и вводятся турбины мощностью 250 Мет на сверхкритическое давление.
Перспективы развития теплоэнергетики тесно связаны с решением проблемы предохранения воздушного бассейна от загрязнения, особенно при использовании высокосернистых топлив. Чтобы воспрепятствовать загрязнению воздуха, намечено использовать новые источники малосернистого топлива, проводить обессеривание топлива перед его сжиганием, строить сверхвысокие трубы, и др.
В этом отношении может представить интерес метод газификации сернистых мазутов под давлением с охлаждением газа, его очисткой и последующим сжиганием в топках энергетических установок (4). В случае успешной эксплуатации разрабатываемой в настоящее время опытно-промышленной установки этот метод сможет эффективно применяться при использовании высокосернистых мазутов.
АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Первая в мире атомная электростанция (АЭС) мощностью 5 тыс. кет была введена в действие в Советском Союзе в нюне 1951 года. Это событие стало началом новою, важного направления развития энергетики.
В 1967 году мощность АЭС во всем мире (без СССР) составляла 10,7 млн. кет, а на конец 1968 года она достигла 11,1 млн. кет. В 1968 году было заявлено о поступивших заказах на строительство АЭС на общую мощность 34 млн. кет.
По генеральной схеме развития энергетики СССР в 1971 - 1975 годах на АЭС предусмотрен значительный ввод мощностей; еще больший рост их намечается осуществить в 1976 - 1980 годах.
Теперь при обсуждении не только далеких, но, и близких перспектив развития энергетики следует учитывать возможности производства электрической энергии на таком виде топлива, как ядерное. Естественно, что в связи с этим представляет интерес вопрос о его запасах.
Общее количество урана, которое можно добыть при сравнительно низких затратах, составляет (но данным Международного агентства по атомной энергии - МАГАТЭ) около 1,5 млн. т. При затратах не превышающих в 2 -3 раза составляющие сейчас (около 22 долларов за 1 кв), можно добыть в 3 - 5 раз больше урана. Полагают, что овладение энергией ядерного распада удваивает энергетические ресурсы мира.
Надо также учесть, что в океанской воде содержится несколько миллиардов (!) тонн урана. Вероятно, следует ожидать, что в ближайшие десятилетия буду г найдены экономически приемлемые методы извлечения урана из океанской воды.
Из большого комплекса вопросов, составляющих в целом проблему развития атомной энергетики, центральными, конечно, являются вопросы реакторостроения.
Развитие ядерных реакторов в СССР шло по нескольким направлениям. Основное распространение по ту чили канальные водо-графитовые, и корпусные водо-водяные реакторы (5, и 6).
Реакторы этих типов позволяют использовать лишь относительно малую часть энергии ядерного топлива - в реакторах на тепловых нейтронах сжигается значительная часть урана-235, и только около процента - урана-238. Тем не менее электростанции с такими реакторами экономически целесообразны в районах относительно дорогого химического топлива.
Таким образом, уже на данном этапе атомная, и традиционная энергетика взаимно дополняют друг друга. Кроме того, эта ступень развития атомной энергетики подготовляет переход к реакторам-размножителям на быстрых нейтронах (7), в которых используется большая часть природного урана.
Преимущественное развитие реакторов на тепловых нейтронах, вероятно, продолжится до 80-х или даже до 90-х годов. К этому времени, по оценкам специалистов, будут созданы, и отработаны мощные, экономически конкурентоспособные реакторы на быстрых нейтронах, которые постепенно начнут вытеснять реакторы на тепловых нейтронах. О таком подходе к развитию ядерной энергетики заявлено почти во всех промышленно развитых странах.
Но вот по вопросу о том, какие же именно типы реакторов на тепловых нейтронах наиболее эффективны, представляют в настоящее время наибольший практический интерес, существуют разные точки зрения.
Атомная энергетика очень молода, и поэтому при определении путей ее развития в конкретных условиях нашего народного хозяйства очень важно глубоко, и критически оценивать опыт зарубежной науки, и техники Излагая некоторые вопросы перспектив атомной энергетики, мы будем для сравнения приводить некоторые сведения, которые показывают, как решаются аналогичные проблемы иностранными специалистами.
В США подавляющее большинство всех созданных или строящихся энергетических реакторов - это корпусные водо-водяные реакторы двухконтурного или кипящего типа; канальные реакторы не нашли распространения. Вероятно, в, какой-то мере это может быть объяснено тем, что основные поставщики такого оборудования (фирмы «Вестингауз», «Дженерал электрик», и другие) организовали производство корпусов для реакторов большой мощности.
Для Англии традиционны реакторы корпусного типа с газовым (углекислотным) охлаждением. В течение ближайших 5 - 6 лет там предусмотрен ввод в действие газоохлаждаемых реакторов мощностью порядка 8 млн. кет.
Нам представляется, что в интересах дальнейшего развития атомной энергетики Советского Союза специалисты в области энергетических реакторов должны разработать значительно более обоснованную, и определенную программу строительства реакторов на тепловых нейтронах. Следует, в частности, произвести технико-экономическое сопоставление корпусных водо-водяных реакторов, и канальных водо-графитовых реакторов. Если исходить из необходимости быстрейшей наработки плутония (а это важный фактор, определяющий переход к широкому применению реакторов на быстрых нейтронах), а также учитывать высокую степень безопасности работы канальных реакторов, то они, с нашей точки зрения, заслуживают серьезного внимания.
Большие работы в Советском Союзе, а также в США, и Англии ведутся в области создания реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, позволяющих примерно в 20 раз более полно использовать ядерные ресурсы, чем это достижимо при работе с реакторами на тепловых нейтронах.
Научно-исследовательские работы по реакторам на быстрых нейтронах начались в СССР еще в 50-х годах. Первый такой реактор был создан в СССР в 1955 году (г. Обнинск). В настоящее время опытно-промышленный реактор с электрической мощностью 150 Мет сооружается вблизи г. Шевченко. Эта установка, кроме выработки электроэнергии, предназначена также для опреснения морской воды.
В США в 1966 году был запущен реактор на быстрых нейтронах с установленной мощностью 60 Мет (электростанция «Энрико Ферми»). Однако из-за большого числа различных дефектов освоение этого реактора натолкнулось на серьезные трудности, и практически до настоящего времени его эксплуатация не начата.
В Англии с середины 1963 года эксплуатируется ядерная энергетическая установка с реактором на быстрых нейтронах мощностью 15 Мет.
Использование реакторов-размножителей в энергетике, как уже говорилось выше, будет в очень большой мере зависеть от скорости наработки плутония в этих реакторах. При значительных темпах развития атомной энергетики потребуется быстрое наращивание производства плутония. Поэтому, если не удастся создать высокоэкономичные реакторы на быстрых нейтронах с достаточно высоким темпом производства плутония, то задачу получения для энергетики плутония из урана-238 придется решать отдельно.
Физически возможно для производства плутония использовать ускорительную технику. Так, например, протоны или дейтроны, разогнанные в ускорителе до энергии порядка 1 - 2 млрд, электрон-вольт, при попадании в специальную мишень могут произвести около 80 вторичных частиц. В результате их захвата уран-238 или торий-232 превращаются соответственно в плутоний-239 или уран-233, которые, и могут быть использованы, как делящиеся вещества в реакторах на быстрых или тепловых нейтронах. Таким образом, современная атомная техника имеет, кроме основного, намеченного сейчас пути развития, физически обоснованный резервный путь.
Наряду с дальнейшей разработкой конструкции реакторов на быстрых нейтронах нашим специалистам необходимо, как нам кажется, рассмотреть динамику оптимального соотношения мощностей АЭС на тепловых и быстрых нейтронах на период широкого строительства АЭС на реакторах-размножителях.
В отношении тенденции укрупнения агрегатов атомная энергетика не представляет исключения. Повышение единичной мощности оборудования для АЭС особенно сильно снижает удельные капиталовложения. Поэтому в настоящее время ведутся работы по созданию весьма крупных блоков для атомных станций мощностью в 1 млн. квт, и выше.
Требование повышения надежности при увеличении единичных мощностей, естественно, сохраняется и для атомных электростанций. Подтверждением этому служит положение, сложившееся в атомной энергетике США. Простая экстраполяция опыта сооружения, и эксплуатации мелких блоков АЭС на крупные привела к недооценке ряда трудностей. В результате в ближайшие 4 года ожидается недовыработка на АЭС более 100 млрд, квтч электроэнергии.
Следует заметить, что атомная энергия может быть использована в народном хозяйстве не только для непосредственного производства электроэнергии и централизованного теплоснабжения. Большой интерес представляет комплексное энерготехнологическое использование атомных установок.
ГИДРОЭНЕРГЕТИКА
По запасам гидроэнергии Советский Союз значительно превосходит другие страны мира. Из полного гидроэнергетического потенциала рек земного шара в 32 900 млрд, квтч в год на долю СССР приходится 3 950 млрд, квтч в год, то есть около 12 процентов.
К сожалению, гидроэнергетические ресурсы так же, как, и химическое топливо, неравномерно распределены по территории страны в наиболее обжитых районах находится наименьшая их доля.
Широкое использование гидроэнергетических ресурсов страны началось после Октябрьской революции (в дореволюционной России мощность всех гидроэлектростанций составляла всего 16 тыс. квт). Уже 13 июня 1918 года было принято решение о строительстве Волховской гидроэлектростанции мощностью 58 тыс. квт. В настоящее время СССР - страна развитой гидроэнергетики. В 1969 году все наши гидроэлектростанции выработали более 130 млрд, квтч электроэнергии.
В перспективе ближайшего десятилетия гидроэнергетика будет наращивать свой потенциал Хотя абсолютный прирост мощностей на гидроэлектростанциях будет весьма значительным, доля их общей установленной мощности (которая сейчас составляет около 20 процентов) несколько понизится.
Основным направлением технического прогресса в гидроэнергетике СССР, как и во всем мире, является создание все более мощных ГЭС, и отдельных гидроагрегатов.
Следует отметить, что увеличивающаяся мощность гидрогенераторов выдвигает задачи повышения надежности выпускаемых машин. Опыт, приобретенный при эксплуатации машин новой конструкции, должен в полной мере использоваться при переходе к подобным конструкциям большей мощности. К сожалению, это требование еще не всегда выполняется.
Наши специалисты в области гидро турбостроения должны также проанализировать опыт своих японских и шведских коллег, которым удалось создать турбины, имеющие КПД на 1 - 1,5 процента выше.
Развитие гидроэнергетического хозяйства идет по пути сооружения каскадов гидроэлектростанций, и комплексного использования гидроэнергетических ресурсов, как для производства электроэнергии, так и для улучшения условий судоходства, орошения земель в засушливых районах, и обеспечения водоснабжения промышленности и населенных центров. Уже сейчас на базе гидроузлов и водохранилищ действующих ГЭС орошается около 1,2 млн. га земель и эксплуатируется около 5 тыс. км глубоководных путей.
Наиболее интересные решения использования водных ресурсов найдены при создании каскадов ГЭС на Волге, Каме, Днепре, Ангаре, и Енисее.
Огромные гидроэнергетические ресурсы сосредоточены в Восточной Сибири (350 млрд. квтч в год) и на Дальнем Востоке (294 млрд, квтч в год). Многоводные реки, стекающие с Сибирского плоскогорья, образуют систему бассейна реки Енисей, который характеризуется весьма благоприятными условиями для использования гидроэнергетических богатств.
Благодаря высокой водности рек, хорошим инженерно-геологическим условиям в районах основного гидростроительства (скальным основаниям, и благоприятному рельефу долин) здесь можно строить высоко напорные плотины относительно небольшой длины и водохранилища с большими регулирующими возможностями. Вот почему стоимостные показатели здесь по сравнению с другими районами СССР оказываются самыми низкими.
> же сейчас можно наблюдать, что в размещении производительных сил Восточной Сибири произошли значительные изменения. Если ранее основой формирования промышленных узлов этого района служила Восточно-Сибирская железная дорога, то ныне главным стержнем формирования многих новых промышленных узлов являются гидроэлектростанции Ангаро-Енисейского каскада.
Освоение гидроресурсов Ангары началось с сооружения верхней гидроэлектростанции каскада - 11ркутскои ГЭС. Затем воздвигнута Братская ГЭС имени 50-летия Великого Октября (мощностью 4,1 млн. кет, с увеличением в дальнейшем до 4,6 млн. квт). Ведется строительство Усть-Илимской ГЭС на Ангаре (3,6 млн. кет), завершается сооружение Красноярской ГЭС на Енисее (6 млн. кет), начато строительство Саяно-Шушенской ГЭС на Енисее (6,4 млн. кет), идет подготовка к строительству Богучанской ГЭС на Ангаре (4 млн. кет).
В нижней части Енисея, на его притоке Нижней Тунгуске, возможно построить гидроэлектростанцию с напором 200, и и с ежегодной выработкой 47 млрд. квтч.
Освоение гидроэнергетических ресурсов Ангары и Енисея - важная народнохозяйственная задача. 16 гидроэлектростанций на этих реках могут выработать 265 млрд. квтч в год; причем из этого количества электроэнергии от действующих, и 5 же строящихся ГЭС будет получено 94 млрд. квтч.
Особенно целесообразно комплексное развитие гидро и теплоэнергетики. Ангаро-Енисейские гидроэлектростанции облегчают использование уникального месторождения канско-ачинских углей. На базе месторождения канско-ачинских углей намечается создать топливно-энергетический комплекс с мощностью электростанций около 70 млн. кет. При этом тепловым электростанциям целесообразно будет нести постоянную, базовую нагрузку, а всю неравномерную часть нагрузки передать гидроэлектростанциям. (Следует вообще отметить, что имеется тенденция все более широкого использования гидравлической энергии именно для покрытия так называемых пиковых нагрузок.)
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Создание мощных энергетических систем, основанных на развитых линиях электропередачи, является важнейшим народнохозяйственным делом.
Успехи отечественной науки, и техники позволили нашей стране в середине 50-х годов выйти на одно из первых мест в мире в области передачи электроэнергии на дальние расстояния.
Развитие техники электропередачи, по понятным причинам, сопровождается повышением напряжения (8, 9). Широкое применение в Советском Союзе получили линии электропередачи на переменном токе (10) с напряжением 220 - 500 кв. Первая линия 500 кв была введена в строй в 1959 году между Волгоградом, и Москвой. Заметим, что в США первая линия электропередачи 500 кв была построена только в конце 1964 года. В 1967 году вступила в строй уникальная линия электропередачи Конаково - Москва на переменном токе напряжением 750 квл в 1969 году начато строительство линии 750 кв протяженностью 1 100 км в объединенной энергосистеме Юга.
Советский Союз занимает ведущее место и по передаче электроэнергии постоянным током (11). Первая в мире линия с напряжением постоянного тока 800 кв (Волгоград - Донбасс) была создана в 1963 году. В настоящее время в СССР ведется работа по созданию дальней линии электропередачи на постоянном токе с напряжением 1 500 кв протяженностью около 2,5 тыс. км, которая должна будет связать центральные районы страны с Экибастузским угледобывающим районом Казахстана.
При необходимости транспортировать большое количество электроэнергии из Восточной Сибири в районы европейской части страны потребуется создание линий электропередачи на постоянном токе с напряжением примерно 2 400 кв. Развитие линий электропередачи постоянным током представляет большой интерес для связи между объединенными энергосистемами.
Создание энергетических систем было намечено еще планом ГОЭ.ПРО. В настоящее время в СССР около 100 районных энергосистем. Они входят в состав 9 объединенных энергосистем, 7 из которых (энергосистемы Центра, Средней Волги, Юга, Северного Кавказа, Закавказья, Северо-Запада, и Урала), в свою очередь, объединены в Единую энергосистему Европейской части СССР. В 1970 году установленная мощность этой крупнейшей энергетической системы достигнет 107 млн. квт (на 166 млн. квт общей мощности электростанций).
Генеральной схемой развития энергетики предусматривается завершить до 1980 года создание Единой энергосистемы СССР, охватывающей почти всю территорию страны (за исключением северо-восточных районов). Единая энергосистема СССР, помимо семи уже объединенных энергосистем, должна включать также три существующие объединенные энергосистемы (Средней Азии, Сибири и Дальнего Востока), и две повью объединенные энергосистемы (Северного Казахстана и Забайкалья), то есть всего 12 объединенных энергосистем.
Намечается также расширить применение электрических связей на переменном токе при напряжении 500 - 750 кв.
Современное состояние развития электроэнергетики в условиях социалистического строя позволяет использовать преимущества объединенных энергетических систем в международном масштабе. Уже образована, и успешно работает система «Мир»; объединяющая энергосистемы социалистических стран Европы.
Следует заметить, что за последние годы в области развития дальних электропередач появились новые интересные предложения. Упомянем, например, расширение границ применения переменного тока для устойчивой передачи электрической энергии на расстояние свыше 2 000 км путем использования линий передачи, настроенных на полуволну (12) (в апреле 1967 года был проведен опыт полуволновой передачи на участках линии Волгоград - Москва - Куйбышев - Урал); использование сверхпроводящих и криогенных линий электропередачи; передача больших количеств энергии по кабелям со сжатым газом.
Нужно сказать, что для области энергетики, занимающейся проблемами передачи энергии, весьма большое значение имеет успешное развитие соответствующих направлений фундаментальных наук, и быстрое использование получаемых там результатов.
«ПИКОВЫЕ» МОЩНОСТИ
Вопрос разработки наиболее перспективных в технико-экономическом отношении типов «пиковых» энергетических установок и последующего их широкого строительства имеет первостепенное значение.
Определяется это тем, что потребление электроэнергии весьма существенно изменяется, и в течение суток (13) и в течение года - в зависимости от сезона. Естественно, что к энергетическим установкам, которые должны работать весьма короткое время (как правило, 1 - 2 часа в сутки или даже меньше), предъявляются иные технико-экономические требования. Стоимость создания таких установок должна быть значительно ниже, они должны обладать высокой надежностью, и при необходимости быстро включаться в работу. Что касается их КПД и соответственно себестоимости выработанного киловатт-часа, то здесь погоня за очень хорошими показателями с точки зрения технико-экономической гораздо менее важна.
Особенно следует отметить, что строительство «пиковых» энергетических установок является делом очень крупного масштаба. В качестве иллюстрации этого положения приведем некоторые данные из практики зарубежной энергетики. В настоящее время в Англии тепловые блоки мощностью 500660 Мег снабжаются, как правило, газотурбинными установками мощностью 25 - 35 Мет для покрытия «пиковых» нагрузок. Тенденция широкого использования «пиковых» газотурбинных установок наметилась, и в США. За период 1968 - 1971 годов там должны быть введены в действие газотурбинные установки общей мощностью около 12,5 млн. Квт. Показательно, что, например, в 19G9 году мощность введенных в эксплуатацию газотурбинных установок должна была составить в США около 14 процентов всей установленной за гол мощности.
К сожалению, у нас своевременно не придали необходимого значения этой важной проблеме, и лишь сейчас начата большая работа по определению основных направлений, и программы строительства «пиковых» энергетических установок.
Что можно сказать относительно имеющихся взглядов и оценок типов наиболее перспективных «пиковых» энергетических установок?
Прежде всего нужно подчеркнуть, что максимальное объединение отдельных энергосистем в одну общую энергосистему, как это намечено генеральной схемой развития энергетики СССР на период’ до 1980 года, позволит лучше использовать имеющиеся электростанции. При этом следует иметь в виду, что передача «пиковой» мощности на очень большие расстояния неэкономична.
Необходимо также отметить, что большую роль, и покрытии «пиковых» нагрузок сыграют имеющиеся в системе гидроэлектростанции с регулирующими водохранилищами. Правда, при этом нельзя забывать о значительной сезонной неравномерности стока многих рек, и о естественном желании полностью использовать сток, в том числе, и весенний паводок.
Представляет также интерес вопрос использования для покрытия переменной части нагрузки атомных электростанций с реакторами на тепловых нейтронах (конечно, это может приобрести практический интерес лишь тогда, когда удастся на АЭС достигнуть значительно более низкой стоимости установленного киловатта).
В настоящее время большинство советских, и зарубежных специалистов считает, что наиболее перспективными «пиковыми» энергетическими установками являются газотурбинные (14), и гидроаккумулирующие (15).
Газотурбинные установки, предназначенные для несения «пиковых» нагрузок, имеют упрощенную тепловую схему без регенерационного типа, КПД порядка 20-25 процентов, и расход топлива - 0,45 - 0,5 кг условного топлива на 1 квтч. Стоимость установленного киловатта «пиковой» газотурбинной установки составляет (по американскому опыту) около 50 процентов от стоимости установленного киловатта современной мощной тепловой электростанции. У «пиковых» газотурбинных установок (станций) высокая степень автоматизации, управление дистанционное. Они могут обеспечить частотный резерв в энергосистеме, работать в режиме синхронного компенсатора, и т. д. Запускаются, и набирают нагрузку такие установки за несколько минут.
В СССР эксплуатируется несколько газотурбинных агрегатов. Однако эти машины не предназначены д ш «пиковой» работы.
Гидроаккумулирующие «пиковые» установки имеют некоторые преимущества по сравнению с газотурбинными больший ресурс работы оборудования; весьма малое время (секунды) запуска; возможность во время «провала» нагрузки (в ночное время) потреблять энергию, вырабатываемую основными агрегатами, с тем, чтобы возвратить ее в часы «пик»; более низкие эксплуатационные расходы.
По у гидроаккумулирующих «пиковых» установок есть, и весьма существенный недостаток значительно более высокая стоимость установленного киловатта по сравнению с газотурбинными установками. К тому же этот показатель в значительной мере зависит от рельефа местности.
Поэтому, с нашей точки зрения, строительство гидроаккумулирующих установок оправданно, как правило, только в местностях с особо благоприятным рельефом. В равнинных местностях стоимость установленного киловатта гидроаккумулирующих установок чрезмерно высока.
Из других типов возможных «пиковых» энергетических установок назовем еще две.
Это, во-первых, упрощенные теплоэнергетические установки с заведомо более низким КПД, но в то же время со значительно более дешевым оборудованием. Применение обычных марок стали, упрощение котлоагрегата, ликвидация регенеративных подогревателей позволяют уменьшить капитальные вложения на эти установки примерно до 65 процентов от стоимости блоков базисной нагрузки. Установки такого типа в последние годы находят распространение в США, и в других странах, особенно для покрытия «полупиковой» нагрузки (1006 - 3 000 часов в год).
Во-вторых, упрощенные магнитогидродинамические установки, капитальные вложения в которые, отнесенные к одному установленному киловатту, должны составлять менее 50 процентов по сравнению с современными мощными тепловыми станциями. Поднятый вопрос (особенно американскими специалистами) об использовании таких установок для покрытия «пиковых» нагрузок, а также в качестве аварийного резерва заслуживает дальнейшего изучения.
НЕКОТОРЫЕ ВОЗМОЖНЫЕ
НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ
В заключительной части статьи хотелось бы кратко остановиться на некоторых научно-технических направлениях, которые, вполне возможно, будут иметь большое значение для дальнейшего развития энергетики.
Естественно, что в этой связи прежде всего следует назвать проблему использования энергии термоядерной реакции. Пет необходимости говорить о том, какое огромное значение имело бы успешное решение этой проблемы. Наличие в этом случае практически неограниченных ресурсов, и возможность получения большого количества дешевой электроэнергии были бы основой дальнейшего прогресса, и изменили бы наше отношение к решению многих важных проблем. Несравненно большее развитие в самых различных отраслях производства получила бы электро-технология, появилась бы неограниченная возможность опреснения морской воды, и увлажнения засушливых районов, открылись бы реальные возможности воздействовать на погоду, климат и окружающую среду, можно было бы максимально электрифицировать быт, переведя, в частности, все здания на электрическое отопление, и многое, многое другое.
Как известно, в ряде стран ведутся работы широкого масштаба, цель которых - покорить термоядерную энергию. Советские ученые занимают здесь лидирующее положение. Приведем таблицу, из которой следует, какой большой путь уже пройден и, как много еще предстоит сделать.
Использование для выработки электроэнергии солнечной энергии, и тепла земных недр по своему значению сопоставимо с осуществлением в энергетических целях управляемой термоядерной реакции. К сожалению, в отношении решения обеих этих проб 1ем - использования в больших масштабах солнечной энергии и тепла земных недр - в настоящее время не представляется возможным сказать не только чего-либо обнадеживающего, но даже, и определенного.
Таблица
Трудность использования солнечной энергии в широком масштабе для нужд большой энергетики заключается в том, что оба реально осуществимых способа (концентрация солнечных лучей и обогревание парового котла или использование обогреваемых за счет солнечного тепла полупроводников термоэлектроэлементов) совершенно неприемлемы с точки зрения своих технико-экономических показателей. И пока, что не видно реальных путей решения этого вопроса.
Разумеется, сказанное никоим образом не относится к использованию солнечной энергии для частных, и локальных целей в относительно малом масштабе. Такие проблемы, как использование солнечной энергии для опреснения солоноватой воды на отгонных пастбищах, нагревания воды, сушки фруктов и некоторых других целей, несомненно, представляют практический интерес, и имеют приемлемые решения. Работа в этом направлении должна быть продолжена.
Аналогичное положение сложилось и в отношении использования в широком масштабе тепла земных недр для нужд большой энергетики. Не представляется возможным сейчас назвать реальные с технико-экономической точки зрения пути решения этой проблемы. Большие трудности связаны с организацией на весьма значительной глубине отвода тепла земных недр в крупном масштабе.
Конечно, использование тепла термальных вод в тех местах, где они выходят на поверхность или находятся на небольшой глубине, с целью выработки электроэнергии, и главным образом для отопления, несомненно, представляет практический интерес и работа в этом направлении должна быть не только продолжена, но, и расширена.
Мы хотели бы теперь очень кратко остановиться на проблеме использования магнитогидродинамического принципа для получения электрической энергии (16). Привлекательность этого принципа преобразования энергии заключается, как известно, в том, что собственно магнитогидродинамический генератор не имеет движущихся частей, и поэтому появляется реальная возможность существенного повышения максимальной температуры рабочего тела практически до 3 000°К. Это, в свою очередь, позволяет получить значения КПД порядка 50 - 60 процентов, то есть существенно выше, чем для лучших тепловых электростанций.
Следует иметь в виду, что при очень большом росте использования энергетических ресурсов во все большей мере будет приобретать значение вопрос возможного перегрева водоемов, а затем, и атмосферы Земли. Поэтому с точки зрения снижения количества рассеиваемого тепла повышение КПД установок особенно важно.
В настоящее время положение с разработкой, и реализацией магнитогидродинамического способа преобразования энергии можно охарактеризовать следующим образом.
В результате исследований, проведенных в Советском Союзе, и ряде других стран, разработаны, и в известной мере испытаны конкретные схемы, и конструкции магнитогидродинамического генератора, работающего на газовом топливе по открытому циклу.
Технические возможности создания крупных установок такого типа не подвергаются сомнению. Недостаточно ясными остаются, однако, весьма важные вопросы надежности их работы, и некоторые технико-экономические показатели.
Введенная в действие в Советском Союзе в 1965 году модельная установка У-О2 дала возможность проведения важных экспериментальных работ. Идут работы по созданию опытно-промышленной установки с магнитогидродинамическим генератором.
Проводимые сейчас в Советском Союзе работы должны в течение нескольких ближайших лет дать ответы на названные вопросы. После этого можно будет с достаточным основанием судить о реальной перспективе применения в большой энергетике магнитогидродинамического принципа преобразования энергии.
Технический прогресс энергетики выдвигает перед наукой немало больших, и весьма сложных проблем.
Для их решения необходимо привлечение специалистов самого разнообразного профиля. Можно сказать, что научной базой развития энергетики являются почти все основные разделы современной физики, и химии.
В ряде важных направлений физики, и физической химии научные исследования, проводимые в интересах развития энергетики, составляют заметную часть. К числу таких направлений относятся вопросы гидро и газодинамики, технической термодинамики, тепло и массообмена, тепло-и электрофизических свойств газов, жидкостей, твердых тел, а за последнее время, и так называемой низкотемпературной (до 3 000 - 5 000°К) плазмы.
С появлением новых источников энергии - распада тяжелых ядер, а в перспективе и синтеза легких, новых методов производства, и передачи электроэнергии - этот перечень надо значительно расширить. Проведение громадного объема научных исследований, необходимых для современной энергетики, требует привлечения большого числа ученых и прежде всего талантливой молодежи, которая в стремительно развивающейся энергетике может найти прекрасное поле приложения своих способностей.
