Мировая история развития теплоснабжения и теплофикации

Во время войны много предприятий и электростанций было эвакуировано на восток. Всего было эвакуированно более 60 электростанций суммарной мощностью 5800 МВт, из них 1000 МВт - мощности ТЭЦ. По мере освобождения территории страны от фашистских захватчиков, началось восстановление ТЭЦ в Европейской части страны. К 1950 г. установленная мощность ТЭЦ составила 5000 МВт при годовом отпуске тепла 293,3 млн ГДж (70 млн Гкал).

Начиная с 1950 г., начался интенсивный рост эффективности энергоснабжающих установок. На ТЭЦ стали устанавливаться турбины на высокие параметры пара. В 1957 г. ЛМЗ изготовил первую теплофикационную турбину типа ПТ-50-130/2 мощностью 50 МВт на начальные параметры пара: давление 13 МПа и температуру 565 °С с двумя регулируемыми отборами пара. Повышение начальных параметров пара на ТЭЦ дает также близкие к КЭС (на такие же параметры) показатели по расходу топлива при работе по конденсационному циклу. Основным условием эффективной работы ТЭЦ остается требование максимальной выработки электроэнергии по теплофикационному циклу, для чего требуется длительная загрузка отборов турбин ТЭЦ по отпуску тепла. Для отопительных ТЭЦ такой рост выработки электроэнергии возможен за счет присоединения круглогодовой нагрузки горячего водоснабжения, а также работы при оптимальном коэффициенте теплофикации, находящемся в пределах 0,5-0,65. Нагрузки горячего водо-

снабжения на ТЭЦ в период 1950-1960 г. благодаря интенсивному жилищному строительству достигли 15 %. Такая доля нагрузки горячего водоснабжения дала возможность увеличить годовое число часов использования номинальной тепловой мощности отборов турбин до 3700 часов в год.

Повышение максимальных температур сетевой воды до 150 °С было практически повсеместно достигнуто к 1955 г., а новые типы турбин, начиная с 1948 г., выпускались с верхним пределом давления пара регулируемого отбора 0,25 МПа. Перевод режимов ТЭЦ на отпуск тепла от турбин с коэффициентом теплофикации 0,5 задержался из-за существенного их удорожания, связанного с установкой дорогостоящих парогенераторов, необходимых для подачи через РОУ пара на пиковые сетевые подогреватели. Кардинальное решение этой задачи последовало лишь в 1959 г., когда на ТЭЦ появились пиковые водогрейные котлы конструкции ВТИ и Орг-энергостроя. Массовая установка таких котлов на ТЭЦ для подогрева воды с 110-115 °С до 150 °С обеспечила почти повсеместный переход ТЭЦ на работу с оптимальным коэффициентом теплофикации, равным 0,4-0,5. При таких его значениях и доле горячего водоснабжения 10-15% число часов использования отборов турбин возросло до 4000-4500 с соответствующим сокращением выработки электроэнергии по конденсационному циклу.

Начиная с 1954 г., в связи с ростом нефтедобычи в Приуралье началось сооружение ряда нефтеперегонных заводов большой производительности, для которых потребовались ТЭЦ мощностью 200-300 МВт. Для этих ТЭЦ турбины 25 МВт целесообразно было заменить турбинами с единичной мощностью 50-60 МВт. Такие двух отборные турбины были созданы в 1956 г. на давление 9,0 МПа на ЛМЗ и в 1957 г. на УТМЗ на давление пара 13,0 МПа. По мере роста технологической тепловой нагрузки на таких заводах, а также с началом строительства химических комбинатов для производства удобрений, пластмасс и искусственного волокна, имевших потребность в паре до 600-800 т/ч, возникла необходимость в возобновлении производства противодавленческих турбин, но уже на высокие параметры пара, а именно на 13,0 МПа. Выпуск таких противодавленческих турбин мощностью 50 МВт был начат на ЛМЗ в 1962 г.

Изготовление турбин Р-50-130 взамен турбин ЛМЗ ВР-25-2 на давление 9,0 МПа решало одновременно три задачи:

1)   повышение начальных параметров пара с 9,0 до 13,0 МПа и

2)   понижение противодавления с 1,8 до 1,0 МПа, что в совокупности давало рост удельной выработки на тепловом потреблении с38,2 до 50 кВт-ч/ГДж,

3)   повышение мощности противодавленческих турбин до50 МВт, т.е. выравнивание их мощности с турбинами ПТ-50.

Отсутствие в номенклатуре изготовляемого оборудования турбин 50 МВт для отопительных ТЭЦ привело к необходимости использования на таких ТЭЦ турбин типа ПТ, например, на ТЭЦ № 9, 11, 12,16, 20 и 22 Мосэнерго и др. Это увеличивало на них долю выработки электроэнергии по конденсационному циклу и существенно снижало удельную выработку электроэнергии на тепловом потреблении.

К этому времени развитие жилищного строительства в крупных жилых центрах (Москва, Ленинград и др.) создало базу для сооружения значительного числа отопительных ТЭЦ мощностью 300-400 МВт и более. В этот период во Всероссийском теплотехническом институте были разработаны профили новых типов основного оборудования ТЭЦ: теплофикационных турбин мощностью 50 и 100 МВт (проф. Я.М.Рубинштейн, проф. Е.Я.Соколов), пиковых водогрейных котлов (проф. Л.Б.Кроль, Н.И.Жирнов). По этим разработкам УТМЗ (Д.П.Бузин, Е.И.Бененсон) были выполнены проекты и изготовлены новые турбины на 50 МВт (1960 г.) и 100 МВт (1962 г.), отличающиеся повышенной экономичностью и являющиеся до настоящего времени наиболее распространенным основным оборудованием ТЭЦ. Разработанные водогрейные котлы получили широкое распространение не только в качестве пиковых на ТЭЦ, но и как основное оборудование районных котельных.

Принципиальным отличием этих новых типов турбин было применение в них двухступенчатого подогрева сетевой воды с использованием нижнего отбора 0,05-0,2 МПа и верхнего отбора 0,06-0,25 МПа и возможностью перевода турбин в режим работы с противодавлением при конденсации выхлопного пара в выделенной в конденсаторе турбины специальной поверхности (сетевой пучок) для подогрева сетевой или подпиточной воды.

Наиболее эффективной была работа таких турбин на ТЭЦ, к которым присоединялись тепловые сети с потребителями горячего водоснабжения, включенными по закрытой схеме нагрева водопроводной воды. В такой схеме обратная вода из системы отопления дополнительно охлаждается и поступает на ТЭЦ с температурой 30-50 °С. Сочетание схем ТЭЦ с новыми турбинами, имеющими два теплофикационных отбора, и схемы абонентских вводов с последовательным соединением теплообменников горячего водоснабжения дало возможность повысить на ТЭЦ в теплые дни отопительного сезона значение удельной выработки электроэнергии до 148 кВт-ч/ГДж. В результате повышения начальных параметров пара было достигнуто снижение среднего удельного расхода условного топлива с 440 до 395 г у.т./кВт-ч при средних расходах условного топлива на КЭС тех же параметров 437 г у.т./кВт-ч.

За 10 лет (с 1950 по 1960 г.) на ТЭЦ было установлено более 500 турбин с давлением 9,0 МПа суммарной мощностью около 9 млн кВт.

Установка на ТЭЦ турбин мощностью 50-100 МВт с давлением пара 13 МПа, начавшаяся после 1960 г., имела следствием значительный рост эффективности работы ТЭЦ.

К 1970 г. в системе Минэнерго было сооружено более 100 новых ТЭЦ и установлено более 600 теплофикационных турбин. Суммарная мощность теплофикационных турбин увеличилась с 16,6 млн кВт до 47,0 млн кВт.

К 1975 г. мощность турбин, установленных на ТЭЦ, возросла до 58,5 млн кВт при годовом отпуске тепла около 3820 млн ГДж.

В составе оборудования отопительных ТЭЦ появилась турбина Т-250/300-240 на за критические параметры пара 24,0 МПа и 540 °С с применением промперегрева, а для промышленных ТЭЦ УТМЗ в 1973 г. была изготовлена турбина ПТ-135/165-130 на давление 13,0 МПа.

Следует отметить выдающуюся роль в становлении теплофикации ученых и инженеров, посвятивших свою профессиональную деятельность теоретическому ее обоснованию, практическому внедрению и подготовке квалифицированных кадров.

Это, кроме упомянутых выше: проф. Сергей Федорович Копьев (ОРГРЭС, МИСИ), проф. Ефим Яковлевич Соколов (МЭИ,

ВТИ), акад. Лев Александрович Мелентьев (СЭИ), проф. Елизар Федорович Бродский (ЛИСИ), инж. Евсей Петрович Шубин (ГИ-ПРОКОММУНЭНЕРГО), к.т.н. Николай Константинович Громов (Теплосеть Мосэнерго), к.т.н. Исаак Соломонович Ланин (Теплосеть Ленэнерго), к.т.н. Борис Иосифович Генкин (ОРГРЭС), к.т.н. Александр Петрович Сафонов (Теплосеть Мосэнерго), проф. Владимир Бернардович Пакшвер (ВТИ), инж. Александр Александрович Николаев (ТЭП), к.т.н. Семен Яковлевич Белинский (МЭИ), к.т.н. Василий Петрович Корытников (ВНИПИЭНЕРГОПРОМ), а также многие другие ученые и инженеры, отдавшие делу развития теплофикации свои силы и знания. Многие из упомянутых ученых являются авторами фундаментальных монографий и учебников, которыми специалисты в области теплофикации пользуются до настоящего времени.

Часть вторая. История развития теплоснабжения 
 и теплофикации в России

Глава «Русская отопительная техника*» 
* По материалам книги АИ. Орлова «Русская отогштелъно-вентиляционная техника», М., Государственное издательство строительной литературы, 1950.

Техника отопления в древности

Возникновение отопительно-вентиляционной техники в ее наиболее примитивной форме уходит своими корнями в далекое прошлое, коща человек, овладевший искусством добывания огня, стал использовать его для приготовления пищи и согревания жилища.

Древнейшие искусственные постройки - жилища, обнаруженные археологами, относятся к средней ступени дикости. Такова, например, Костенковская стоянка (Воронежская обл.), Бологовская стоянка у Ладожского озера, Волосовская стоянка (у Мурома) и др.

Жилища этого периода представляли собой землянки, покрытые сверху жердями с последующей засыпкой кровли слоем земли. В центре землянки находился очаг в виде ямы, в которой разводится костер для согревания жилища и для варки пищи. Дым от костра выходил через отверстие, служившее одновременно входом в землянку. Через это же отверстие поступал наружный воздух, необходимый для горения костра и для вентиляции землянки.

В материалах археологических раскопок на месте бывших военных крепостей Римской империи на побережье Черного моря и даже в Средней Азии весьма характерные для древнего Рима и его колоний устройства огневоздушной подпольной системы отопления и вентиляции, известной под греческим названием «хюпокаустум» (снизу согретый). Детальное описание такой отопительной системы зданий было дано Витрувием в конце I в. до н. э.

Установки огневоздушного подпольного отопления обнаружены на месте древнего города Херсонеса (на берегу Черного моря, около Севастополя) и древнеримской крепости Хараз - в Средней Азии, под базарной площадью современного города Джамбул.

При раскопках в 1937 г. города Херсонеса найдены остатки стен и фундаменты бани, состоящие из предбанника с каменными сиденьями по стенам, с полом, мощенным тесанными плитами известняка, а также смежного помещения бани с гладко оштукатуренным полом и стенами. Ниже уровня пола в западном конце бани сохранилась печь из кирпичей и обломков черепицы. Дымовые газы от печи проходили сначала под полом бани, затем поднимались по внутристенным каналам и входили внутрь помещений. После про-топки печи по тому же направлению проходил наружный воздух и, согреваясь по пути, попадал в баню уже достаточно теплым, осуществляя тем самым отопление и вентиляцию помещений бани.

Жилища древнеславянских племен VШ-IХ вв. представляли собой по большей части полуземлянки, соединенные подземными крытыми ходами. Надземная часть жилищ сооружалась из столбов и переплетенных прутьев или камыша с глиняной двухсторонней обмазкой. Очаги были глинобитные. Конструкция этих очагов в некоторых случаях имела куполообразную форму с отверстием вверху для отвода дыма из печи в помещение полуземлянки.

По свидетельству арабского географа Ибн-Русте (X в.) славянам Среднего Поднепропья уже в то время был хорошо известен способ нагрева воды путем набрасывания в нее булыжника, раскаленного на своде печи-каменки, а также способ быстрого согревания помещений путем поливки раскаленного булыжника водой.

Раскопки 1940 г., производившиеся в районе Старой Ладоги, показали, что в данной местности древнерусское жилище ГХ-Х вв. отапливалось «по-черному» печью-каменкой, которая складывалась без какого-либо связывающего раствора из «диких камней» (валунов и булыжника) в одном из задних углов избы. Изба рубилась из толстых бревен и имела обычную для нашего времени двухскатную кровлю.

Рубленая изба с печью-каменкой - на севере и полуземлянка с глинобитной печью - на юге являлись основным типом жилища горожан Древней Руси. 

От курной до русской печи.

Известно, что древнерусские боярские хоромы XVI-XVII вв. уже отапливались изразцовыми печами с дымоотводящими трубами и что верхние покои этих хором имели весьма оригинальное воздушное отопление, обслуживаемое от печей первого этажа. В Александровском Успенском соборе, построенном при Иване Ш в конце XV в., была установлена замечательная по своей архитектурной обработке печь, разобранная лишь в 1869 г. при капитальном ремонте храма.

Грановитая палата Московского кремля, построенная в 1487-1491 гг., была оборудована подпольно-воздушной системой отопления, просуществовавшей свыше столетия. Такую же систему отопления имели, по-видимому, и другие царские палаты. Один из современников этого периода, Самуил Маскевич, в своем дневнике за 1611 г. особо отмечает, что в каменном дворце Московского кремля печи устроены под землей с душниками для нагревания комнат.

В помещениях нижнего этажа ставились кирпичные или изразцовые печи с насадными трубами, которые проходили через помещения второго этажа деревянного здания и снабжались железным затвором (или вьюшкой) на чердаке или под потолком помещения верхнего этажа. Ниже этой вьюшки (на насадной трубе) устраивался «душник», который открывался после окончания топки печи.

Таким образом, помещение верхнего этажа отапливалось горячим воздухом, который подсасывался через не плотности топочной дверцы или через открытую дверцу у печи нижнего этажа и после прохода по дымооборотам печи поступал через насадную трубу и «душник» в помещение второго этажа. Нагрев помещения верхнего этажа происходил, конечно, и за счет теплоотдачи наружных стенок насадной трубы.

Насадные, или, так их в то время называли, «проводные» трубы в верхних этажах обычно покрывались снаружи причудливыми изразцами. В некоторых случаях, когда для отопления помещения верхнего этажа «проводной» трубы с «душником» было недостаточно, около трубы ставился дополнительно «комен» (камин) со своей «за крышкой железной».

Особо широкое распространение такое отопление верхних покоев получило в ХУЛ в.

Высоко развитой технике дворцовых построек противостояла техника отопления жилищ простого люда. Не только в XV в., но и значительно позже «курная», т.е. топящаяся по-черному, печь являлась основным отопительным прибором жилой избы. Как показывает само название, курная печь не допускала разведения в ней большого огня из-за опасности воспламенения деревянных строительных конструкций избы. Во время топки печи дым заполнял всю хату и выходил затем наружу через верхнюю часть приоткрытых дверей, а через нижнюю часть этих дверей в помещение поступал холодный воздух. Однако уже в XV в. для отвода дыма часто предусматривали специальное отверстие (10x15 см) в стене почти под самым потолком избы, что в значительной мере уменьшало задымленность избы во время топки печи. Это отверстие закрывалось изнутри заслоном, как и другие применявшиеся в старину «волоковые» окна избы.