Введение

Доступность энергии и надежность энергоснабжения в современном мире являются основой развития экономики, улучшения качества жизни людей.

В первой книге «От огня и воды к электричеству» настоящего издания «Энергетика: история, настоящее и будущее» дается представление об эволюции Земли, истории использования человеком огня, освоении энергии рек, ветра с древнейших времен до эпохи электричества, освещены начало использования солнечной энергии и ее потенциал, открытие и использование основных видов ископаемых энергетических ресурсов (угля, нефти, газа, урана).

Во второй книге «Познание и опыт – путь к современной энергетике» приводится история развития учения о теплоте и использовании тепловой энергии, исследований и открытия основных законов электричества, создания первых гидрои теплоэлектростанций и систем передач электроэнергии, исследований и использования ядерной энергии, создания первых атомных электростанций.

В настоящей третьей книге «Развитие теплоэнергетики и гидроэнергетики» приводится история, современное состояние и перспективы развития теплоэнергетики и гидроэнергетики, основы теории тепловых электростанций, их основные типы, типы котлов, паровых и газовых турбин, этапы развития гидроэнергетики, основные типы, условия эксплуатации и режимы работы ГЭС и ГАЭС, состав их технологического оборудования.

Достижения в развитии учения о теплоте и электричестве, использовании тепловой и гидроэнергии, становлении электротехники, создании турбин, генераторов позволили в конце XIX века построить первые промышленные электростанции, осуществить передачу электроэнергии на значительные расстояния.

Мы, живущие в ХХI веке, где электроэнергия является основой жизнедеятельности общества, всегда будем помнить великих ученых разных стран – М.В. Ломоносова (1711–1765), Э. Мариотта (1620–1684), Ж. Гей-Люссака (1778–1850), С. Карно (1796–1832), Г. Гельмгольца (1821–1894), Ю. Майера (1814–1878), Р. Клаузиуса (1822–1888), Р. Бойля (1627–1691), Д. Джоуля (1818–1889), У. Томсона (1824–1907), Б. Румфорда (1753–1814), Д. Гиббса (1839–1903), У. Гильберта (1544–1603), О. Герике (1602–1686), С. Грея (1666–1735), Ш. Дюфе (1698–1739), Б. Франклина (1706–1790), Ш. Кулона (1736–1806), Л. Гальвани (1737–1798), А. Вольта (1745–1827), Г. Ома (1787–1854), Г. Кирхгофа (1824–1887), Г. Герца (1857–1894), Г. Эрстеда (1777–1851), А. Ампера (1775–1836), М. Фарадея (1791–1867), Д. Максвелла (1831–1879), Э. Ленца (1804–1865) и многих других, гением которых были разработаны фундаментальные основы теплотехники и электротехники; великих инженеров и изобретателей Г. Лаваля, Ч. Парсонса, Ч. Кертиса, О.Рато, Г. Цели, братьев Пиксии, В. Сименса, Т. Грамма, И. Фонтена, Т. Эдисона, М. ДоливоДобровольского, Н. Теслу и многих других, которыми были созданы турбины, генераторы и построены первые промышленные электростанции.

Первая в мире крупная тепловая электростанция была введена в 1882 г. в НьюЙорке, первая промышленная ГЭС – в г. Лауфен в Германии, а к концу XIX века были созданы необходимые условия, обеспечившие наступление эры современной электроэнергетики.

Стремительно развивающаяся с начала ХХ века электроэнергетика и электрификация сыграли определяющую роль в развитии экономики, в резком повышении эффективности промышленности, развитии городов, более экономном и эффективном расходовании природных ресурсов. Доля электроэнергетики в структуре потребления энергии резко увеличилась, достигнув к концу ХХ века 40% в развитых странах, входящих в Организацию экономического сотрудничества и развития (ОЭСР). Производство электроэнергии в мире с 1950 по 2000 гг. увеличилось в 14 раз и превысило 15 трлн. кВт·ч (при мощности электростанций 3,58 млрд. кВт), из которых на ТЭС и ТЭЦ приходилось более 64%, а на ГЭС – около 19%.

В течение ХХ века совершенствовались технологии производства электроэнергии и оборудование, росли мощности энергоблоков на ТЭС, достигнув более 1 млн. кВт.

Совершенствование и развитие в ХХ веке паровых, газових, гидравлических турбин, парогазовых технологий связаны с именами А. Стодолы, К. Гольцварта, Яндрассика, В.М. Маковского, Н.Е. Жуковского, Б.С. Стечкина, А.М. Люльки, А.Г. Ивченко, Л.Н. Ложкина и многих других.

Паровые турбины, имевшие в начале ХХ века мощность до 10 МВт, достигли в начале ХХI века мощности более 1 млн. кВт, начальных параметров пара – до 30 МПа, температуры – до 600°С и к.п.д. до 45%.

При развитии стационарных энергетических ГТУ с 50-х годов ХХ века широко использовались выдающиеся достижения авиационного газотурбостроения. Начав с мощностей до 10 МВт, начальной температуры газа 800°С и к.п.д. 26%, в современных ГТУ достигнуты мощности до 300 МВт, температуры до 1500°С и к.п.д. до 39%, а при промежуточном охлаждении воздуха – к.п.д. до 45%.

Мощным стимулом дальнейшего развития ГТУ стало возрастающее применение в теплоэнергетике парогазовых технологий. Мощности блоков современных ПГУ увеличились до 600 МВт, к.п.д. – до 58%.

Широкое развитие, особенно во второй половине ХХ века, получило централизованное теплоснабжение в СССР, странах Северной Европы. Основными направлениями повышения эффективности теплофикации стало использование комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, а также парогазового цикла.

Современная теплоэнергетика, являясь важнейшим фактором развития общества, одновременно является одним из основных загрязнителей окружающей среды, оказывая глобальное отрицательное влияние на экологию, на изменение климата. Так, на долю ТЭС приходится около 30% антропогенных выбросов парниковых газов.

Для преодоления экологического кризиса в теплоэнергетике должны произойти качественные изменения. Важнейшими проблемами перспективного развития тепловой энергетики являются дальнейшее техническое совершенствование, переход на принципиально новые технологии, обеспечивающие повышение экономической и энергетической эффективности, надежности и экологической чистоты производства электрической энергии с минимизацией выбросов в окружающую среду до экологически безопасного уровня. Внедрение разрабатываемых гибридных установок, представляющих собой сочетание топливных элементов и ПГУ, может позволить в перспективе достичь к.п.д. 75%, а при использовании когенерационной технологии с выработкой также теплоты – до 85% и более. В теплофикации дальнейшее развитие получат когенерационные технологии.

ХХ век характеризуется быстрым развитием гидроэнергетики, использующей возобновляемые гидроэнергетические ресурсы и одновременно комплексно решающей проблемы водоснабжения, орошения, защиты от паводков, рекреации и др.

На уровне 2000 г. в мире освоено около 32% экономически эффективного гидроэнергетического потенциала и на ГЭС выработано 2650, а в 2008 г. – 3350 млрд. кВт·ч (на 26% больше), максимальная высота плотин увеличилась до 300 м, полезная емкость крупных водохранилищ составляет десятки км³, а ГЭС «Три ущелья» в Китае достигла мощности 18,2 млн. кВт. Во многих случаях ГЭС и их каскады стали ядром крупных водохозяйственных и территориально-производственных комплексов, обеспечивающих подъем экономики и улучшение социальных условий в слаборазвитых странах. Планируется дальнейшее широкое использование гидроэнергетических ресурсов, а также строительство гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), которые играют важнейшую роль в энергосистемах, обеспечивая регулирование суточных графиков нагрузок, заполняя ночные провалы и покрывая пиковую часть графика, выполняя резервные функции.