Глава III
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ
§7. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Электрическая тяга является прогрессивным видом тяги на железных дорогах СССР, что вытекает из крупных народнохозяйственных преимуществ электрификации железных дорог нашей страны. Можно отметить, что перспективы электрической тяги предвидятся при обозримых ныне возможностях наиболее достоверно, так как электрификация дорог связана закономерно с развитием электрификации всей страны и ее электроэнергетической базы. Источником централизованного электроснабжения электровозов служат энергосистемы, объединяющие несколько тепловых, гидростанций и атомных электростанций.
В стране действует свыше 93 энергосистем. Подавляющее большинство из них включено в крупные объединения.
В настоящее время [28] на территории страны действуют 11 крупных объединенных энергосистем. Восемь из них связаны между собой и образуют Единую энергетическую систему СССР (ЕЭС). Общая мощность ее на 1 января 1976 г. составила 150 млн. кВт. Выработка электроэнергии на 1 января 1976 г. достигла 1036 млрд. кВт-ч. За девятую пятилетку протяженность электрифицированных магистралей в нашей стране возросла примерно на 4,8 тыс. км.
В десятой пятилетке намечено создать и ввести в промышленную эксплуатацию линии электропередачи сверхвысокого напряжения 1150 кВ переменного тока протяженностью 300 км и 1500 кВ постоянного тока (Экибастуз—Центр) протяженностью 2400 км. Длина линии напряжением 750 кВ будет увеличена за указанный период до 1840 км.
Созданы сложные комплексы высоковольтного преобразовательного полупроводникового электрооборудования на напряжение 1150 кВ переменного тока и 1500 кВ постоянного тока, которые создадут возможность транспортирования большого количества электроэнергии на расстояния 3—3,5 тыс. км. Предполагается до 1980 г. ввод в действие мощностей на электростанциях в размере 67—70 млн. кВт, в том числе на атомных 13—15 млн. кВт; продолжение строительства тепловых электростанций мощностью 4—6 млн. кВт с установкой энергетических блоков мощностью 500—800 МВт, атомных электростанций с реакторами единичной мощности 1—1,5 млн. кВт; освоение производства турбогенераторов мощностью 1000—1200 МВт для тепловых электростанций, генераторов мощностью 640 МВт для гидроэлектростанций, комплексов высоковольтного оборудования для линий электропередачи постоянного тока напряжением до 1500 кВ и переменного тока до 1150 кВ.
Доля атомных и гидростанций в общем вводе новых мощностей по производству электроэнергии возрастет за 1976—1980 гг. почти до 40% по сравнению с 22% в девятой пятилетке.
Среди тепловых имеются районные электростанции конденсационного типа (КЭС), которые вырабатывают электрическую энергию путем применения чисто конденсационных турбин, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых используются теплофикационные турбины, поэтому наряду с электрической энергией они дают также теплоту, используемую во многих отраслях народного хозяйства.
Централизованное теплоснабжение для производственных и бытовых нужд, основанное на выработке электрической энергии и теплоты комбинированным методом (теплофикация), является одним из важнейших методов экономии топлива. Оно осуществляется у нас в стране в широких размерах.
Большое значение для снижения себестоимости электроэнергии имеет использование запасов гидроэнергии.
На действующих гидроэлектростанциях себестоимость 1 кВт-ч почти в 4 раза ниже средней себестоимости 1 кВт-ч на районных тепловых электростанциях.
Предусматривается более полно использовать гидроэнергетические ресурсы восточных районов страны путем строительства высоковольтных гидроузлов, комплексно решающих проблемы энергетики, ирригации, судоходства и водоснабжения.
Увеличение общей мощности электростанций, на 1980 г. намеченное введение мощности АЭС в размере 13—15 млн. кВт приведет к 7% общей мощности электростанций.
Для обеспечения экономической эффективности электрической тяги большое значение имеет снижение расхода электрической энергии на единицу перевозочной работы и стоимости ее, так как известно, что значительная доля себестоимости перевозок приходится на стоимость электроэнергии.
Схема питания электровоза электрической энергией показана на рис. 14.
При оценке энергетического уровня электрической тяги (см. § 38) нельзя рассматривать получаемую из системы готовую электрическую энергию для питания электровозов как «обезличенную», независимо от методов преобразования первичных энергетических ресурсов в электрическую энергию и вида используемых ресурсов (тепла топлива, энергии воды и др.). Использование «обезличенной» энергии может иметь место только при нормировании и оценке удельных расходов электроэнергии на единицу перевозочной работы, отражающих лишь техническое совершенство подвижного состава и уровень организации перевозочного процесса.
Рис. 14. Схема электроснабжения электрифицированного участка железной дороги от гидроэлектростанции:
1 — гидроэлектростанция; 2 — линия электропередач 110 кВ; 3 — вводы 110 кВ на тяговую подстанцию; 4 — разъединитель; 5 — выключатель; 6 — понижающий трансформатор; 7 — распредустройство 10 кВ; 8 — трансформаторы выпрямителей; 9 — здание тяговой подстанции и дистанции контактной сети; 10 — питающие и отсасывающие линии; 11 — контактная сеть
Для оценки народнохозяйственной эффективности использования топлива на электрическую тягу, особенно при сравнении разных видов тяги, требуется рассмотрение всего цикла преобразования энергии первичных ресурсов в работу, начиная от генерации электрической энергии на электростанции и кончая использованием конечной энергии на локомотиве.
В некоторых случаях может представить интерес оценка эффективности использования для нужд тяги природных энергетических ресурсов с учетом их добычи, распределения, транспортировки. Необходима увязка с перспективами развития энергетики страны.
При анализе и решении вопросов эффективности использования энергетических ресурсов для нужд электрической тяги следует четко сформулировать задачу. Наиболее характерными из возникающих задач являются следующие две:
оценка энергетического уровня электрической тяги и перспективы его повышения, которая делается для условно принимаемых надлежащих показателей современного уровня генерирующей электростанции и системы передачи электроэнергии или для данных, ожидаемых на перспективу;
определение эффективности преобразования энергоресурсов в конечную энергию перемещения грузов, исходя из условий конкретной энергосистемы, питающей электрическую тягу и линии электропередачи; здесь приходится рассматривать фактическую долю выработки для энергосистемы электрической энергии на базе КЭС, ТЭЦ и гидростанций.
Применение, например, среднего показателя эффективности использования энергетических ресурсов для энергосистем может привести к неточностям, так как средний показатель по энергосистемам в отдельных случаях отличается весьма значительно от к. п. д. для конкретной энергосистемы, особенно в связи с долей выработки электроэнергии наиболее эффективным путем на ТЭЦ. Влияние этого фактора заметно возрастает в связи с условно принятым отнесением на ТЭЦ всей экономии топлива от комбинированной выработки электроэнергии и теплоты на долю электроэнергии.
Исследуются меры рециркуляции горячих газов МГД-генераторов, при которой последний сможет осуществить полную мощность путем срабатывания наибольшего перепада температур без сочетания с традиционным двигателем.
Разработаны различного рода солнечные установки для энергетического использования радиации солнца.
Пока еще остаются открытыми вопросы, связанные, по опубликованным зарубежным данным (США), с долговечностью установок, управлением, сооружением крупных конструкций в Космосе (например, антенны диаметром около одного километра) и безопасностью сверхвысокочастотной радиации.
В настоящее время уже имеется в эксплуатации значительное количество геотермальных электростанций (СССР, Италия, США, Япония, Новая Зеландия, Мексика). Источники энергии подземного тепла в СССР имеются на Дальнем Востоке, Кавказе, Западной Сибири, Средней Азии, Казахстане.
На Южной Камчатке работает геотермальная электростанция мощностью 5000 кВт на подземном водяном паре. В направлении создания крупных геотермальных электростанций в СССР имеются большие возможности и ведутся работы.
Следует также отметить, что вопрос об увеличении начальной температуры пара для паровой турбины электростанции вышеуказанной ранее и соответственно к. п. д. паротурбинной установки нельзя считать снятым с повестки дня. Имеются в виду возможности повышения в перспективе уровня развития металлургии и энергомашиностроения. С целью преодоления рассматриваемой трудности в отношении повышения к. п. д. паротурбинной установки является актуальной надстройка ступени высокой температуры в бинарном цикле с паровой турбиной в нижней ступени при достигнутой для нее температуре пара. В связи с этим у нас успешно решена проблема парогазовых установок путем надстройки, содержащей газовую турбину. Благодаря этому повышается температурный уровень подвода тепла в цикле и достигается высокий к. п. д. парогазовой установки. Особенно большой практический интерес в этом направлении представляет указанная надстройка магнито-гидродинамической генераторной установки.
Преобразование энергии топлива в работу на тепловозах и газотурбовозах.
Этот процесс происходит целиком в ТЭУ, расположенной на самом локомотиве, т. е. изолированно работающая ТЭУ предназначена для электроснабжения только данного локомотива, поэтому последний относится к типу автономных локомотивов. Существенным для автономных локомотивов является вопрос об источнике энергии для привода механизмов собственных нужд и вспомогательных установок при работе ТЭУ под нагрузкой, на холостом ходу и при пуске ее, а также для централизованного обеспечения состава электроэнергией и теплом. Решение задачи электроснабжения поезда, особенно пассажирского, требует, чтобы были увязаны источники энергии для нужд тяги и электроснабжения состава.
Несомненно и при наиболее бурном развитии электротяги будет существовать автономная тяга. Однако в условиях соревнования видов тяги на железнодорожном транспорте это, очевидно, потребует максимального повышения энергетического уровня автономного локомотива. В этом отношении можно отметить некоторые благоприятные условия потенциального развития газотурбинного локомотивного двигателя. К ним относится возрастающее быстрыми темпами применение высоких температур газа перед газовой турбиной. При температуре 1200° С достигнут, например, в стационарной газотурбинной установке к. п. д. порядка 55%. Газотурбинный локомотивный двигатель допускает большую единичную мощность, что важно в связи с предвидимым увеличением скорости движения на железнодорожном транспорте и массы поезда. Однако все же есть ограничения в отношении выбора для локомотива простой схемы газотурбинного двигателя, связанные с невысокой тепловой экономичностью при характерных для него режимных условиях работы с недогрузкой и особенно на холостом ходу. Кроме того, затрудняется применение менее дефицитного жидкого топлива при высоких температурах газа перед турбиной.
Некоторые ограничения для тепловозного дизеля связаны невозможностью дальнейшего совершенствования традиционного термодинамического цикла за счет «собственных сил» и существенного повышения единичной мощности двигателя.
Большое значение для повышения к. п. д. и единичной мощности теплоэнергетической установки автономных локомотивов могут иметь в будущем мероприятия по утилизации отработавшего тепла для отопления вагонов (см. главу 7) и возможно в виде транспортных энерготехнологических процессов в комплексной увязке, например, с сельским хозяйством.
Задаче утилизации тепла следует уделить большое внимание, имея в виду необходимость полнее использовать в народном хозяйстве вторичные топливно-энергетические (побочные) ресурсы.